王柏華，馬秀飛，馬 軍，張彩榮

(江蘇師范大學(xué) 國家級軌道交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

江蘇師范大學(xué)自2013年至2018年分別獲批了江蘇省“信息與控制工程實(shí)踐教育中心”、教育部“軌道信息與控制”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育中心、江蘇省“軌道與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)”和教育部首批“動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架檢修實(shí)驗(yàn)”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)點(diǎn)。5年來，課題組秉持新工科教育需要走上數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路的理念，堅(jiān)持問題和需求為導(dǎo)向，依據(jù)虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛，開放共享的建設(shè)思路，以提高大學(xué)生工程素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，緊密結(jié)合工程教學(xué)和工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)，體現(xiàn)多維度、系統(tǒng)化和自主式等特點(diǎn)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，建立了“實(shí)驗(yàn)—實(shí)踐—實(shí)訓(xùn)”、“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)體系，教學(xué)模式持續(xù)優(yōu)化，教學(xué)體系不斷完善，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的主動(dòng)性和積極性[1-2]。

1 建設(shè)體系

1.1 教學(xué)資源建設(shè)

(1)開發(fā)“三層六型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。課題組緊密融合專業(yè)建設(shè)和行業(yè)發(fā)展最新成果，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對高校軌道交通信息與控制人才培養(yǎng)的需求，依托教育信息化服務(wù)企業(yè)提供專業(yè)技術(shù)和運(yùn)營管理服務(wù)，與教育信息化服務(wù)企業(yè)合作，在行車控制、運(yùn)行車輛、牽引供電、運(yùn)輸組織等，開發(fā)了具有展示、編輯和共建共享等功能的“三層六型”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目50余個(gè)。包括車站聯(lián)鎖、信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備、區(qū)間列控、信號(hào)機(jī)和轉(zhuǎn)轍機(jī)拆裝、繼電接口電路、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障、列車限制速度曲線繪制、車輛部件拆裝、車輛檢修、牽引變電所供電系統(tǒng)設(shè)備操作、接觸網(wǎng)分區(qū)供電方式、列車編組、運(yùn)行圖編制、運(yùn)輸能力計(jì)算、運(yùn)行計(jì)劃編制等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。基礎(chǔ)層包括驗(yàn)證型、演示型仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)用層包括綜合型、設(shè)計(jì)型仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，提高層包括科研型、創(chuàng)新型仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3-4]。其中，自主研制的“基于沙盤的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖半實(shí)物仿真系統(tǒng)”“牽引供電動(dòng)態(tài)模擬與故障分析系統(tǒng)”“動(dòng)車模擬駕駛系統(tǒng)”“動(dòng)車虛擬檢修系統(tǒng)”“動(dòng)車虛擬故障處理系統(tǒng)”“高鐵綜合調(diào)度仿真系統(tǒng)”等得到較好使用。

(2)搭建“三位一體”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。課題組堅(jiān)持以工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)為宗旨，提高學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，以“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合為目標(biāo)，提升教師的工程應(yīng)用能力，以深化校企合作為出發(fā)點(diǎn)，培養(yǎng)軌道交通行業(yè)職工的職業(yè)技術(shù)能力和應(yīng)急處理能力，搭建如圖1所示的集“實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真”“實(shí)踐培訓(xùn)虛擬仿真”“科研創(chuàng)新虛擬仿真”三大功能為一體的智能型虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)。3個(gè)平臺(tái)集虛擬資源、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體，功能聯(lián)動(dòng)，形成一體化相互推動(dòng)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)、科研服務(wù)”的有機(jī)融合[3-4]。

圖1 “實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)、科研服務(wù)”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(3)構(gòu)筑“一縱四橫”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。依托學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，借助我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)合作舉辦“3+2”本科教育項(xiàng)目的優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)課程體系，按照虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛，以虛助實(shí)，虛實(shí)互補(bǔ)的基本路線，以軌道交通信息與控制主干課程知識(shí)點(diǎn)和能力要求為依據(jù)，以安全運(yùn)行控制為準(zhǔn)則，將“運(yùn)輸組織”“行車控制”“運(yùn)行車輛”“牽引供電”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源統(tǒng)籌建設(shè)，以滿足多學(xué)校、多企業(yè)、多地區(qū)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)需求，形成如圖2所示的“一縱四橫”多分支的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[5-8]。

圖2 “一縱四橫”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

1.2 師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)

強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)，激勵(lì)教師積極從事實(shí)踐教學(xué)工作，采取專兼職相結(jié)合、國內(nèi)外培養(yǎng)與引進(jìn)并舉、建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍專業(yè)發(fā)展計(jì)劃、終身教育與職稱晉升改革等措施，提升實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍水平。目前形成了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)互通，科學(xué)研究與工程開發(fā)結(jié)合，校內(nèi)校外和國外相結(jié)合的高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。師資類別、來源、職稱和學(xué)歷結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 師資類別、來源、職稱和學(xué)歷結(jié)構(gòu)

(1)校內(nèi)師資。中心利用學(xué)校師資隊(duì)伍建設(shè)“153工程”和“331國際化工程”戰(zhàn)略，加快高水平學(xué)科帶頭人和具有國際化背景的高層次專業(yè)人才引進(jìn)。以教學(xué)促進(jìn)科研，以科研反哺教學(xué)，特色突出，成果顯著。目前專兼職教師68人，其中，中科院百人計(jì)劃1人、江蘇省雙創(chuàng)人才1人，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”首批中青年學(xué)科帶頭人及“六大人才高峰”高層次人才和“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人等15人，江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師10人[1]。

(2)國外師資。2014年經(jīng)教育部批準(zhǔn)，我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)合作舉辦“3+2”本科教育項(xiàng)目，成立了全國第一所中俄合作辦學(xué)機(jī)構(gòu)。以此為平臺(tái)深化國際教育合作，聘用國外16名軌道交通專業(yè)優(yōu)質(zhì)師資，進(jìn)一步強(qiáng)化了專業(yè)師資建設(shè)。

(3)企業(yè)師資。2008年，我校與上海鐵路局簽定協(xié)議，共同培養(yǎng)軌道交通類專業(yè)人才。學(xué)校與企業(yè)共同參與實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，并聘請了一批高級工程師和業(yè)務(wù)骨干兼任中心教師，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，建立了校企共建課程建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)、實(shí)習(xí)實(shí)踐基地建設(shè)的良好合作機(jī)制。

1.3 保障體系建設(shè)

(1)管理體系。為確保虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)高效、管理科學(xué)、運(yùn)行規(guī)范，學(xué)校建立如圖4所示的管理體系。中心下設(shè) “教學(xué)培訓(xùn)部”“科研服務(wù)部”“技術(shù)研發(fā)部”“企業(yè)協(xié)調(diào)部”，教學(xué)培訓(xùn)部負(fù)責(zé)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)、企業(yè)職工培訓(xùn)；科研服務(wù)部負(fù)責(zé)向校內(nèi)外師生和研究開發(fā)人員提供平臺(tái)服務(wù)；技術(shù)研發(fā)部負(fù)責(zé)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)與完善，科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，系統(tǒng)維護(hù)；企業(yè)協(xié)調(diào)部提供工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)資料，參與中心規(guī)劃建設(shè)、確定培訓(xùn)項(xiàng)目和科研服務(wù)平臺(tái)功能。

圖4 中心組織管理體系

(2)資金保障。以學(xué)校為主體，與合作單位共同建設(shè)，共享建設(shè)成果。經(jīng)費(fèi)投入以學(xué)校為主，企業(yè)資助為輔。目前學(xué)校已投入4 000余萬元，人才引進(jìn)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)已投入200余萬元，中心運(yùn)行管理與維護(hù)經(jīng)費(fèi)50萬元/年以上。

(3)評價(jià)體系。建立了績效、用戶和服務(wù)“三位一體”的評價(jià)體系。見圖5所示。

圖5 評價(jià)體系

1.4 共享體系建設(shè)

(1)信息化平臺(tái)。針對虛擬實(shí)驗(yàn)過程的智能指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了如圖6所示的信息化平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)預(yù)約、審批、執(zhí)行、評價(jià)和統(tǒng)計(jì)分析全方位的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能，達(dá)到了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的全程管理[9-11]。

圖6 信息化平臺(tái)

(2)共享架構(gòu)。以優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源開放共享為目標(biāo)，建立了如圖7所示的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放共享基本架構(gòu)?？芍С謫纹瑱C(jī)、移動(dòng)終端、局域網(wǎng)環(huán)境下使用，提供課程虛擬實(shí)驗(yàn)庫，支持實(shí)驗(yàn)的選配和素材的選用，強(qiáng)化了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享的技術(shù)支撐、系統(tǒng)服務(wù)和用戶管理，實(shí)現(xiàn)了用戶注冊、登錄、預(yù)約、查詢實(shí)驗(yàn)狀態(tài)信息及個(gè)人信息功能，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放共享，激勵(lì)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和提高學(xué)生創(chuàng)新能力[12-14]。

圖7 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享基本架構(gòu)

(3)開放共享。實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)共享、校際共享、企業(yè)共享和國際共享。校內(nèi)服務(wù)相關(guān)專業(yè)，支持學(xué)科建設(shè)、支撐科學(xué)研究，滿足仿真實(shí)驗(yàn)課程要求，為學(xué)生科技活動(dòng)、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、教師科研等提供服務(wù)。實(shí)驗(yàn)學(xué)生每年3 200人，12.8萬人時(shí)數(shù)；校外服務(wù)相關(guān)高校本科和研究生教學(xué)，8 000人時(shí)/年以上；為上海鐵路局徐州電務(wù)段、供電段、徐州高鐵客運(yùn)站、徐州城市軌道交通有限責(zé)任公司提供動(dòng)車模擬駕駛、運(yùn)用檢修、高速列車運(yùn)行控制、綜合調(diào)度、牽引供電等方面的虛擬仿真訓(xùn)練和技術(shù)演練，每年提供300人以上的服務(wù)，同時(shí)服務(wù)企業(yè)科技創(chuàng)新，目前已完成項(xiàng)目5項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化8項(xiàng)；我校與俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)和彼得大帝理工大學(xué)聯(lián)合舉辦本、碩一體軌道交通信號(hào)與控制等專業(yè)，學(xué)生在國外學(xué)習(xí)期間可通過網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)驗(yàn)，目前學(xué)生人數(shù)已達(dá)300人，提高了資源利用率和使用效益。

2 特色創(chuàng)新

(1)國際化課程嵌入的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。創(chuàng)建中俄合作辦學(xué)、雙方互惠、協(xié)同發(fā)展機(jī)制。嵌入俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，利用其優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，借鑒其實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法開展共同培養(yǎng)國際化人才。

(2)相輔相成的功能聯(lián)體平臺(tái)。搭建實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐培訓(xùn)和科研服務(wù)“三位一體”的功能平臺(tái)。依托企業(yè)先進(jìn)技術(shù)力量，利用我校優(yōu)勢學(xué)科資源，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，校企深度融合。

(3)工程引領(lǐng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系。構(gòu)建“行車控制、運(yùn)輸組織、運(yùn)行車輛、牽引供電”為核心軌道交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。形成以工程引領(lǐng)的“四體交融”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中客觀的實(shí)現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，并具有身臨其境的感受，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心通過幾年的建設(shè)實(shí)踐，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器、操作過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化和虛擬化，開發(fā)了“功能完備、界面友好”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，打造在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，助力資源共建共享。采用“虛實(shí)結(jié)合+自主學(xué)習(xí)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，構(gòu)建了與企業(yè)、院所“開放共享、產(chǎn)教融合”的教學(xué)模式，拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，大幅提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)成績和創(chuàng)新能力。加強(qiáng)了師生互動(dòng)，使指導(dǎo)和學(xué)習(xí)模式得以變革，減少了教師傳統(tǒng)指導(dǎo)工作量，教師工作得以優(yōu)化，從而達(dá)到對課程體系的重塑和實(shí)驗(yàn)方法的變革。真正體現(xiàn)了以人為本，重在人才培養(yǎng)的高等教育核心內(nèi)涵，取得了令人滿意的效果[15-16]。