低成本轨道交通实验教学方法实践.pdf

西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期DOI：10.16681/ki.wcqe.202320036作者简介：刘维宇（1987），男，副教授。研究方向：高等教育。注：本文系中国交通教育研究会教育科学研究课题“新工科背景下轨道交通自动化专业 知行合一 实践类人才培养模式改革与探索”的资助（编号：JTYB20-101）。摘要：文章从经验总结、效果评估、总结与展望三个方面对低成本轨道交通实验教学方法实践进行了论述，结果显示，低成本实验教学起到了应有的作用，有利于学生巩固所学知识，并得到了学生的认可，也证实了在低成本水平下，可以完成效果良好的实验教学。关键词：实验教学；轨道交通；低成本中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：2095-6401(2023)20-0151-04在最近的几十年中，我国的城市轨道交通行业得到了快速发展1-2，在很短的时间内，我国就建成了世界上最长里程的地铁线路。在同一时期，我国有众多城市从无到有，建立起了自己的城市轨道交通系统。甚至一些中小型城市也在研究如何建立自己的轨道交通体系3。轨道交通行业如此迅猛地发展，有力地促进了各地的经济发展4，方便了人民群众的生活，同时还带动了一批相关产业的发展5，这对高校提出了在短期内培养大量技术人才的需求6。为回应这一需求，我国轨道交通人才的培养规模也在快速扩大，大量高校都开办了轨道交通专业，但是其中很多都存在实验设备投资不足的问题。轨道交通专业的实践性很强，实验在教学过程中扮演着重要的角色。如果没有高质量的实验教学，学生很难真正掌握所学知识，进而很难顺利成长为满足行业需求的合格人才。轨道交通专业的实验经常需要专门设备的支持，这些专门设备价格较为昂贵，而且大多数难以应用于其他专业，因此往往利用率不高，这就为争取拨款投资带来了困难。而某些专业如计算机科学与技术专业，其实验需要的设备，像计算机通用性较强，众多课程和专业都会使用，利用率高，因此比较容易争取到投资。笔者所在的长安大学电子与控制工程学院（以下简称“电控学院”）的轨道交通专业创办于 2010 年，在办学过程中长期面对这一困难，不得不在低成本条件下，进行实验教学活动，因此摸索和总结出了一些经验。本文正是对这一经验进行总结和介绍，希望能够为面对同样困难的兄弟院校专业带来一些经验和启发。在电控学院的轨道交通专业，总体来讲，实验教学环节以课内实验教学为主，并辅以综合实验、创新创业项目等。课内实验教学由于缺少实验器材，因此以仿真实验为主。综合实验及创新创业项目的主要作用是支持课内实验教学的进行。其中，综合实验以开发仿真软件和搜集整理仿真数据为主，创新创业项目以开发硬件平台及仪器设备为主。本文采取直接和间接评价相结合的方法来评估实验教学效果。其中，直接评价主要从学生课程得分方面来进行，间接评价主要通过与学生进行座谈，听取学生意见来进行。评估结果表明，电控学院轨道交通专业的实验教学取得了良好的效果。换言之，笔者用实践证明了，在缺少资金支持的条件下，依然可以有效地开展轨道交通专业的实验教学。一、经验总结如图 1 所示，实验教学主要分成两个部分，分别为课内部分和课外部分。图 1 实验教学的方法框架首先，课内实验，这部分是实验教学的核心。课内实验的效果直接关系到专业课程的学习效果。电控学低成本轨道交通实验教学方法实践刘维宇1，李光1，任玉坤2，李艳波3*，虢婷4，武奇生1（1 长安大学电子与控制工程学院，陕西 西安，710064；2 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨，150001；3 长安大学能源与电气工程学院，陕西 西安，710064；4 长安大学材料科学与工程学院，陕西 西安，710064）院的轨道交通专业是依托自动化专业创办的，教学内容兼顾自动化和轨道交通两个方向。根据培养计划的安排，学生前期主要进行自动化类课程的学习，这与普通的自动化专业没有太大区别。后期在自动化类课程学习的基础上，开设了多门轨道交通专业课程，均带有一定学时的课内实验。这部分实验要求全体学生必须全部参与，成绩会记入课程总评成绩。由于缺少投资，缺乏实验器材，这部分实验主要以仿真的形式来进行。仿真是一种重要的实验教学方法，在高等院校的实验教学中具有重要的地位7-12。仿真实验基本上都是在电脑上进行，笔者所在学校建有大规模的计算机房，完全可以满足学生上机实验的要求。其次，课外实验，主要指综合实验、大学生创新创业项目等。其中，综合实验部分是培养计划中明确列出的课程，全部学生都需要参与，且实验内容具有灵活性和多样性。实验内容一般由指导教师和学生商量确定，部分学生可能会开展一些轨道交通方面的课题。大学生创新创业项目属于课外科技活动，不列入培养计划，只鼓励部分有兴趣的学生参与。与课内实验相比，课外实验普遍学时较长，且仅有部分学生参与，主要作用是在锻炼这些学生的专业素养的同时，为课内实验的开展创造条件。具体来讲，对于无经费支持的综合实验等，主要内容是开发课内仿真实验需要的软件，以及搜集整理课内仿真实验需要的数据。对于有经费支持的大学生创新创业项目等，主要内容是开发课内实验可能用到的硬件平台或实验仪器。以“城市轨道交通系统”及“轨道交通车辆通信网络”这两门课程为例，进行详细分析。这两门课程均为培养计划中列出的轨道交通专业的课程，均设有课内实验，也都安排以仿真的形式进行。在“城市轨道交通系统”课程的实验中，主要安排学生完成两部分的工作。第一部分，要求学生整理和学习仿真方面的材料，这是考虑到这门课程开设时，学生可能没有仿真的经验，因此，学生对于仿真进行一定的了解很有必要。在这一部分中，会要求学生完成一个关于仿真的综述报告，其中包括至少三方面的内容，分别为仿真的概念及方法、仿真的应用尤其是仿真在轨道交通中的应用、仿真的常用平台和软件。在第二部分中，要求学生完成对地铁售检票设备的仿真，以确定合适的售检票设备数量。由于学时有限，大多数学生都无法完全独立地在规定的时间内完成仿真程序的编写，因此在另一门 4 周学时的综合实验课程中安排一组学生完成仿真软件的编写。在“城市轨道交通系统”课程中，学生只需要在已经开发好的底层模块上再次进行开发即可。另外，在这一部分，也需要实地采集数据，包括客流数据及售检票设备的服务时间数据等。由于这一工作无法在课堂上完成，因此交给上综合实验课程的那一组学生去做，教师直接向“城市轨道交通系统”课程的选课学生提供所需的数据即可。在“轨道交通车辆通信网络”课程的实验中，主要安排学生完成通信协议的仿真工作。由于课时有限，无法全面仿真课程中所有讲述的内容，故教师可将重点放在介质访问控制协议方面，要求学生编写程序，仿真多种介质访问控制协议，同时调节参数，如节点个数、发送速率等，考察在不同参数下协议的表现，并绘制图表加以比较，以加深学生对于所学知识的了解，并培养学生通过图表分析数据，对问题进行研究的能力。大学生创新创业项目在实验教学体系中具有特殊的地位，这是因为该项目每年批准项数较多，申请难度不是很高，而且如果申请成功，可以得到一定的经费资助。因此，充分利用该项目，是在低成本条件下，改善实验条件的重要手段之一。对此，笔者所在学校组织学生申请该项目并成功获批。在该项目中，学生利用资助的资金购买设备和器材，完成了一个轨道交通模拟沙盘的开发。该沙盘包含了车站、轨道、道岔、列车等一系列轨道交通基础设施模型，并可以通过编程进行参数调整，仿真轨道交通系统的运作。该沙盘体积较大，难以搬运，不方便直接在课堂上展示，因此教师录制了教学视频在“城市轨道交通系统”课堂上播放，帮助学生了解轨道交通系统的组成和运作。今后，打算利用该沙盘模型进行更多的实验。概言之，在电控学院的轨道交通专业，专业实验的进行以课内实验为核心。但由于缺乏设备，课内实验主要采用仿真实验的方法进行。进行仿真实验需要一定的准备工作，这些准备工作如果不方便在课内进行，可以安排在课外的综合实验等项目中由部分学生完成。对于硬件平台及实验仪器的制备工作，由于需要购买设备，因此放在有一定经费支持的大创项目中来完成。二、效果评估为了检验实验教学的效果，本文采取直接评估和间接评估相结合的评价方法。直接评估就是考查学生最终的期末考试成绩，最终学生的期末考试成绩越高，西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期就说明实验教学的效果越好。这一评估方法的依据是实验教学效果会影响学生对于所学知识的掌握，从而体现在考试成绩上。如果考试成绩好，就说明学生知识掌握程度高，从而说明教学效果好。间接评估则是组织学生进行座谈，要求学生为实验教学打分并提出意见。如果学生普遍对实验教学给出了较高的评价，那就说明实验教学的效果较好。同时，学生所提意见可以用于发现现有实验教学的缺点，为进一步改进教学提供依据。间接评估方法的原理在于学生是实验教学的对象，他们的感受可以反映出实验教学的效果是否优良。评价结果如表 1 所示，其中课程 I 为“城市轨道交通系统”课程，课程 II 为“轨道交通车辆通信网络”课程。课程成绩分布情况则如表 2 所示。表 1 课程成绩总体情况课程最高分最低分平均分标准差III9994817492.885.85.034.44从直接评估的结果来看，表 1 是两门课程期末考试成绩的总体情况，包括最高分、最低分、平均分及标准差，表 2 是这两门课程期末考试成绩的分布情况。在表 2 中，本文将成绩划分为 5 个区间，分别统计落在每个区间内的人数及其在总人数中所占的比例。“城市轨道交通系统”课程期末考试成绩的箱线图如图 2 所示，“轨道交通车辆通信网络”课程期末考试成绩的箱线图如图 3 所示。从表 1、表 2 和图 2、图 3 可以看出，总的来说，学生在这两门课程中都取得了相当好的成绩。无论平均值还是中位数，两门课程的期末考试成绩都分别超过了 90 分及 85 分。同时，两门课程的成绩标准差都不大，这说明成绩分化并不严重，大部分学生都成绩良好。不过确实也存在少量学生表现不佳的情况，如“轨道交通车辆通信网络”课程中有两名学生成绩特别低，甚至被判定为离群值。但即使这两名学生表现不佳，也取得了 75 分左右的成绩。这些数据说明，这两门课程的教学是成功的，大部分学生对于所学知识掌握良好，也证实了虽然缺乏投资和设备，但实验教学依然取得了良好效果。在间接评估方面，在这两门课程的实验教学结束之后，选取不少于 1/3 的学生（参与“城市轨道交通系统”课程教学的 11 名学生，参与“轨道交通车辆通信网络”课程教学的 13 名学生）进行座谈。整个座谈过程分为两个部分，具体如下。表 2 课程成绩的分布情况课程N90100 分8089 分7079 分6069 分60 分以下III303623（76.7%）9（25.0%）7（23.3%）25（69.4%）0（0）2（5.6%）0（0）0（0）0（0）0（0）图 2“城市轨道交通系统”课程期末考试成绩图 3“轨道交通车辆通信网络”课程期末考试成绩在第一部分，要求所有参加座谈的学生给本门课程的实验教学进行打分，分值为 15 分，5 分代表最好，1 分代表最差，结果如图 4、图 5 所示。对于“城市轨道交通系统”课程，在参加座谈的 11 名学生中，有 6人给出 5 分评价，占总人数的 55%，有 5 人给出 4 分评价，占总人数的 45%，没有人给出 13 分的评价。对于“轨道交通车辆通信网络”课程，在参加座谈的 13名学生中，有 7 人给出 5 分评价，占总人数的 54%，有5 人给出 4 分评价，占总人数的 38%，有 1 人给出了 3分评价，占总人数的 8%，没有人给出 1 分或 2 分的评95908590858075价。从图 4、图 5 中可以看出，总体来看，学生对于实验教学的效果是满意的。在这两门课程中，大部分学生都给出了 4 分或 5 分的评价，只有极少数学生给出了 3 分评价，没有学生给出 1 分或 2 分的评价。图 4“城市轨道交通系统”课程的座谈打分结果图 5“轨道交通车辆通信网络”课程的座谈打分结果在第二部分，请学生对课程的实验教学给出意见和建议。普遍的建议主要有以下两条：第一，增加学时；第二，不要全是仿真实验，希望有接触真实设备的机会。本文认为，第一条意见证实了实验教学是成功的，学生感受到实践教学具有正面作用，所以才会要求增加实验学时。第二条意见是需要在今后努力并加以改进的。真实设备购买或租用都需要大量资金，如果只是参观的话，应该比较容易实现，这个可以作为以后的一个改进方向加以考虑。概言之，无论采用直接评估还是间接评估，得出的结论都是一致的，那就是课程实验教学是成功的，有利于学生巩固所学知识，并得到了学生的认可。这也证实了在低成本水平下，可以完成效果良好的实验教学。三、总结与展望轨道交通具有很高的正外部性，在拥堵的大城市中修建，可以帮助人们节约通勤时间，改善环境，降低空气和噪声污染。我国大力发展了轨道交通，也促成了轨道交通专业的大量设置。很多轨道交通专业都面临投资不足的难题，如何在投资不足的条件下进行实验教学成为一个重要的问题。本文总结了电控学院轨道交通专业在低成本水平下进行实验教学的经验并对其效果进行了评估。该专业的实验教学以课内实验为核心，且以仿真实验的形式进行，主要任务是辅助学生学习课堂知识，有利于学生巩固所学知识。课外实验包括综合实验及大学生创新创业项目等，主要任务是在培养学生的同时为课内实验创造条件，如开发软件、收集数据及开发硬件。评估结果显示，该专业的实验教学取得了良好的效果。未来，考虑利用开发出的轨道交通沙盘模型进行一些新实验，并考虑应学生的要求，为学生创造参观真实设备的机会，同时积极和兄弟院校交流合作，取长补短，协同发展。总之，本文的研究结果证明低成本轨道交通试验教学是可行的，且取得了良好的效果，可为其他院校提供借鉴。参考文献：1 熊律,宁善平,彭育强,等.中国城市轨道交通发展概述J.广东交通职业技术学院学报,2022,21(3):17-21,40.2 李太民.城市轨道交通可持续发展的分析与研究J.北方交通,2022(11):78-80.3 陈少雄.中型城市轨道交通发展模式研究J.交通与运输,2022,38(6):29-33.4 耿懿洋.城市轨道交通建设对西安经济发展的影响J.黑龙江科学,2022,13(10):162-164.5 徐彩萍,张永升.常州市轨道交通产业发展规划研究J.内燃机与配件,2022(21):108-110.6 王彦新,田瑞,李默.轨道交通现代职业教育与区域经济的协调发展J.住宅与房地产,2020(21):285.7 欧梦吉.高校虚拟仿真实验教学项目中学生生成性学习机制与教学设计策略研究D.南京:南京邮电大学,2022.8 黄宇星.虚拟仿真实验对大学生元认知能力的影响研究D.南京:南京邮电大学,2022.9 汤倩雯,丁春红,舒瑜,等.高校虚拟仿真实验教学项目设计现状与改进策略研究J.教育与装备研究,2023,39(3):52-56.10 王玲玲,姜丽娜,富立.任务驱动的虚拟仿真实验教学研究J.实验科学与技术,2022,20(6):28-32.11 刘嘉南,毛继泽,何建,等.虚拟仿真实验教学可持续发展体系构建研究J.中国现代教育装备,2022(23):20-23.12 孙良,张欣,涂玲.虚实结合的便携式自动化仿真实验平台开发J.实验科学与技术,2022,20(6):147-151.其他作者简介：李光（1982），男，讲师。研究方向：高等教育。任玉坤（1981），男，教授。研究方向：高等教育。虢婷（1989），女，讲师。研究方向：高等教育。武奇生（1963），男，教授。研究方向：高等教育。通讯作者：李艳波（1980），男，副教授。研究方向：高等教育。（E-mail：）。西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期