交通运输专业实践和实验教学的改革

洪 玲， 谢 超， 江志彬

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)



交通运输专业实践和实验教学的改革

洪 玲， 谢 超， 江志彬

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

通过分析交通运输专业的特点以及相关高校的培养特色，依据同济大学交通运输专业的实验教学原则和定位，结合培养目标，构建以增强实验教学为目的的交通运输专业实践和实验教学体系，并分别设计了适合交通运输专业的专业基础实验、专业技能实验、综合设计实验、创新研究实验，使学生在校期间得到充分的实践训练，提高综合能力和创新能力。

交通运输专业； 实验教学； 实验项目； 教学改革

0 引 言

交通运输业属于国民经济的基础产业。随着我国经济快速发展，交通运输需求不断高涨，交通运输基础建设和技术升级任务日趋重要。交通运输业的发展对专业人才素质要求越来越高，而目前中国铁路系统存在较严重的专业人才资源结构不合理，人才队伍整体素质不适应铁路快速发展的要求。表现在：①铁路运输专业技术人员总量不足，只占职工总数的11.9%；②作为铁路运输核心专业的运输专业技术人员只占全部专业技术人员的20.8%；③运输高级专业技术人员只占专业技术人员总数的5.34%[1]。

长期以来，尽管交通运输专业传统实验教学内容也在不断更新，但仍存在着不少问题，制约着教学效果和学生实践能力的提高。在我国“大交通”背景下，随着铁路运输新技术的广泛应用和信息化水平的提高，满足行业人才市场的需求，完善并强化实践和实验教学体系显得越来越重要。

1 交通运输专业概况

1.1 交通运输专业的特点

交通运输学科是一门工程性质的学科，作为工科学生，需要努力培养动手与动脑密切结合的好习惯。另一方面，针对交通运输专业学生就业难的问题，重要原因之一是学生缺乏动手实践能力，不能胜任企业的各项任务[2]。事实说明交通运输专业是实践性要求很强的专业，更强调对学生的专业技能、动手能力、适应能力、创新能力的训练和培养，需要更多的实践活动来加深对理论的理解和消化。

交通运输专业通过课堂教学与实践的有机结合，可以有效地弥补本专业长期以来偏重于课堂教学的单一形式、理论与实际偏离、创新能力低下等不足，有利于强化动手能力的复合型人才的培养。并且课堂教学与实践的有机结合的培养模式更能开启学生的创新性思维，为其将来在企业专业领域的发展奠定良好的基础。1.2 国内高校相关专业情况分析

同济大学是国家第一批“卓越工程师培养计划”试点高等院校。该计划将高校人才培养质量的重心放到提高学生的实践能力上，旨在通过工程教育界和企业界的联手，使高等工程教育更加反映工程技术的实际需求，改善高等工程教育的产业适应性，最终促进高等工程教育为企业界提供合格的工程师[3-6]。在此背景下，借鉴同类院校的培养特色，进一步探索具有同济大学自身特色的交通运输专业实践和实验教学十分必要。

国内高等院校的交通运输专业基本上呈现行业划分特点。北京交通大学、西南交通大学、中南大学、兰州交通大学4所高校交通运输专业均致力于培养交通运输领域从事规划设计、运营组织与管理的高级专门人才或高级工程技术人才，与交通运输专业的“复合型”人才培养要求相一致[7-8]。这些院校在实验教学方面也形成各自的特色，详见表1。

表1 国内以轨道交通为背景的交通运输专业对比

1.3 交通运输专业的培养目标

同济大学的交通运输专业带有明显的轨道交通(包含铁路和城市轨道交通)的特色专业，结合同济大学发展规划，交通运输专业培养目标为：培养具备健全人格、知识宽广，满足轨道交通领域运输规划与管理需要，基础宽厚、创新意识强、综合素质优秀，掌握交通运输的基础理论与轨道交通运输需求分析、列车运行组织与调度指挥等方面的专门知识与关键技术，具有轨道交通运输规划与管理发展潜质和国际竞争力的卓越工程人才[9-10]。

2 交通运输专业实践和实验教学体系设计

2.1 实验教学培养体系的原则和定位

2.1.1 实验教学原则

首先要符合国家卓越工程师培养目标和要求，并有利于学生建立宽厚、扎实的知识基础以及培养学生较强的工程意识、工程素质和工程实践能力；其次要充分利用同济大学学科优势，以增强工程实践训练为目的，依托校内(实验室)和校外(企业)的各类资源，安排多类实验课、实习环节，配合课内教学，使学生在校期间能够得到充分的工程训练。

同济大学交通运输专业的实验教学原则概括为：以培养创新能力强的高水平复合型人才为目标，实践环节与理论教学并重，课内与课外相结合，校内与校外相结合，更新实验教学内容，优化实验教学模块结构，建立分层次、成系统、内涵丰富、与理论教学结合良好的实验教学体系，突出“基础厚、素质高、动手快、创新强”的人才培养特色。

2.1.2 实验教学培养体系的定位

在国家卓越工程师培养目标和要求的基础上，结合同济大学的特色，根据实验教学的原则，同济大学交通运输专业实验教学定位为：以交通运输发展对人才的需求为导向，以培养学生工程实践能力和创新能力为目标，实验教学与理论教学并重，通过实验教学与理论教学、科学研究和工程实践的有机结合，建立突出能力贯通式实践和实验教学体系，搭建支撑交通运输人才培养的实验教学平台，培养具有综合交通运输背景、轨道交通特色的创新型工程应用与研究型交通运输专业人才[10-12]。

2.2 实践和实验教学体系

依据同济大学交通运输专业的实验教学原则和定位，结合培养目标，构建以增强实验教学为目的的课堂教学与实验教学相结合的课程体系。在依托校内(实验室)和校外(企业)的各类资源的基础上，安排多类实验课、实习环节，配合课内教学，使学生在校期间能够得到充分的实践训练，具体体系结构见图1。

图1 实践和实验体系结构

实践和实验教学包括现场实践(实习)和实验课。

2.2.1 现场实践

现场实践是指组织学生直接到交通运输的生产现场进行观摩学习，在实际生产现场讲解交通运输设备和作业过程等专业知识。结合交通运输专业的培养目标，配合教学计划的有效实施，在总结历次专业实习的基础上，经过多方协商努力，确定了上海铁路局、上海地铁运营公司等多家单位作为专业实践基地，其中上海铁路局已成为同济大学的国家级工程实践教育中心之一，这些基地都具有很强的代表性。如：上海铁路局南翔双向三级五场编组站，配备有当今铁路先进的车站管理信息系统、作业自动控制系统和计算机联锁信号系统，可让学生体验完整的货物列车到、解、编、发的作业组织与管理过程；上海铁路局调度所拥有我国铁路最先进的分散自律式调度集中指挥系统CTC(Centralized Traffic Control)，可让学生充分了解当前铁路运输管理与调度指挥的最新技术与运控模式。

由于有了稳定的实践基地和畅通的实践渠道，使得每年为期6周的现场实践都可以按计划安排在实践基地进行，实践内容和实践时间能得到保证和加强。建立校外专业实践基地这一实验教学的新途径，为更好的进行专业教学提供了紧跟技术发展的现场教学环境，为实践训练创造良好的条件，对培养学生的动手能力和理论联系实际的能力起到了非常重要的作用。同时加强了校企联系，有利于紧跟人才市场的需要调整专业培养目标和人才培养方向，并借助实践基地单位在行业内的地位和影响，扩大专业影响力。

2.2.2 实验课程体系

(1) 课内实验。课内实验又分为两类[13]。①独立实验课。在特定的实验室进行各类知识与原理的综合设计、仿真评价创新思维试验，对某些理论设想及其结果进行分析或评述，由实验老师即任课老师主讲。②非独立实验课.其附属于某一专业课程，结合课程教学目标，设计若干小型设计项目，学生通过对课堂难以阐述内容的演绎或验证性实验，加深课堂教学内容的理解，由课程老师主讲，实验老师辅导。

(2) 开放实验。课内实验以外，还有一类不设课的开放性实验，目的在于为那些学有余力、对科学研究和工程实践有兴趣的学生提供一个自由开放的实验环境，激发学生探索未知领域的兴趣。学生根据自己的兴趣和爱好针对专业领域的科学技术问题开展个性化创新性探索，在教师的指导下，学生自选、自设实验项目，自定实验方案，自行进行实验，自己总结分析，提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生探索和创新精神。

(3) 四个层次的实验。实验课按照由简单操作到综合训练、由理解专业理论到综合运用专业理论、由重复验证到创新能力培养等实验教学特有的规律，以专业知识体系为主线，设计不同层次的实验，满足各类本、硕、博学生的专业需求。根据实验的性质和目标，以基础型、专业型、综合型和创新型实验为框架，可从四个层次来划分设计相应的实验：专业基础实验、专业技能实验、综合设计实验、创新研究实验[14-15]，结构体系如表2所示。

3 交通运输专业实验项目设计

根据专业性质和交通运输(轨道交通)行业发展需求，结合专业培养目标和实验课程体系要求，各层次的实验项目设计如下。

3.1 专业基础实验

《轨道交通设备认知实验》实验项目(见图2)：通过图片、视频、实物、模型、沙盘、仿真驾驶器等载体，让学生自主对轨道交通的线路、轨道、道岔、信号、转向架、机车、车辆、车站等相关设备的外观、运作原理、设计方法等进行概要了解和学习，激发学生对轨道交通运输的兴趣；通过现场参观上海铁路博物馆、上海铁路局调度中心、上海虹桥枢纽、上海轨道交通综合协调中心等地，使学生对真实现场的线路、车站、信号、站场等设备有直观的认识。

表2 实验课层次分类表

图2 轨道交通设备认知实验

3.2 专业技能实验

(1) “车站列车接发与调度指挥模拟实验”实验项目(见图3)。在实验室内构建仿真铁路现场行车生产环境，为车站值班员、信号员以及列车调度员提供了培训用的仿真平台，使学生通过实验，能进一步巩固所学理论知识，熟悉“车站与枢纽运输组织”中关于接发列车的有关规定，了解中间站信号、联锁、闭塞设备的使用方法，掌握接发列车的实际操作技能，初步达到车站值班员应具有的工作能力。

图3 车站列车接发与调度指挥模拟实验

(2) “中间站平面设计”实验项目。利用CAD 软件，进行铁路车站的线路平面设计训练，包括股道、道岔、咽喉区、信号机、站台、跨越设备等设备布局、设计以及规范化比例尺设计图的绘制。使学生通过实验学会综合运用中间站的设计理论和方法；熟悉设计中的基本运算和有关规定；初步训练站场设计比例尺图的绘制，掌握基本的绘图技巧；建立设计中的竖向概念。

3.3 综合设计实验

(1) “轨道交通列车运行可靠性分析实验”实验项目(见图4)。通过RailSys仿真平台，要求学生以轨道交通实际线路为背景，完成轨道交通线路设计、牵引计算、列车运行图编制、列车运行延误分析、列车运输组织方案可靠性评价等内容。使学生通过实验，锻炼学生综合运用知识的能力，掌握“线站工程”、“列车运行组织”和“站场与枢纽规划设计”等多门专业课中关于场站设计、信号设计、牵引计算、运行图编制列车、运营可靠性分析等相关内容。

(2) “轨道交通列车运行模拟驾驶仿真”实验项目。通过软硬件相结合的交互仿真驾驶系统，学生可进行列车模拟操纵，了解车辆动力学计算，掌握列车运行中的实际操纵技能以及遇到机车电气故障、气路故障等问题时的解决和排除故障的能力。

图4 RailSys轨道交通列车运行可靠性分析实验

(3) “高速铁路行车调度指挥与列车运行控制模拟实验”实验(见图5)。以沪杭客运专线仿真沙盘为背景，通过编制完成的列车运行计划、动车组使用计划和车站股道使用计划，将计划通过实验系统下达至沙盘，完成滚动优化编制、及时调整运行、实时监督监控的调度指挥过程。通过本实验，学生可进行列车运行计划、站线使用计划和区间线路使用计划的一体化编制与调整，直观了解行车调度指挥与列车运行之间的关联，培养学生行车调度指挥等能力。

图5 高铁行车调度指挥与列车运行控制模拟实验

(4) “铁路模型分散自律调度集中(CTC)仿真实验”实验项目。以既有铁路(客货混跑)为基础、利用铁路CTC仿真实验平台，结合不同实验岗位，通过多人多机多岗协同实验，使学生掌握列车运行过程控制与调整，运营计划的制定、控制和调整，锻炼学生不同控制模式条件下(中央控制模式、车站自律控制模式、车站人工控制模式)列车调度指挥能力。

(5) “轨道交通列车运行图计算机编制实验”实验项目。通过定义线路与网络的拓扑结构、管理运行图编制参数、实现列车运行图和车站股道使用图的计算机编制与调整、计算指标及输出相关结果，本实验有助于加深学生对列车运行图编制相关知识的理解，使学生了解计算机编制列车运行图的相关原理与方法，培养学生对运用计算机编制列车运行图的工程实践能力。

3.4 创新研究实验

(1) 利用RailSys软件进行轨道交通新线的路线设计、车型的选择、运营图的铺画和试运营仿真等实践研究。

(2) 利用城市轨道交通车站客流分布仿真系统StaPass进行车站结构的设计、修正，以及对车站结构三维立体仿真模型的开发。

图6 城市轨道交通车站客流分布仿真实验

(3) 利用新建轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统进行各项电气试验及制动机试验、应急故障设置与模拟处理、非正常情况下行车事故的虚拟仿

真演练。

(4) 利用新建的轨道交通列车运行仿真沙盘进行轨道交通运输调度计划制定和运营辅助决策的优化。

4 结 语

随着我国轨道交通的快速发展，培养适应轨道交通高、精、尖集成技术发展需要、具有终身学习能力和国际视野的高级工程专门人才和拔尖创新的运营管理人才十分迫切。本文结合同济大学交通专业的培养目标，在实践和实验教学的四层次架构基础上，针对铁路行业的发展要求，配合理论课程设计了适合交通运输专业各层次学生的实践以及实验项目。基于依托校内(实验室)和校外(企业)的各类资源，以实验教学和理论教学并重为策略，使学生在校期间能够得到充分的实践训练，在综合能力和创新实践能力等方面得到提高。但是，随着轨道交通行业科技进步和人才需求的变化，交通运输专业多层次实践和实验教学体系内容还需要在未来发展过程中不断完善和更新。

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Reform on Practice and Experimental Teaching of Transportation Major

HONGLing,XIEChao,JIANGZhi-bin

(Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University,Shanghai 201804, China)

Through analyzing the characteristics of transportation major and professional training program of relational universities, practice and experimental projects for all levels’ students majoring in transportation to meet the demand of training objectives are built based on the experimental teaching principles and orientation of transportation major in Tongji University. And the professional basic experiments, skill experiments, comprehensive design experiments and innovation research experiments are designed to practice and enhance the students’ comprehensive and innovative capacity.

traffic and transportation; experimental teaching; experimental project; teaching reform

2014-11-20

同济大学教改项目(2013012)；同济大学精品实验项目(0004020206010)

洪 玲(1972-)，女，浙江武义人，博士，高级工程师，主要从事交通运输仿真与实验教学工作。

Tel.:021-69585645;E-mail:ss980308@tongji.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2015)11-0201-05