新工科车辆工程专业轨道车辆制动实验弹性教学

［摘 要］ 在新工科建设背景下，为落实科研育人理念，以新工科车辆工程专业轨道交通方向四年级本科生为对象，结合现有教学资源，在原有实验课程内容的基础上，针对轨道车辆制动实验项目进行拓展研究，重点完善电制动能力测试在原实验模块中的设置，通过综合考虑认知、实操、创新等环节，从检测电制动参数的角度增设对学生观察能力、动手能力以及创新能力的训练，使学生对车辆制动过程中涉及的电制动、空气制动和电空配合制动具有更加全面、清晰的认识。

［关键词］ 轨道交通综合实验；弹性教学；电空复合制动实验；实践教学

［基金项目］ 2024年度同济大学第十九期实验教学改革项目“基于真车实线与全要素沙盘融合的特色实验课程建设”（2860104039）；2024年度上海高校市级重点课程“轨道交通综合实验”（沪教委高〔2024〕38号）；2024年度同济大学重点课程建设项目“轨道交通综合实验”（同济本内〔2024〕19号）

［作者简介］ 梁海泉（1983—），男，河北景县人，博士，同济大学交通学院高级工程师，主要从事电力牵引及其测控系统研究；谭晓东（2001—），男，江西赣州人，同济大学交通学院2023级交通运输专业硕士研究生，研究方向为列车通信网络故障诊断；左建勇（1976—），男，山西运城人，博士，同济大学交通学院副院长（通信作者），主要从事轨道车辆分布式制动控制、能量回收技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0137-04 ［收稿日期］ 2024-09-20

新工科将科学、人文、工程交叉融合，不断为社会培养具备整合能力、领导能力、实践能力的复合型、综合型人才。在本科教育阶段对新工科人才培养模式的探索与实践中，主张进行个性化培养，重视“从教到引”的转变，提倡以项目为导向，鼓励学生在完成课堂任务的基础上主动开展课外实验研究，同时关注教学内容的可持续发展性，注重对学生实现从课堂教学、课程设计到本科毕业设计再到硕士毕业设计的贯通培养。

为提高学生的工程实践能力，我院针对车辆工程专业轨道交通方向四年级本科生开设了“轨道交通综合实验”课程，同时，学校通过举办大学生创新实践训练计划等活动，在一定程度上培养了学生的创新意识和动手能力，然而大多数学生在基础理论知识、专业技能的运用上仍存在短板。对此，在新工科建设背景下，本文以原有实验为基础，针对我院“轨道交通综合实验”课程的制动实验模块进行拓展研究，不仅增设电制动相关参数的检测环节，同时还通过提高教学目标、改变教学方式、完善教学内容等途径对课程进行弹性教学设计，以此提高实验教学质量，贯彻实践训练、科研育人的教学理念。

一、城轨车辆制动方式与工作原理

（一）车辆电空复合制动系统工作原理

目前，我国城轨交通制动系统普遍采用电制动与空气制动相结合的复合制动模式，并遵循以电制动为主、空气制动为辅的基本原则。以我校轨道交通试验线A型城轨车辆为例，其制动系统主要分为电制动与空气制动两部分。

1.电制动。进行电制动时，牵引电机处于发电状态，列车动能转化为电能，反馈于接触网，使其网压升高，当电压无法继续上升时，多余的电能或被制动电阻消耗，或被储能装置吸收［1］。

2.空气制动。进行空气制动时，微机控制单元接收到制动指令信号后将其发送给制动控制单元和风源系统，在各种电磁阀的作用下，制动控制单元将接收到的电信号按比例转换成相应的空气压力，其通过气路进入制动缸，进而推动活塞、带动基础制动单元作用。

（二）城轨车辆常用制动工况

1.常用制动。常用制动是指列车在正常运行过程中，根据司机控制器、列车运行控制系统等给出的制动指令来调节列车运行速度或使列车在预定地点停车的制动功能［2］。

2.快速制动。快速制动与常用制动采用相同控制方式，能够使列车迅速减速，常用于紧急情况的减速或停车制动，中途可施加制动缓解。

3.紧急制动。紧急制动时系统将施加最大制动力，以在尽可能短的时间和距离内使列车停下。

（三）表征制动性能的主要参数

1.速度类。主要包括制动过程中车辆的瞬时速度和制动减速度。

2.电气类。主要包括电制动过程中车辆的接触网电压、电流和制动电阻电流。

3.压力类。主要包括空气制动过程中车辆的制动缸压力和空气弹簧压力。

二、电空复合制动实验弹性教学设计

传统实验教学模式的教学目标不够具体、课程内容相对固定、授课形式相对单一，随着创新型人才培养要求的提高，越来越难以取得良好的教学效果。对此，在新工科建设背景下，应采用弹性教学模式，结合学生的个人兴趣以及不同的发展和研究方向，有针对性地设置开放性的、模块化的、层次化的教学内容。作为“轨道交通综合实验”课程的重要组成部分，现有轨道车辆制动实验从空气制动角度对车辆制动性能展开了实验研究，本章在现有制动实验的基础上增设电制动测试实验，综合课前认知、课内实操、课外实践等环节对实验进行弹性教学设计，实现了电学、力学、物理学等多学科的交叉融合。

（一）实验教学培养目标

根据新工科发展现状以及轨道交通行业对专业人才的实际需求，本实验教学的培养目标如表1所示［3-4］。

（二）实验教学条件

1.轨道交通试验线。我校轨道交通综合试验中心建有一条800米试验线路，1列一动一拖城轨A型车，具有750 V/1 500 V两种牵引网网压模式，可实现“三站两区间”运行模拟。轨道交通综合实验中心见图1。

2.硬件设备。本实验所采用的硬件设备包括传感器、数据采集卡以及线路测试仪器。电压、电流传感器可分别采集列车上的高电压、高电流信号；数据采集卡能在高采样率下保持对模拟信号的高精度转换；线路测试仪器能够实现对制动缸压力的直接测量。

3.软件设备。本实验利用LabVIEW软件开发了轨道车辆制动系统在线测试平台，见图2。该平台具有数据显示、记录、计算以及保存等功能，便于后续对轨道车辆制动实验数据进行分析和处理。

（三）实验教学内容设计

为引导学生顺利完成课程的学习，可将实验分为知识复现、实验操作、创新延拓三个模块。

1.知识复现。知识复现模块主要引导学生进行全面系统的理论知识学习。知识复现模块分为课堂学习与现场学习两部分。在课堂学习环节，由教师带领学生学习车辆制动系统理论知识；在现场学习环节，学生前往轨道交通试验线进行现场观察［5-6］。

2.实验操作。实验操作模块主要指导学生完成课内要求的基本实验，使学生掌握基本的实验技能，旨在让学生掌握空气制动和电制动参数的测量方法，全面了解车辆电空复合制动全过程。实验操作模块中的实验均由学生分组完成。

3.创新延拓。创新延拓模块是科研育人理念的重要体现，是弹性教学的核心。该模块鼓励学生在完成基本实验的前提下，结合自身兴趣及学习成果积极开展个性化课题研究，旨在锻炼学生的知识运用能力和工程实践能力，提高学生的科研水平，培养学生的创新意识。

（四）考核评价内容

根据模块化教学内容，将从理论知识、基本实验、开放课题三个方面对学生进行考核。

1.理论知识考核。主要评价学生对实验相关表述是否正确、小组讨论是否活跃等。

2.基本实验考核。主要针对实验及报告的完成情况对学生进行考核。评价内容包括：实验操作是否符合要求，方法是否合理，结论是否可靠，分析是否全面，报告是否规范等。

3.开放课题考核。评价对象为完成基本实验的学生，主要从研究目标设定、实验内容设计、实验数据处理、实验结论分析以及实验成果展示等方面进行考核。

三、弹性实验教学应用案例

现选择我院2019级车辆工程专业轨道交通方向的大四本科生40名，以3～4人为一个小组，采取弹性教学法对其开展轨道车辆制动实验教学。

（一）教学过程

轨道车辆制动实验以4课时为基准，教学安排如下。

1.知识复现（1课时）。（1）由教师带领学生学习、梳理相关理论知识，以问题为导向引导学生思考并开展组内讨论，最后进行成果展示；（2）学生前往试验线进行现场学习制动系统的实际安装位置和工作情况。

2.实验操作（2课时）。小组根据实验指导书分别完成轨道车辆制动系统静调实验和动调实验。（1）制动系统静调实验。要求学生在教师的指导下记录空载车辆不同制动工况下各车的制动缸压力及制动时间变化。（2）制动系统动调实验。要求学生在教师的指导下完成以下实验内容：测量不同初速度下实施紧急制动空载车辆的速度和制动缸压力；测量不同初速度下实施常用制动和快速制动空载车辆的速度、制动缸压力、制动电阻电流、接触网电压和电流。

3.创新延拓（1课时+课外时间）。（1）开放性课题的设置。在轨道车辆制动实验的基础上，可选的开放性课题有电磁阀结构对缸压变化的影响分析、车辆能耗实测及分析、接触网网压波动分析等［7］。（2）开放实验室的使用。轨道交通综合试验中心采用开放实验室教学模式，学生可根据研究需求提前向实验室教师提交实验室使用申请，申请时需提供实验的题目、大纲、内容、人数、设备、时间等主要信息［8］。

（二）应用成果

在本次应用案例中，相较于传统实验教学，弹性实验教学在教学方式和内容上都有明显的优势。首先，在教学方式上，弹性教学法更加重视调动学生学习的积极性和主动性。课程不再单一地以教师教授的形式进行，而是让教师引导学生主动思考、学习和讨论，学生成了教学的主体，其学习状态从被动接受知识向主动汲取知识转变。其次，弹性教学法具有更加多元化的教学内容。除图文资料外，本实验还设置了实车观察、创新课题研究的教学环节，通过将理论与实际结合，激发了学生的学习兴趣，加深了学生对轨道车辆制动系统知识的理解，同时增设创新延拓模块鼓励支持学生开展个性化课题研究，增强了学生的创新精神，进一步提高了学生的实操能力和科研水平。

结语

我院开设的“轨道交通综合实验”课程在加强学生的理论知识学习和专业技能培养等方面起到了十分重要的作用，然而，在相应的教学反馈中也出现了学生创新意识薄弱、实践能力不足等问题。受新工科建设浪潮的驱使，面向车辆工程专业轨道交通方向的四年级学生，在原有轨道车辆制动实验的基础上对其电制动测试环节进行完善，同时以培养学生的创新能力和工程实践能力为主要教学目标，采用层层递进的形式，对制动实验进行模块化弹性教学设计，不仅加深了学生对轨道车辆制动系统的理解，使学生的实践能力得到了提高，同时还加强了学生科技创新精神的培养，成功贯彻落实了新工科背景下实践训练、科研育人的教学理念。目前，轨道车辆制动实验弹性教学方案已在本院进行了小范围的试点，取得了不错的效果，可以考虑在日后进行更大范围的推广应用。

参考文献

［1］王新梅.城市轨道交通车辆制动系统的现状分析［J］.卷宗，2019（23）：353.

［2］李和平，李芾.高速列车制动系统［M］.成都：西南交通大学出版社，2019：8-10.

［3］魏亚，高蓓蕾.新工科人才培养的应然与实然：课程视角的问卷调查与文本分析［J］.南京理工大学学报（社会科学版），2022，35（5）：85-92.

［4］洪磊，王俭朴，刘钊，等.面向新工科的交通运输专业人才培养方案的制订实践探索［J］.中国现代教育装备，2022（1）：88-90.

［5］卢曦，林道荣，王兴洲.实验环节互动教学模式与技术工程素养研究与实践［J］.无线互联科技，2019，16（22）：101-102.

［6］常宁，黄尊地.创新思维训练在轨道交通制动课程中的实践探索［J］.中国现代教育装备，2019（11）：60-61+65.