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摘要：城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统由后台计算机、仿真控制台、示教电路板组成，是将声、图、动态显示、实际操作结合为一体的示教系统。将它应用在城市轨道交通主回路及控制回路教学中，使教学内容生动形象，学生学习由被动变为主动，提高了教学效率和质量，极大地激发了学生学习积极性，取得了较好的教学效果。
关键词：示教；实验；城市轨道
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）05-0134-02
《城市轨道车辆电力牵引与控制综合实验》是上海工程技术大学城市轨道交通学院城市轨道交通车辆专业一门专业特色实验，作为教育部首批卓越工程师教育培养计划试点专业培养中的一门重要实践课程，目的在于培养轨道交通车辆工程专业同学的实验及工程实际能力，提高同学在电力电子与电力牵引方面的综合应用能力。城市轨道车辆主回路及控制回路示教实验则是该实验課程中的重要组成环节，通过该示教实验使同学感性地了解城市轨道车辆电力牵引主回路及控制回路的基本结构、控制逻辑，从而具备分析城市轨道车辆电力牵引主回路及控制回路的能力。但城市轨道车辆主回路及控制回路电路图较多，互相逻辑控制关系复杂，通过普通的教学方法教学效果不佳。如果使用仿真实际车辆操作平台并辅助主回路及控制回路的多媒体示教系统，能够大大促进其实验的教学效果，实现了城市轨道车辆主回路及控制回路教学实验方法的改进和发展。
一、城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统介绍
1.城市轨道车辆主回路及控制回路教学内容及特点分析。城市轨道车辆主回路及控制回路的教学内容主要包括：城市轨道车辆主回路系统；城市轨道车辆牵引主断路器的通断控制电路；城市轨道车辆受电弓工作控制电路；城市轨道车辆牵引方向控制电路；城市轨道车辆牵引/制动电路；城市轨道车辆牵引控制单元电路；城市轨道车辆逆变器启动/故障电路；城市轨道车辆联挂牵引、慢行牵引电路这八部分主要的教学内容[1]。主要要求学生掌握城市轨道车辆主回路系统组成；掌握轨道车辆牵引主断路器的通断控制、车辆受电弓工作控制、牵引方向控制的电路原理；理解城市轨道车辆牵引控制单元、城市轨道车辆逆变器启动/故障、车辆联挂牵引、慢行牵引电路原理。对城市轨道交通车辆工程专业学生进行该部分的实验教学，目的主要是使学生掌握车辆牵引及控制系统的相关理论知识，同时具备一定实际工程维修及故障诊断的能力。而实际应用的城市轨道车辆主电路及控制电路随不同车辆公司产品及不同时期而不同，仅以上海地铁一号线在正线运行的车辆为例，涉及不同版本的车辆主电路及控制电路数量就很多，在教学中不可能一一涉及，所以必须以典型实际案例为例，提炼出基本的设计思路、基本的控制方法，使同学在实际应用时能够举一反三，对不同版本车辆主电路及控制电路进行分析、诊断。同时车辆控制电路中开关逻辑关系较多，只通过课堂授课顺序讲解，学生不易掌握，需要辅助其他多媒体辅助实践的教学方式来改进教学效果。
2.城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统组成。城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统由后台计算机、仿真控制台、示教电路板组成，是将声、图、动态显示、实际操作结合为一体的示教系统。可以仿真显示地铁车辆的升弓、降弓，高速断路器接通与断开，车辆运行时的控制，以及紧急状况下紧急电路的工作。其中，车辆主电路及控制电路示教电路板有12幅主电路及控制电路组成，是由钙塑板的面板上布置有机玻璃作为电路线条，其中主回路部分使用红色有机玻璃，控制回路部分使用黄色有机玻璃以示区分。并在玻璃线条上嵌入发光二极管，通过顺序导通发光二极管的方式为学生直观模拟主电路及控制电路中电流的流向、导通的顺序，支路电流是否导通等信息。当表示继电器线圈导通或关断时，所对应的辅助触点闭合与断开通过电路中发光二极管的闪烁辅助表示，使电路清晰易理解，示教电路板实物图如图1所示。
仿真控制台台板参照城市轨道车辆司机室主控制台实物设置各种开关，设置有钥匙开关、受电弓升降按钮、高速断路器接通、断开按钮、控制手柄、紧急停车按钮等，用来模拟实验司机在实际驾驶时进行的各项操作。当控制台板上的各开关及按钮进行操作时，操作动作对应显示在车辆主电路及控制电路示教电路板中闭合及断开相应的开关，启动不同回路，从而代表不同的司机控制操作。后台计算机则由主机箱及显示屏构成。计算机上安装有该示教系统的专用软件，该软件主要包括模拟控制台操作模块、电路图显示模块、自动辅助操作解说模块。模拟控制台模块以司机室主控制台三维图片为基础，可以通过鼠标点击相应的按钮，如钥匙开关、受电弓升降按钮、高速断路器接通、断开按钮等来实现对示教电路板的操作。电路图显示模块可以在电路图中同步显示前台示教电路板的电路情况，同时教师也可直接在电路显示模块中，利用鼠标操作开通、断开相应的开关，对应显示在示教电路板上，代表不同的司机控制操作。自动辅助操作解说模块可以进行软件自动进行模拟司机控制操作，并以音频方式解释相应的操作，可以进行学生的自主学习使用，实现软件帮助实验功能。因此，前台示教电路板既可以通过仿真控制台进行操作，亦可以通过后台计算机进行操作，当使用仿真控制台进行操作时，其各种电路状态可以在后台计算机同步显示，示教系统各部分的关系如图2所示。
二、示教系统课堂实现
1.实验准备。在本实验课程前，教师首先进行城市轨道车辆主电路及控制电路的理论课程教学，通过多媒体教学方式使同学对城市轨道车辆主电路及控制电路的组成、基本工作原理及逻辑控制思路有初步的了解。同时要求同学预习实验中的操作过程，进行主动的认识，理论联系实际，让学生先学后做，既巩固了理论知识，也对实验操作起促学作用[2-3]。同时教师进行实验课程过程设计，精心准备教师过程示教中的示教环节，将理论融于示教及实际操作车辆过程中，并在实验中设计系列开放性讨论问题，如：“当司机误操作，先按下合上高速断路器按钮，后升弓，是否会引起故障？为什么？”“如车辆不能启动正向牵引，从电路中找出哪个环节可能出了问题？”等，并在问题中预设陷阱，引导学生进行发散思维，使学生在问题中学习，并提高综合分析问题解决问题的能力。
2.示教实验。在实验课进行中，首先将学生分为小组，每组20人左右，由教师在后台计算机进行示教系统操作，示教电路板做出响应，教师同步讲解相关电路原理及操作过程，进行示教指导。学生则根据课前准备的相应知识，动态观察电路控制过程，以及相互之间的逻辑关系。教师适时提出预设的开放性讨论问题，引入学生主动讨论，以提高学生学习积极性，从分析问题、解决问题中巩固学习内容，提高能力。同时教师引导学生能够举一反三，对不同线路不同控制电路设计能够自主学习。
3.操作实验。教师示教完后，两个同学一组操作，重现教师指导示教的相关内容。在操作实验部分，由学生自主仿真操作控制台，从而观察示教电路板相应的响应，在自主实验中找问题，老师要一面指导学生的操作，一面不断地向学生提出一些相关问题，了解学生对所学知识和技能的掌握情况。特别注意对难点和重点内容的问题偏向，配合实验、循序渐进。
三、示教实验应用效果分析
通过将示教实验引入城市轨道交通车辆主电路及控制电路教学，在几届学生的教学实践中起到了积极的作用，具体的效果总结为以下几点：
1.可示化教学，提高教学效率。教师在讲授车辆主电路及控制电路部分，控制电路之间的相互联系，如一个继电器线圈操作后，其辅助触点动作涉及在不同电路中，仅通过投影仪切换到不同电路，效率较慢，而且学生容易弄混淆，而在示教系统中，示教电路板将12张主要的电路完全展示在学生面前，不同逻辑关系教师可以轻松切换，且同一继电器的动作在不同电路中同步闪烁，清晰地表现事物的内在联系和相互规律，学生能够快速观察，充分发挥了脑、眼、耳、手等器官的作用，从而完成对相应知识点的掌握，大大提高了学习效率，使学生在有限的学时内学到了更多的知识。
2.交互学习，调动学生的主动性。在使用传统的程序式教学模式进行车辆主电路及控制电路的教学中，教师设计策划教学内容，并多半时间由教师讲解，学生只能被动地参与教学过程，且理论课讲授枯燥、吸收率低、教学缺乏直观性、趣味性、学生注意力很难高度集中。而将示教实验引入，学生可以通过操纵更加形象生动的模拟控制台来进行交互式学习，主动观察相应的实验现象，把理论知识融于实验操作中，调动了学生学习的积极性和主动性，实验课堂气氛活跃。
3.有利于学生综合能力的培养。示教实验中，突破了通常验证性实验教学模式，强调巩固基本知识，注重演示和证明。本实验通过操纵环节及根据示教内容设计的开放性问题的讨论环节，有利于提高同学综合分析问题及解决问题的能力。
参考文献：
[1]上海申通地铁集团有限公司轨道交通培训中心.城市轨道交通电动列车驾驶[M].北京：中国铁道出版社，2010：138-151.
[2]计桂霞，陈华，徐丽杰.多媒体示教系统在岩石学教学中的应用[J].实验技术与管理，2003，20（3）：72-73.
[3]任为民，王芸.“电工课程示教系统”的研制与体会[J].电气电子教学学报，1998，20（4）：85-86.
作者简介：师蔚（1981-）女，硕士，讲师，主要从事城市轨道交通车辆电力牵引与控制方向教学及科研工作。
关键词：示教；实验；城市轨道
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）05-0134-02
《城市轨道车辆电力牵引与控制综合实验》是上海工程技术大学城市轨道交通学院城市轨道交通车辆专业一门专业特色实验，作为教育部首批卓越工程师教育培养计划试点专业培养中的一门重要实践课程，目的在于培养轨道交通车辆工程专业同学的实验及工程实际能力，提高同学在电力电子与电力牵引方面的综合应用能力。城市轨道车辆主回路及控制回路示教实验则是该实验課程中的重要组成环节，通过该示教实验使同学感性地了解城市轨道车辆电力牵引主回路及控制回路的基本结构、控制逻辑，从而具备分析城市轨道车辆电力牵引主回路及控制回路的能力。但城市轨道车辆主回路及控制回路电路图较多，互相逻辑控制关系复杂，通过普通的教学方法教学效果不佳。如果使用仿真实际车辆操作平台并辅助主回路及控制回路的多媒体示教系统，能够大大促进其实验的教学效果，实现了城市轨道车辆主回路及控制回路教学实验方法的改进和发展。
一、城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统介绍
1.城市轨道车辆主回路及控制回路教学内容及特点分析。城市轨道车辆主回路及控制回路的教学内容主要包括：城市轨道车辆主回路系统；城市轨道车辆牵引主断路器的通断控制电路；城市轨道车辆受电弓工作控制电路；城市轨道车辆牵引方向控制电路；城市轨道车辆牵引/制动电路；城市轨道车辆牵引控制单元电路；城市轨道车辆逆变器启动/故障电路；城市轨道车辆联挂牵引、慢行牵引电路这八部分主要的教学内容[1]。主要要求学生掌握城市轨道车辆主回路系统组成；掌握轨道车辆牵引主断路器的通断控制、车辆受电弓工作控制、牵引方向控制的电路原理；理解城市轨道车辆牵引控制单元、城市轨道车辆逆变器启动/故障、车辆联挂牵引、慢行牵引电路原理。对城市轨道交通车辆工程专业学生进行该部分的实验教学，目的主要是使学生掌握车辆牵引及控制系统的相关理论知识，同时具备一定实际工程维修及故障诊断的能力。而实际应用的城市轨道车辆主电路及控制电路随不同车辆公司产品及不同时期而不同，仅以上海地铁一号线在正线运行的车辆为例，涉及不同版本的车辆主电路及控制电路数量就很多，在教学中不可能一一涉及，所以必须以典型实际案例为例，提炼出基本的设计思路、基本的控制方法，使同学在实际应用时能够举一反三，对不同版本车辆主电路及控制电路进行分析、诊断。同时车辆控制电路中开关逻辑关系较多，只通过课堂授课顺序讲解，学生不易掌握，需要辅助其他多媒体辅助实践的教学方式来改进教学效果。
2.城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统组成。城市轨道车辆主回路及控制回路示教系统由后台计算机、仿真控制台、示教电路板组成，是将声、图、动态显示、实际操作结合为一体的示教系统。可以仿真显示地铁车辆的升弓、降弓，高速断路器接通与断开，车辆运行时的控制，以及紧急状况下紧急电路的工作。其中，车辆主电路及控制电路示教电路板有12幅主电路及控制电路组成，是由钙塑板的面板上布置有机玻璃作为电路线条，其中主回路部分使用红色有机玻璃，控制回路部分使用黄色有机玻璃以示区分。并在玻璃线条上嵌入发光二极管，通过顺序导通发光二极管的方式为学生直观模拟主电路及控制电路中电流的流向、导通的顺序，支路电流是否导通等信息。当表示继电器线圈导通或关断时，所对应的辅助触点闭合与断开通过电路中发光二极管的闪烁辅助表示，使电路清晰易理解，示教电路板实物图如图1所示。
仿真控制台台板参照城市轨道车辆司机室主控制台实物设置各种开关，设置有钥匙开关、受电弓升降按钮、高速断路器接通、断开按钮、控制手柄、紧急停车按钮等，用来模拟实验司机在实际驾驶时进行的各项操作。当控制台板上的各开关及按钮进行操作时，操作动作对应显示在车辆主电路及控制电路示教电路板中闭合及断开相应的开关，启动不同回路，从而代表不同的司机控制操作。后台计算机则由主机箱及显示屏构成。计算机上安装有该示教系统的专用软件，该软件主要包括模拟控制台操作模块、电路图显示模块、自动辅助操作解说模块。模拟控制台模块以司机室主控制台三维图片为基础，可以通过鼠标点击相应的按钮，如钥匙开关、受电弓升降按钮、高速断路器接通、断开按钮等来实现对示教电路板的操作。电路图显示模块可以在电路图中同步显示前台示教电路板的电路情况，同时教师也可直接在电路显示模块中，利用鼠标操作开通、断开相应的开关，对应显示在示教电路板上，代表不同的司机控制操作。自动辅助操作解说模块可以进行软件自动进行模拟司机控制操作，并以音频方式解释相应的操作，可以进行学生的自主学习使用，实现软件帮助实验功能。因此，前台示教电路板既可以通过仿真控制台进行操作，亦可以通过后台计算机进行操作，当使用仿真控制台进行操作时，其各种电路状态可以在后台计算机同步显示，示教系统各部分的关系如图2所示。
二、示教系统课堂实现
1.实验准备。在本实验课程前，教师首先进行城市轨道车辆主电路及控制电路的理论课程教学，通过多媒体教学方式使同学对城市轨道车辆主电路及控制电路的组成、基本工作原理及逻辑控制思路有初步的了解。同时要求同学预习实验中的操作过程，进行主动的认识，理论联系实际，让学生先学后做，既巩固了理论知识，也对实验操作起促学作用[2-3]。同时教师进行实验课程过程设计，精心准备教师过程示教中的示教环节，将理论融于示教及实际操作车辆过程中，并在实验中设计系列开放性讨论问题，如：“当司机误操作，先按下合上高速断路器按钮，后升弓，是否会引起故障？为什么？”“如车辆不能启动正向牵引，从电路中找出哪个环节可能出了问题？”等，并在问题中预设陷阱，引导学生进行发散思维，使学生在问题中学习，并提高综合分析问题解决问题的能力。
2.示教实验。在实验课进行中，首先将学生分为小组，每组20人左右，由教师在后台计算机进行示教系统操作，示教电路板做出响应，教师同步讲解相关电路原理及操作过程，进行示教指导。学生则根据课前准备的相应知识，动态观察电路控制过程，以及相互之间的逻辑关系。教师适时提出预设的开放性讨论问题，引入学生主动讨论，以提高学生学习积极性，从分析问题、解决问题中巩固学习内容，提高能力。同时教师引导学生能够举一反三，对不同线路不同控制电路设计能够自主学习。
3.操作实验。教师示教完后，两个同学一组操作，重现教师指导示教的相关内容。在操作实验部分，由学生自主仿真操作控制台，从而观察示教电路板相应的响应，在自主实验中找问题，老师要一面指导学生的操作，一面不断地向学生提出一些相关问题，了解学生对所学知识和技能的掌握情况。特别注意对难点和重点内容的问题偏向，配合实验、循序渐进。
三、示教实验应用效果分析
通过将示教实验引入城市轨道交通车辆主电路及控制电路教学，在几届学生的教学实践中起到了积极的作用，具体的效果总结为以下几点：
1.可示化教学，提高教学效率。教师在讲授车辆主电路及控制电路部分，控制电路之间的相互联系，如一个继电器线圈操作后，其辅助触点动作涉及在不同电路中，仅通过投影仪切换到不同电路，效率较慢，而且学生容易弄混淆，而在示教系统中，示教电路板将12张主要的电路完全展示在学生面前，不同逻辑关系教师可以轻松切换，且同一继电器的动作在不同电路中同步闪烁，清晰地表现事物的内在联系和相互规律，学生能够快速观察，充分发挥了脑、眼、耳、手等器官的作用，从而完成对相应知识点的掌握，大大提高了学习效率，使学生在有限的学时内学到了更多的知识。
2.交互学习，调动学生的主动性。在使用传统的程序式教学模式进行车辆主电路及控制电路的教学中，教师设计策划教学内容，并多半时间由教师讲解，学生只能被动地参与教学过程，且理论课讲授枯燥、吸收率低、教学缺乏直观性、趣味性、学生注意力很难高度集中。而将示教实验引入，学生可以通过操纵更加形象生动的模拟控制台来进行交互式学习，主动观察相应的实验现象，把理论知识融于实验操作中，调动了学生学习的积极性和主动性，实验课堂气氛活跃。
3.有利于学生综合能力的培养。示教实验中，突破了通常验证性实验教学模式，强调巩固基本知识，注重演示和证明。本实验通过操纵环节及根据示教内容设计的开放性问题的讨论环节，有利于提高同学综合分析问题及解决问题的能力。
参考文献：
[1]上海申通地铁集团有限公司轨道交通培训中心.城市轨道交通电动列车驾驶[M].北京：中国铁道出版社，2010：138-151.
[2]计桂霞，陈华，徐丽杰.多媒体示教系统在岩石学教学中的应用[J].实验技术与管理，2003，20（3）：72-73.
[3]任为民，王芸.“电工课程示教系统”的研制与体会[J].电气电子教学学报，1998，20（4）：85-86.
作者简介：师蔚（1981-）女，硕士，讲师，主要从事城市轨道交通车辆电力牵引与控制方向教学及科研工作。