科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程教學(xué)案例建設(shè)

張 春 劉 峰 張 寧 李紅輝 張駿溫

摘要：針對(duì)鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程中學(xué)生對(duì)鐵路信息技術(shù)缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)、實(shí)踐動(dòng)手能力不足的問(wèn)題，提出依托鐵路信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建鐵路運(yùn)輸安全監(jiān)控典型應(yīng)用半實(shí)物教學(xué)環(huán)境，將科研項(xiàng)目作為驅(qū)動(dòng)載體進(jìn)行課程教學(xué)案例建設(shè)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用；教學(xué)案例建設(shè)

1 背景

縱觀我國(guó)高等教育發(fā)展趨勢(shì)，如何將課程基本內(nèi)容與技術(shù)最新發(fā)展相結(jié)合是每所高校亟須解決的一個(gè)問(wèn)題。課程教學(xué)是大學(xué)生培養(yǎng)的最主要途徑。目前的課堂教學(xué)模式是基于大眾教育，以講授為主，在一定程度上忽略了學(xué)生的獨(dú)立思考能力，不利于大學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。只有將科研訓(xùn)練融人課程教學(xué)過(guò)程中，做到寓教于創(chuàng)新，將教師的科研工作與教學(xué)工作充分融合，才能使大學(xué)生在課堂和課程學(xué)習(xí)過(guò)程中得到科研創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

目前，很多大學(xué)在信息技術(shù)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中注重教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，將過(guò)去傳統(tǒng)的以教學(xué)為主的教學(xué)體系轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)與實(shí)踐并重的教學(xué)方式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，倡導(dǎo)“精講多練”的教學(xué)模式。

鐵路信息系統(tǒng)與集成這門課程旨在以技術(shù)與工程的手段，研究鐵路信息系統(tǒng)集成建設(shè)中的有關(guān)問(wèn)題，是信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和交通運(yùn)輸技術(shù)的交叉學(xué)科。目前我們依托鐵路信息技術(shù)專業(yè)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”良好的基礎(chǔ)，圍繞高速鐵路發(fā)展的重大需求，緊密追蹤軌道交通前沿理論，加快鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程的建設(shè)。當(dāng)前高校的軟硬件環(huán)境僅靠一些試驗(yàn)箱、接口或單個(gè)技術(shù)模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到課程建設(shè)的要求，往往課程結(jié)束后，學(xué)生未必能真正掌握信息系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，很難從需求分析、設(shè)計(jì)、研發(fā)、調(diào)試等環(huán)節(jié)，對(duì)發(fā)展迅速的鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行整體把握。課程考核盡管包括理淪與實(shí)踐，但實(shí)踐環(huán)節(jié)考核難以準(zhǔn)確評(píng)估，因?yàn)殍F路信息技術(shù)行業(yè)的模擬實(shí)驗(yàn)需要專業(yè)軟硬件來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)。因此，建設(shè)和完善鐵路信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境是目前實(shí)現(xiàn)教學(xué)案例建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

2 課程建設(shè)目標(biāo)

課程建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)課程基本內(nèi)容與技術(shù)最新發(fā)展相結(jié)合。具體講，以北京交通大學(xué)校訓(xùn)“知行”為目標(biāo)，倡導(dǎo)知行合一，知行并進(jìn)，以科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為載體，將科研理念和科研方法融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。這樣學(xué)生既能學(xué)習(xí)到鐵路信息技術(shù)領(lǐng)域中信息的采集、傳輸和處理以及數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)集成等方面的知識(shí)，又能利用各類平臺(tái)資源實(shí)踐所學(xué)的知識(shí)和技能，從而激發(fā)自身的科研興趣，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識(shí)，鍛煉發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合實(shí)踐能力，并能夠深刻地了解社會(huì)需求，將專業(yè)理論應(yīng)用于實(shí)踐。課程建設(shè)具體有以下4項(xiàng)措施：

（1）依托鐵路信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建鐵路運(yùn)輸安全監(jiān)控典型應(yīng)用半實(shí)物教學(xué)仿真環(huán)境。利用863項(xiàng)目等一些在鐵路信息技術(shù)領(lǐng)域有影響的典型信息系統(tǒng)，搭建以“科研項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)”的綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，將課堂教學(xué)移到實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)實(shí)踐使學(xué)生理解鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。

（2）將基礎(chǔ)理論知識(shí)和方法與鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合，讓學(xué)生深入理解并掌握課程內(nèi)容，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目（課題）學(xué)理論、做實(shí)驗(yàn)，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將智能信息處理等計(jì)算機(jī)最新技術(shù)融入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加深學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解和掌握。

（3）實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和選取注意從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從單一性到綜合性項(xiàng)目逐步遞進(jìn)，支撐大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、科技興趣小組等各種創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生開闊視野。

（4）通過(guò)課堂授課和實(shí)驗(yàn)操作，逐漸遞增訓(xùn)練內(nèi)容，要求學(xué)生完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從需求分析、文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、總結(jié)等方面組織學(xué)生獨(dú)立開展工作，在工作中培養(yǎng)分析解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作和組織實(shí)施能力。

3 課程建設(shè)內(nèi)容

為了使學(xué)生能夠深刻認(rèn)識(shí)社會(huì)需求、提高自身創(chuàng)新能力，課程建設(shè)采用科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式，依托動(dòng)車組安全監(jiān)控半實(shí)物仿真系統(tǒng)，開展動(dòng)車組知識(shí)管理演示、動(dòng)車組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仿真、危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)等試驗(yàn)，并支撐學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、科技興趣小組等各種創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。這種以科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的形式，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科研素質(zhì)和動(dòng)手能力，還提前讓他們體驗(yàn)了真實(shí)的科研環(huán)境，有利于選拔出一批有潛力的科研工作者。

3.1 動(dòng)車組安全監(jiān)控半實(shí)物仿真平臺(tái)概述

鐵路信息技術(shù)的發(fā)展始終圍繞著鐵路運(yùn)輸主業(yè)務(wù)（客運(yùn)、貨運(yùn)等）的安全、高效的需求進(jìn)行。我們根據(jù)鐵路信息技術(shù)的發(fā)展需要和人才需求，對(duì)課題組承擔(dān)的科研項(xiàng)目進(jìn)行歸納和總結(jié)，將先進(jìn)技術(shù)含量高且適合本科生學(xué)習(xí)的內(nèi)容整理后，融合到平臺(tái)中，使學(xué)生得到更貼近實(shí)際的問(wèn)題解決能力訓(xùn)練。平臺(tái)建設(shè)重點(diǎn)包括以下兩個(gè)方面：

（1）以鐵路動(dòng)車組為對(duì)象，構(gòu)建在線運(yùn)行檢測(cè)、故障監(jiān)測(cè)等仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)和故障等的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)，使維修部門能夠及時(shí)掌握在途動(dòng)車組部件的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，從而預(yù)測(cè)動(dòng)車組部件的使用壽命。系統(tǒng)支持預(yù)先制定或調(diào)整檢修計(jì)劃，以便及時(shí)排除故障，消除事故隱患。同時(shí)，也可為制造廠提供對(duì)故障信息的分析結(jié)果，以便于設(shè)計(jì)與制造部門修改設(shè)計(jì)，改進(jìn)制造手段和工藝，提高新設(shè)備的質(zhì)量。

（2）以鐵路危險(xiǎn)品和防災(zāi)監(jiān)控為對(duì)象，構(gòu)建在途安全監(jiān)測(cè)和防災(zāi)監(jiān)測(cè)和聯(lián)動(dòng)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路貨物運(yùn)輸?shù)脑谕景踩珷顟B(tài)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸，包括對(duì)在途貨物的安全狀態(tài)、車輛的安全狀態(tài)及環(huán)境的安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，按預(yù)先規(guī)定的流程，通過(guò)聲光系統(tǒng)或視頻自動(dòng)切換，提醒和協(xié)助值班人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)情況，排除險(xiǎn)情。

平臺(tái)提供了一個(gè)半實(shí)物仿真和驗(yàn)證環(huán)境，可以支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和調(diào)試，并在其中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，相互協(xié)作解決問(wèn)題，從而提供學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

3.2 平臺(tái)支撐的試驗(yàn)

動(dòng)車組安全監(jiān)控半實(shí)物仿真平臺(tái)支撐多個(gè)試驗(yàn)，包括動(dòng)車組知識(shí)管理演示系統(tǒng)、動(dòng)車組在線監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)、危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)、鐵路防災(zāi)監(jiān)控半實(shí)物仿真系統(tǒng)等。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更加直觀地了解到動(dòng)車組監(jiān)控和鐵路貨物運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)知識(shí)。

3.2.1 動(dòng)車組知識(shí)管理演示系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)是以課題“動(dòng)車組故障知識(shí)庫(kù)應(yīng)用管理系統(tǒng)”為背景，將課題的部分研究成果進(jìn)行提煉和整理，可以向?qū)W生演示面向工程應(yīng)用的知識(shí)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、主要功能和工作原理。

演示系統(tǒng)主要包含六大功能，分別為列車列表信息、故障知識(shí)更新、故障知識(shí)檢索、故障預(yù)警及預(yù)測(cè)、故障統(tǒng)計(jì)分析以及遠(yuǎn)程技術(shù)支持。各主要功能又包含許多子功能，如知識(shí)更新功能包括知識(shí)自學(xué)習(xí)、專家審核提交和知識(shí)刪除等。該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)知識(shí)管理系統(tǒng)有一個(gè)直觀的了解，對(duì)所學(xué)的相關(guān)知識(shí)有更深刻的理解。

3.2.2 動(dòng)車組在線監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)

該仿真系統(tǒng)以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)，從動(dòng)車組安全監(jiān)控的需要以及鐵路信息技術(shù)專門人才需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了動(dòng)車組運(yùn)行信息、故障信息等的實(shí)時(shí)采集，無(wú)線通信和動(dòng)車組車載信息處理、可視化展示等實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

系統(tǒng)的主要功能有：基于GIS和GPS對(duì)列乍進(jìn)行跟蹤，查看實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)的動(dòng)車組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能；針對(duì)故障履歷、行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、累計(jì)電力數(shù)據(jù)、累計(jì)空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等動(dòng)車組數(shù)據(jù)的查詢功能；可對(duì)主故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并可利用MON畫面顯示故障統(tǒng)計(jì)分析的動(dòng)車組故障處理與統(tǒng)計(jì)功能。通過(guò)該仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以了解到動(dòng)車組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理與內(nèi)容，從而具備了從需求分析到采集、通信和數(shù)據(jù)處理各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究、開發(fā)和驗(yàn)證條件。

3.2.3 危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)

該仿真系統(tǒng)的功能需求來(lái)源于一個(gè)863課題，旨在建立信息采集、無(wú)線傳輸和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、可視化展現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供在線監(jiān)測(cè)電子地圖、在線危險(xiǎn)品列表、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)與管理等功能，使學(xué)生可以根據(jù)自己的需求調(diào)研和分析，自主完成一些算法的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

3.2.4 鐵路防災(zāi)監(jiān)控半實(shí)物仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用沙盤設(shè)計(jì)并構(gòu)建了鐵路防災(zāi)監(jiān)控仿真系統(tǒng)，采用無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)落石和崩塌現(xiàn)象的躲測(cè)，將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心，同時(shí)該監(jiān)測(cè)信息可以觸發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)打開攝像頭，并指向?yàn)?zāi)害發(fā)生地點(diǎn)。監(jiān)控中心系統(tǒng)接到報(bào)警信息后向有關(guān)人員發(fā)出災(zāi)害報(bào)警信息，并將現(xiàn)場(chǎng)畫面顯示在特定的屏幕上，使監(jiān)控指揮人員能夠以最快速度了解到現(xiàn)場(chǎng)的災(zāi)害情況，從而根據(jù)災(zāi)情嚴(yán)重程度及時(shí)采取合理有效的措施，避免因?yàn)?zāi)害引發(fā)鐵路運(yùn)輸事故。

通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)生利用已學(xué)過(guò)的知識(shí)及新興技術(shù)從傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)信息傳輸、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等方面進(jìn)行研究。系統(tǒng)可以直觀地反映學(xué)生研究的成果。

3.3 創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)

在科研項(xiàng)目基礎(chǔ)之上，本課程教師指導(dǎo)學(xué)生參加了名為“高速動(dòng)車組故障知識(shí)庫(kù)遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)”的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目?；谠擁?xiàng)目建立的動(dòng)車組故障知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組故障知識(shí)共享。動(dòng)車組故障數(shù)據(jù)模型采用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)獲取潛藏于信息中的知識(shí)，為應(yīng)急指揮、安全運(yùn)營(yíng)維修維護(hù)管理提供支持。學(xué)生通過(guò)該項(xiàng)目可以了解知識(shí)的獲取手段與知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的建立方式，掌握知識(shí)發(fā)現(xiàn)、知識(shí)管理和構(gòu)件化軟件開發(fā)等技術(shù)，鍛煉自身的思維創(chuàng)新能力和科研實(shí)踐能力。在科研項(xiàng)目的整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度將得到不斷的培養(yǎng)和增強(qiáng)，吃苦耐勞的工作作風(fēng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和組織管理能力也將得到相應(yīng)的提高，整體的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力將會(huì)進(jìn)一步提高。

此外，老師在課堂上還介紹課程涉及的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，讓學(xué)生搜集這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用情況，并討論如何將和關(guān)技術(shù)應(yīng)用于高鐵動(dòng)車組運(yùn)用維修領(lǐng)域的需求中，以此幫助學(xué)生掌握專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、獲取前沿知識(shí)，同時(shí)結(jié)合高鐵動(dòng)車組設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需求，使學(xué)生能夠?qū)ο到y(tǒng)集成設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試的整個(gè)過(guò)程有較為完整且深刻的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐和工程應(yīng)用能力。

4 結(jié)語(yǔ)

高等教育的改革是為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，培養(yǎng)出具有符合社會(huì)發(fā)展需要、基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、具有創(chuàng)新思維和意識(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)、具有團(tuán)隊(duì)合作精神的高素質(zhì)人才。根據(jù)這一目標(biāo)，高等教育工作者在各個(gè)角度和層次進(jìn)行教育教學(xué)改革。本教學(xué)改革借助北京交通大學(xué)鐵路信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以科研項(xiàng)目為依托進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)，將課內(nèi)和課外學(xué)習(xí)有機(jī)聯(lián)系在一起，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合職業(yè)能力的目標(biāo)，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作熱情和興趣，使學(xué)生有目的地學(xué)習(xí)，改變學(xué)生原有的學(xué)習(xí)方法，提高自身的專業(yè)技能基礎(chǔ)和實(shí)踐動(dòng)手能力。