面向軌道交通的MATLAB工程應(yīng)用教學(xué)改革

嚴(yán)榮慧 祁玉梅 馮李 沈長(zhǎng)青

1.蘇州城市學(xué)院 軌道交通工程系 江蘇省蘇州市 215104 2.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院 江蘇省蘇州市 215131

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通行業(yè)不斷技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。融合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新技術(shù)的“智慧城軌”已成為當(dāng)前城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展共識(shí)和趨勢(shì)[1]。新經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，傳統(tǒng)軌道交通人才培養(yǎng)方案需要改革以適應(yīng)新產(chǎn)業(yè)的需求，培養(yǎng)具備多學(xué)科交叉知識(shí)的新軌道交通人才成為發(fā)展趨勢(shì)。

MATLAB作為一門(mén)強(qiáng)大的計(jì)算和仿真工具，集成了數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化及系統(tǒng)建模和仿真等許多功能[2]。在軌道交通相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，MATLAB的工程應(yīng)用融合了線性代數(shù)、電路理論、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、人工智能等多門(mén)課程的核心知識(shí)，使其在列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)建模仿真、客流精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、圖像及視頻處理、故障診斷、供電智能檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1 MATLAB工程應(yīng)用教學(xué)現(xiàn)狀

MATLAB工程應(yīng)用是一門(mén)應(yīng)用背景強(qiáng)、學(xué)科交叉融合性強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)MATLAB教學(xué)中大多數(shù)為演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，較少有現(xiàn)代軌道交通行業(yè)的MATLAB應(yīng)用案例/項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，缺少軌道交通新一代人工智能技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。教學(xué)組織形式方面，面對(duì)“一對(duì)多”的教學(xué)環(huán)境，一位教師往往顧此失彼，很難兼顧所有學(xué)生在編程中遇到的問(wèn)題，部分學(xué)生因沒(méi)有得到教師及時(shí)反饋選擇放棄。評(píng)價(jià)考核方面，考核方式較為單一，考核內(nèi)容偏向知識(shí)點(diǎn)掌握情況和基本程序編寫(xiě)能力，缺少過(guò)程性考核和綜合能力評(píng)價(jià)。

2 CDIO和OBE工程教育理念

構(gòu) 思-設(shè) 計(jì)-實(shí) 現(xiàn)-運(yùn) 行（conceivedesign-implement-operate，CDIO）工程教育模式以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為核心，讓學(xué)生“在做中學(xué)”，通過(guò)自主實(shí)踐發(fā)現(xiàn)不同課程之間的有機(jī)聯(lián)系，注重學(xué)生在工程學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性和實(shí)踐過(guò)程的完整性[3]。

成 果 導(dǎo) 向 教 育（outcome-based education，OBE）是以產(chǎn)出為中心、以成果為導(dǎo)向，對(duì)教育進(jìn)行組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)的教育模式[4]。OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)活動(dòng)。

3 面向軌道交通的MATLAB工程應(yīng)用CDIO-OBE項(xiàng)目式教學(xué)

在“智慧城軌”背景下，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力強(qiáng)的高素質(zhì)綜合型軌道交通人才，本文在MATLAB工程應(yīng)用教學(xué)中運(yùn)用CDIO-OBE工程教育理念，采用案例/項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法、小組討論法，以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，通過(guò)線上線下混合教學(xué)方式，逆向設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，按照“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”環(huán)節(jié)開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)，讓學(xué)生 “在做中學(xué)”，通過(guò)自主實(shí)踐發(fā)現(xiàn)不同新技術(shù)之間的有機(jī)聯(lián)系，最后以多元化課程成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行考核。

基 于CDIO-OBE理 念 的MATLAB工 程應(yīng)用課程教學(xué)改革總體實(shí)施方案如圖1所示。

3.1 基于OBE理念逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

首先，基于新工科建設(shè)要求和OBE工程教育理念，以新一代人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為核心，根據(jù)軌道交通專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的知識(shí)、能力和素質(zhì)的要求，設(shè)定MATLAB工程應(yīng)用的教學(xué)成果目標(biāo)為：

（1）工程基礎(chǔ)知識(shí)：掌握數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子通信和軌道交通專(zhuān)業(yè)知識(shí)，能將MATLAB用于解決軌道交通復(fù)雜工程問(wèn)題。

（2）個(gè)人學(xué)習(xí)能力：具有自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，能夠掌握專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的文獻(xiàn)檢索、知識(shí)查詢(xún)的方法，不斷進(jìn)行自我完善。

（3）計(jì)算思維能力：能應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理，進(jìn)行抽象分析、思維批判、算法設(shè)計(jì)，通過(guò)“定性+定量”方法分析軌道交通復(fù)雜工程問(wèn)題。

（4）工程實(shí)踐能力：能夠設(shè)計(jì)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足需求的算法，并能在設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)和系統(tǒng)能力。

（5）團(tuán)隊(duì)與溝通能力：能夠在工程項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)不同角色，能夠就復(fù)雜工程問(wèn)題與同行進(jìn)行有效溝通和交流，包括撰寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和設(shè)計(jì)方案文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)，并具備英文閱讀和表達(dá)能力。

3.2 教學(xué)準(zhǔn)備/構(gòu)思

3.2.1 從實(shí)際場(chǎng)景出發(fā)，創(chuàng)造問(wèn)題情境，引發(fā)思考

在教學(xué)準(zhǔn)備階段，教師從智慧運(yùn)營(yíng)、智慧服務(wù)、智慧維保三大應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，從軌道公司工程項(xiàng)目成果和創(chuàng)新研究項(xiàng)目中選擇具有綜合性、創(chuàng)新性的案例，形成MATLAB在軌道交通行業(yè)中的應(yīng)用教學(xué)案例（見(jiàn)表1）。

以“城市軌道交通智能列檢項(xiàng)目”為例，通過(guò)設(shè)定“軌道交通車(chē)輛關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)”的情境將學(xué)生帶入真實(shí)軌道交通場(chǎng)景。而后，教師結(jié)合該場(chǎng)景提出與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題：“有哪些辦法可以檢測(cè)故障？”、“需要哪些硬件設(shè)備？”、“不同辦法分別有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？”。在此過(guò)程中，教師通過(guò)層層遞進(jìn)式的發(fā)問(wèn)引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行課后學(xué)習(xí)。

3.2.2 收集相關(guān)材料，構(gòu)建知識(shí)體系

每位學(xué)生在收到問(wèn)題后，課后進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、資料查詢(xún)，教師事先將可供參考的MOOC資源向?qū)W生開(kāi)放，如“人工智能技術(shù)”、“智能交互技術(shù)”等。通過(guò)線上線下混合式教學(xué)方法，學(xué)生加深對(duì)問(wèn)題的工程背景認(rèn)識(shí)，專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和個(gè)人學(xué)習(xí)能力得到提高。

3.3 教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程

3.3.1 從案例出發(fā)，進(jìn)行問(wèn)題分解

教師以“軌道交通車(chē)輛關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)”為主線，將案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和小組討論法貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。教師在課堂中從“列車(chē)軸承故障診斷”案例出發(fā)，向?qū)W生展示如何將復(fù)雜問(wèn)題分解為一系列子問(wèn)題：“軸承振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理”、“軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析”、“軸承振動(dòng)信號(hào)的頻域分析”、“軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分析”。

3.3.2 小組討論，分析問(wèn)題，確定技術(shù)路線

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下圍繞子問(wèn)題進(jìn)行小組討論，分析軸承振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，再根據(jù)課前所學(xué)知識(shí)最終確定技術(shù)路線和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)案例教學(xué)，學(xué)生積極主動(dòng)參與到課堂討論和問(wèn)題分析中，依托MOOC資源，有限的課堂時(shí)間用于小組討論、教師反饋和成果展示，學(xué)生的主體地位得到體現(xiàn)，問(wèn)題分析能力、批判思維能力、創(chuàng)新意識(shí)和系統(tǒng)工程能力得到了鍛煉。

3.4 程序?qū)崿F(xiàn)

3.4.1 從子問(wèn)題出發(fā)，演示算法設(shè)計(jì)和程序編寫(xiě)過(guò)程

在程序編寫(xiě)與調(diào)試中，教師從“軸承振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理”子問(wèn)題出發(fā)，講解“軸承振動(dòng)信號(hào)”信號(hào)插值、濾波等算法設(shè)計(jì)過(guò)程，利用MATLAB進(jìn)行程序演示和功能測(cè)試。在程序演示中，充分利用MATLAB已有的Documentation和Examples資源，對(duì)于相同的函數(shù)在不同背景中的應(yīng)用進(jìn)行深入挖掘，布置相關(guān)作業(yè)練習(xí)，強(qiáng)化學(xué)生的編程實(shí)踐能力和英文閱讀能力。

3.4.2 舉一反三，編程實(shí)踐

對(duì)于其它的子問(wèn)題，學(xué)生分組討論后再次查閱資料，按照問(wèn)題分析、算法設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)及調(diào)試三個(gè)步驟，在教師的引導(dǎo)下舉一反三進(jìn)行編程實(shí)踐，從而把算法思維能力和編程能力的培養(yǎng)融入案例教學(xué)中。

3.5 考核與運(yùn)用

教師基于多元化評(píng)價(jià)指標(biāo)，注重對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐應(yīng)用能力的評(píng)價(jià)?？己擞伤牟糠纸M成，項(xiàng)目完成質(zhì)量和創(chuàng)造性占比50%，項(xiàng)目文檔占比20%，作業(yè)占比20%，學(xué)習(xí)態(tài)度和考勤占比10%。要求學(xué)生提交完整的項(xiàng)目文檔，并以小組PPT答辯的方式展示學(xué)習(xí)成果，通過(guò)組內(nèi)互評(píng)、組間提問(wèn)回答情況和教師評(píng)價(jià)綜合給出每位學(xué)生的項(xiàng)目質(zhì)量成績(jī)。MATLAB工程應(yīng)用課程改革后，取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在“智慧城軌”背景下探索實(shí)施基于CDIO-OBE理念的軌道交通人才培養(yǎng)模式，以企業(yè)工程項(xiàng)目成果和創(chuàng)新研究項(xiàng)目中的案例作為教學(xué)資源，通過(guò)線上線下混合式教學(xué)和小組討論法開(kāi)展教學(xué)。整個(gè)教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)的目標(biāo)性，激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)施教學(xué)改革后，學(xué)生能夠?qū)ATLAB作為解決專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的有效工具，學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到顯著提高。