新工科背景下列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程改革探索

張彤

（大連交通大學(xué)機車車輛工程學(xué)院 遼寧 大連 116028）

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終生學(xué)習(xí)、溝通協(xié)調(diào)能力和工程領(lǐng)導(dǎo)力[2]。

新工科涵蓋的專業(yè)類別較寬泛，其中存在大量新興交叉復(fù)合型學(xué)科專業(yè)。新工科專業(yè)建設(shè)內(nèi)涵的提升是要進一步滿足產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展對人才提出的新要求。高速鐵路是我國的重要交通工具，關(guān)系著國家的經(jīng)濟命脈。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已躋身自主研發(fā)高速列車強國行列。高速列車運行速度的越來越快，相關(guān)技術(shù)也日新月異，對軌道交通及相關(guān)領(lǐng)域高素質(zhì)專業(yè)人才的需求越來越高，同時也對高校人才培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)適用專業(yè)較廣，很多軌道特色高校的復(fù)合型專業(yè)都開設(shè)了該門課程，它是新工科在培養(yǎng)軌道交通設(shè)備及相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計開發(fā)、檢測控制、運用維護等相關(guān)工作人才的一門重要課程。

作為高速鐵路九大核心技術(shù)之一，列車通信網(wǎng)絡(luò)是列車運行的大腦，也是實現(xiàn)列車控制的必要手段；列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是軌道交通運營人才必須要學(xué)習(xí)和掌握的重要技術(shù)，也是軌道交通相關(guān)專業(yè)的核心課程。列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是一門新興的、與時俱進的技術(shù)，是軌道交通車輛實現(xiàn)控制的最重要方式，大部分子設(shè)備的運行和控制都離不開網(wǎng)絡(luò)。通信協(xié)議、原理和實現(xiàn)方式是列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心內(nèi)容。列車的安全可靠運行、列車或車輛的互聯(lián)互通互操作都離不開網(wǎng)絡(luò)的支撐?？梢?，該門課程對于軌道交通專業(yè)人才培養(yǎng)的重要性。有必要進一步提高列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程的本科教學(xué)質(zhì)量和水平。

1 列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的教學(xué)特點

作為專業(yè)核心課程，列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是一門具有很強應(yīng)用性和實踐性的課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中具有舉足輕重的地位。該課程在不同專業(yè)的側(cè)重點有所不同，但教學(xué)內(nèi)容大都特別抽象，純理論的教學(xué)內(nèi)容難以與看不見摸不到的通信技術(shù)有效融合。有的同學(xué)開始的時候還能學(xué)懂，隨著難度加大，遇到難以理解的問題，就會做逃兵甚至放棄。同時，由于設(shè)備資源的限制，本課程開設(shè)的實驗學(xué)時不夠充足，學(xué)完相關(guān)知識點的同學(xué)，也未必能理解通信系統(tǒng)的實際工作原理，更不用說利用組態(tài)軟件實現(xiàn)開發(fā)了，與實現(xiàn)理想的課程目標(biāo)和畢業(yè)目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)?？梢姡瑸檫m應(yīng)新工科培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的新要求[3-4]，必須對列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程進行一系列的改革、研究和探索，構(gòu)建軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程的教學(xué)新體系。

目前，由于列車網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備集成程度高且價格昂貴，該領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)人員主要分布在機車制造企業(yè)中，高校內(nèi)掌握相關(guān)理論和技術(shù)的一線教師較少，開設(shè)該課程學(xué)校也不多，可選用的教材也較為有限。這種資源短缺的情況，無疑對授課老師提出更高的要求。授課老師不僅需要具有雙師資質(zhì)，還必須具備扎實的科研背景和豐富的項目實踐經(jīng)驗。同時，列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)中的子設(shè)備品類繁多，硬件拓?fù)溥B接復(fù)雜，組態(tài)軟件獨特且不易掌握，這些都是授課和實踐教學(xué)中較難解決的重要問題。在新工科理念的引領(lǐng)下，列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的教學(xué)改革有了清晰的方向，明確的目標(biāo)和具體的要求。對列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)教學(xué)進行改革，其內(nèi)容主要包括以下三部分：課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)改革、教學(xué)方法改革、考核方式改革。

2 改革課程內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容的合理安排是提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的必要條件。為了滿足新工科多元化人才的培養(yǎng)目標(biāo)，必須改革現(xiàn)有的課程內(nèi)容體系。將教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整并模塊化，不同模塊培養(yǎng)學(xué)生不同的能力。更有助于學(xué)生對抽象內(nèi)容的理解和消化，提升思維能力和相關(guān)技能。

列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程具有鮮明的軌道交通特色，是交通設(shè)備與控制工程專業(yè)、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的重要課程。對于軌道交通設(shè)備及其相關(guān)領(lǐng)域具有創(chuàng)新意識、實踐能力強的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要的支撐作用。該門課程教學(xué)內(nèi)容較為豐富，涉及列車通信網(wǎng)絡(luò)功能和特點，列車通信網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)架和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞葍?nèi)容。講授列車通信網(wǎng)絡(luò)的過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的實時協(xié)議，并根據(jù)過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)的不同傳輸機理，分析不同網(wǎng)絡(luò)情況下的報文傳輸情況；討論絞線式列車總線初運行的實現(xiàn)過程以及介質(zhì)附件單元的工作特點。上述理論是目前主流列車通信網(wǎng)絡(luò)，未來以太網(wǎng)的設(shè)計和應(yīng)用也以此為架構(gòu)，因此列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的前沿性內(nèi)容在改革后的教學(xué)內(nèi)容中均有反映，這體現(xiàn)了教學(xué)實踐與時俱進的特點。

新工科特別注重學(xué)生實踐能力以及創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。對多個企業(yè)調(diào)研分析后，我們對現(xiàn)有課程的內(nèi)容與架構(gòu)實施調(diào)整。課程體系分為兩個模塊，模塊一以通信基礎(chǔ)理論為主，包括實體部分和協(xié)議部分。實體部分主要指通信系統(tǒng)的硬件組成，協(xié)議部分是雙方為通信達(dá)成的一致性協(xié)約，從底層物理層開始一直到頂層應(yīng)用層，定義列車通信的整體框架。從實體過渡至協(xié)議就是抽象化的過程，是學(xué)生形象思維和理解能力的培養(yǎng)過程。模塊二以CRH3車型為例，構(gòu)架列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，基于現(xiàn)場總線的設(shè)計理念，扎根于絞線式列車總線和多功能車輛總線，以功能設(shè)計的方式逐步深入，培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(chuàng)新設(shè)計能力。該模塊又可分為幾個子模塊：實時協(xié)議中不同種類數(shù)據(jù)的通信原理、車輛總線的設(shè)備和數(shù)據(jù)解析、列車總線的初運行過程。

3 啟發(fā)式教—學(xué)互動的教學(xué)方法

結(jié)合思政教育，新工科在培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)上，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、溝通協(xié)作能力以及創(chuàng)新實踐能力。如果單純地以教師為中心，在課堂上采取單一的灌輸式教學(xué)，是難以實現(xiàn)上述目標(biāo)的。必須將教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向互動的模式，讓學(xué)生更大程度的融入課堂，逐步成為課堂的主人，打造真正的師生活躍的高效課堂。

啟發(fā)式教—學(xué)，講練互動，主要應(yīng)用于通信基本理論知識的教學(xué)內(nèi)容中。根據(jù)學(xué)生的專注時間，每小節(jié)課由兩部分組成，一部分是老師進行理論內(nèi)容的講解，主要采用啟發(fā)式教—學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，潛心探索；第二部分對學(xué)生思維進行訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生采用正確的方式思考難點問題，真正提高在課堂上的學(xué)習(xí)效率。為了增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，盡量采用啟發(fā)、提問、討論、工程舉例、課堂練習(xí)的教學(xué)方法。課前進行具體設(shè)計，課上先提出讓大家感興趣的實際問題，然后讓學(xué)生討論可能出現(xiàn)問題的原因，再利用工具、設(shè)計方案，最后解決問題。以車輛總線數(shù)據(jù)解析為例，首先，啟發(fā)性地提出問題“如果執(zhí)行器如牽引制動系統(tǒng)無故障，但是不能實現(xiàn)正常的功能，那究竟是誰的問題呢，是網(wǎng)絡(luò)傳輸問題、軟件配置問題還是線路干擾問題等？”；然后，就采用示波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取總線上的數(shù)據(jù)進行討論；最后，得出結(jié)論——必須要掌握車輛總線的數(shù)據(jù)格式才能解析出數(shù)據(jù)傳輸是否出現(xiàn)問題。這樣看來，問題不難解決，但是在實際應(yīng)用的時候?qū)W生無法理解軟硬件的配合過程。授課教師將科研成果進行轉(zhuǎn)化，緊密結(jié)合授課內(nèi)容，在實驗平臺上錄制某種特定功能具體實現(xiàn)過程的視頻進行輔助講解，增強學(xué)生對應(yīng)用的理解和創(chuàng)新能力。

引領(lǐng)研討式互動，主要應(yīng)用于實時協(xié)議理論部分的授課。課前布置專項作業(yè)，學(xué)生查閱文獻(xiàn)做好充分調(diào)研，分析出過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)在各個設(shè)備中的路由傳輸過程，繪出過程圖。學(xué)生分組討論、學(xué)習(xí)、分析，可以將知識學(xué)習(xí)變成能力培養(yǎng)。車輛總線、列車總線和CRH3網(wǎng)絡(luò)，涉及網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用方面的知識，通過學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生學(xué)會利用硬件和軟件設(shè)計一個復(fù)雜列車網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生的實踐能力以及解決問題能力。課上以精訓(xùn)為主引領(lǐng)學(xué)生建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思維讓學(xué)生體會網(wǎng)絡(luò)的整個設(shè)計過程，踐行在實踐中成長的教學(xué)理念[5]。

4 過程考核的多元化評價體制

該門課程之前一直以理論教授為主，評價方式也將期末閉卷考試作為主要的方式。這就會導(dǎo)致有一部分學(xué)生平時不重視學(xué)習(xí)，出現(xiàn)課堂不聽講、作業(yè)抄襲、甚至厭學(xué)的現(xiàn)象。僅憑期末的突擊、硬背，在課程結(jié)束后，學(xué)生不僅不能掌握列車通信網(wǎng)絡(luò)的基本理論，對于難點無法理解，甚至連列車通信網(wǎng)絡(luò)的基本概念和通信拓?fù)涠几悴磺宄?，根本無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。改革后，過程考核評價不僅僅體現(xiàn)在課堂上，而是始終貫穿于整個課程教學(xué)階段的課內(nèi)外。課程成績不再只依據(jù)一張試卷完成考核，而是更注重過程和結(jié)果雙重考量，將考核分散在教學(xué)過程的各個環(huán)節(jié)中才能更好地體現(xiàn)新工科綜合能力提升的培養(yǎng)目標(biāo)要求。其中，平時部分成績占總成績的40%，包括作業(yè)、測驗、實驗和文獻(xiàn)綜述。作業(yè)和測驗主要考察的是學(xué)生對所學(xué)知識點的掌握程度，對網(wǎng)絡(luò)通信理論的理解程度，對實際應(yīng)用的可操作程度。建立試題庫，知識講授完后，利用“學(xué)習(xí)通”隨堂測試，促進重要知識點全面、快速、有效地吸收，為后面課程的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。由于所需設(shè)備種類較多，且設(shè)備數(shù)量有限，該門課程設(shè)置了四個學(xué)時的實驗課，包括車輛總線物理層通信介質(zhì)與報文分析、過程數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)兩個實驗。文獻(xiàn)綜述是讓學(xué)生選擇某一CRH車型或者一種總線，通過查閱文獻(xiàn)的方法，了解該總線的功能、發(fā)展和現(xiàn)狀，其中有一些相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)，可以進一步提升學(xué)生的信息獲取能力，并了解軌道交通設(shè)備設(shè)計、控制與維護領(lǐng)域的國際動態(tài)。未來，課程還會進一步促進過程考核的全面、深入實施，加大平時成績所占比例，注重新工科人才能力培養(yǎng)的實施和完善。

近幾年雖然受新冠疫情的影響，但上述改革方法仍然得到了很好的實踐效果。授課老師建立完善的線上資源體系，設(shè)計了課前、課中、課后立體化的學(xué)習(xí)模式。新的教學(xué)內(nèi)容體系突出模塊化特點，學(xué)生可以根據(jù)各個模塊的邏輯關(guān)系形成不同的設(shè)計思維模式，增強對網(wǎng)絡(luò)理論體系的理解。啟發(fā)式教—學(xué)互動成為線上授課的重要方式，高頻率的互動反哺教學(xué)設(shè)計，啟發(fā)式的教—學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生無法到實驗室做實驗，老師可以通過仿真平臺將實驗過程進行拆解，結(jié)合硬件視頻和操作，深入講解通信實現(xiàn)過程。

5 結(jié)語

本文根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程的特點，按照新工科人才培養(yǎng)模式的要求，分別從三個方面提出了幾點教學(xué)改革的建議。教學(xué)內(nèi)容上，為更好地體現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)的前沿技術(shù)，改進目前的教學(xué)體系并模塊化；授課方式上，更多地采用教—學(xué)互動模式，通過啟發(fā)、案例教學(xué)等方法進一步增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生思維能力；課程評價方式上，完善學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核機制，對學(xué)生進行綜合能力的評價。在教學(xué)過程中，應(yīng)時刻注意以學(xué)生為導(dǎo)向，克服列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)授課的各種困難，形成新工科列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)課程新體系，為培養(yǎng)軌道交通類新工科復(fù)合型和創(chuàng)新型人才做出新探索。