軌道交通特色高?！傲熊嚳偩€控制基礎(chǔ)”課程改革探索

馬思群 楊方濤 聶春戈 孫彥彬 邱廣宇 李健

摘?要：作為軌道交通特色高校車輛工程專業(yè)的必修課程，“列車總線控制基礎(chǔ)”課程授課難度較高，內(nèi)容抽象不易理解，難于開展相關(guān)實(shí)訓(xùn)是其主要問題。因此，針對(duì)“列車總線控制基礎(chǔ)”課程的本科教學(xué)進(jìn)行了改革嘗試，分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三個(gè)方面入手，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)方式，建立多元的考核機(jī)制，提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生對(duì)列車總線控制的基本原理及在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用有了更為深刻的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞：列車總線控制基礎(chǔ)；教學(xué)改革；虛擬現(xiàn)實(shí)；多元考核

Abstract：As?a?compulsory?course?of?vehicle?engineering?in?rail?transit?characteristic?universities，the?course?"Fundamentals?of?Train?Bus?Control"?is?difficult?to?teach，and?the?main?problem?is?that?the?content?is?abstract?and?difficult?to?understand，and?it?is?difficult?to?carry?out?relevant?training.Therefore，the?undergraduate?teaching?of?the?course?"Fundamentals?of?Train?Bus?Control"?was?reformed，starting?from?three?aspects：teaching?content，teaching?methods?and?assessment?methods，adjusting?the?teaching?content，introducing?the?teaching?method?of?virtual?reality?technology，establishing?a?diversified?assessment?mechanism，improving?the?efficiency?and?quality?of?classroom?teaching，so?that?students?have?a?deeper?understanding?of?the?basic?principles?of?train?bus?control?and?its?application?in?the?field?of?rail?transit.

Keywords：fundamentals?of?Train?Bus?Control；pedagogical?reform；Virtual?reality；Multiple?assessments

我國(guó)高速列車經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)取得了非常顯著的進(jìn)步。隨著高速列車技術(shù)的日新月異，在軌道交通及相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)于高素質(zhì)專業(yè)人才的需求十分迫切。因此，需要不斷地加強(qiáng)人才的培養(yǎng)和教育?！傲熊嚳偩€控制基礎(chǔ)”是許多軌道特色高校開設(shè)的必修課，列車總線及裝備常被比作高速列車的神經(jīng)和大腦，列車總線技術(shù)關(guān)乎到列車運(yùn)行的安全，是高速列車九大核心技術(shù)之一。列車總線控制技術(shù)是一門新興且不斷發(fā)展的技術(shù)，是軌道交通車輛實(shí)現(xiàn)控制的最主要方式，因而也是軌道交通設(shè)計(jì)制造及運(yùn)用維護(hù)人才必須學(xué)習(xí)和掌握的重要技術(shù)。列車總線控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，高速列車很多系統(tǒng)的運(yùn)行和控制都離不開列車總線的控制［1］。在鐵路行業(yè)內(nèi)，可以通過提高檢修運(yùn)維的專業(yè)水平來提高各系統(tǒng)的使用壽命，從而提高列車運(yùn)行的安全性，因此，從業(yè)人員對(duì)于列車總線控制技術(shù)的研究和掌握非常重要。

然而，我國(guó)的鐵路運(yùn)維單位及相關(guān)鐵路院校面臨培訓(xùn)設(shè)備老舊、培訓(xùn)方式落后等問題，培訓(xùn)效率低下，同時(shí)列車總線控制系統(tǒng)的部分組件需進(jìn)口，價(jià)格昂貴且應(yīng)用范圍較小，僅可應(yīng)用于鐵路行業(yè)，鐵路運(yùn)維單位可進(jìn)行實(shí)操演習(xí)，但檢修時(shí)需帶電作業(yè)，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)；而鐵路相關(guān)院校通常無法承擔(dān)搭建實(shí)物平臺(tái)昂貴的費(fèi)用，只能采用教材與板書等方式對(duì)檢修維護(hù)的方式進(jìn)行介紹，但列車檢修培訓(xùn)受裝配件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配難度大等多種問題限制，造成培訓(xùn)效果差、課程枯燥等現(xiàn)象［2］。在這種背景下，為了提高“列車總線控制基礎(chǔ)”課程的本科教學(xué)質(zhì)量和水平，需要進(jìn)一步加強(qiáng)教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革和創(chuàng)新。只有這樣，才能更好地培養(yǎng)出優(yōu)秀的軌道交通技術(shù)人才，滿足當(dāng)前軌道交通行業(yè)對(duì)專業(yè)技術(shù)人員知識(shí)水平提升的需求。

1?教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

“列車總線控制基礎(chǔ)”是機(jī)車車輛工程學(xué)院車輛工程專業(yè)本科生一門重要專業(yè)必修課，它起著承上啟下的作用。主要內(nèi)容包括通信原理與基礎(chǔ)、機(jī)車車輛的TCN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAN總線技術(shù)、列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施協(xié)議、列車控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例等。經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這門課程體系復(fù)雜、內(nèi)容抽象，這就使得學(xué)生對(duì)這門課程的理解不夠深入，無法真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。針對(duì)這種情況，需要對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定的改進(jìn)和優(yōu)化，這樣才能有效提高教學(xué)效果，滿足學(xué)生的知識(shí)需求。

首先對(duì)本課程的教學(xué)大綱進(jìn)行調(diào)整，通過壓縮、刪減、新增和整改等方式精選教學(xué)內(nèi)容，對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行更為合理的貫穿銜接。緊密跟蹤現(xiàn)代軌道交通技術(shù)的新理論、新方法和新技術(shù)，不斷補(bǔ)充和完善本課程內(nèi)容，使課程體系更加合理、科學(xué)，具有先進(jìn)性［3］。

在教學(xué)過程中，對(duì)現(xiàn)有課程的內(nèi)容和架構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。把課程分為兩個(gè)主要部分：第一部分以數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)為主，主要介紹通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)及硬件組成，包括數(shù)據(jù)通信的基本原理，不同局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等，授課時(shí)把理論知識(shí)按照由淺入深的順序進(jìn)行講解，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)知識(shí)、硬件、協(xié)議的闡述。通過加大學(xué)時(shí)、細(xì)致講解的方式，完成學(xué)生對(duì)本門課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。

第二部分以動(dòng)車組動(dòng)力轉(zhuǎn)向架制動(dòng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制和基于TCN總線的高速列車輪軸軸溫異常故障應(yīng)對(duì)為例，通過典型的案例教學(xué)，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合。在講授過程中，要注意與第一部分內(nèi)容的有效銜接，在講述實(shí)際工程問題時(shí)，注意引述數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)，在高速列車輪軸軸溫監(jiān)測(cè)原理中，將溫度信號(hào)的傳送，分解為基帶信號(hào)生成、TCN網(wǎng)關(guān)硬件、曼徹斯特編碼等多個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行兩次講解，從而令學(xué)生對(duì)列車總線系統(tǒng)有透徹的認(rèn)知［2］。在第二部分，還要讓學(xué)生進(jìn)一步掌握列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的TCN總線的工作要求、車輛總線的設(shè)備和數(shù)據(jù)解析、列車總線的初運(yùn)行過程等。

為了使授課內(nèi)容進(jìn)一步貼合工程應(yīng)用，通過深入挖掘，將教師團(tuán)隊(duì)科研工作中完成的高速列車120萬千米線路監(jiān)測(cè)的科研案例，作為該課程的背景材料，將科研案例中高鐵軸溫檢測(cè)時(shí)溫度模擬信號(hào)采集及調(diào)制融入課程教學(xué)的第一部分內(nèi)容中，以CRH380BL動(dòng)車組為例，詳細(xì)講解列車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)PT100傳感器、Compact?PT100模塊、中央控制單元等組成，清晰闡述模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的規(guī)則及多路復(fù)用的基本原理。將科研案例中軸溫信號(hào)由Compact?PT100模塊的MVB通信接口電路將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MVB總線可識(shí)別的信號(hào)后，傳輸至中央控制單元（CCU），把不同車的軸溫信號(hào)由TCN網(wǎng)關(guān)連接至WTB總線的過程融入課程教學(xué)的第二部分內(nèi)容中，通過上述的基于課堂講授的工程案例教學(xué)方式，可以提高學(xué)生認(rèn)知的廣度和深度。通過融入科研案例兩部分的教學(xué)，學(xué)生可以更好地理解列車通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和多樣性，提高自身的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)問題研究和探討的興趣，為獨(dú)立完成課程結(jié)業(yè)時(shí)的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大作業(yè)打下基礎(chǔ)，也為教學(xué)方法改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

2?教學(xué)方法改進(jìn)

“列車總線控制基礎(chǔ)”這門課程，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是在課堂上采用文字、圖片、板書等形式傳授知識(shí)，而該課程的后續(xù)章節(jié)涉及信號(hào)調(diào)制技術(shù)、不同類型總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，內(nèi)容過于抽象，對(duì)于初學(xué)者來說很難理解，造成學(xué)生缺乏積極性。此外，由于列車總線涉及的硬件眾多，并且價(jià)格昂貴，使得大多數(shù)學(xué)校很難購(gòu)買相關(guān)的教具和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)致學(xué)生在沒有機(jī)會(huì)接受實(shí)踐教學(xué)，這也是阻礙學(xué)生掌握和深入理解這門課程知識(shí)的重要因素之一。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在各行業(yè)得到廣泛運(yùn)用［4］。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟，其與現(xiàn)代教育的融合呈現(xiàn)出了良好的契機(jī)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助課程教學(xué)有著突出的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合該課程的特點(diǎn)，課程組提出了將虛擬現(xiàn)實(shí)軟件系統(tǒng)與HTC?VIVE可穿戴VR體驗(yàn)設(shè)備、基于PLC硬件的半實(shí)物展臺(tái)融為一體，開發(fā)出具有高度沉浸感的教學(xué)系統(tǒng)，用于課程教學(xué)；該系統(tǒng)打破空間、時(shí)間的限制，大到輪對(duì)軸承內(nèi)部，小至車體下面的網(wǎng)絡(luò)線路，學(xué)生都可以進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察，可以放心地去做各種實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了逼真的教學(xué)情境。與傳統(tǒng)教育模式相比，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助，可以打破沉悶課堂氛圍，讓教學(xué)變得豐富和高效，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，營(yíng)造良好氛圍，同時(shí)催化出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方法進(jìn)行改革，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入“列車總線控制”課程教學(xué)中，建立以教師為主體、本科同學(xué)參與的研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)，將本科同學(xué)分成三維建模組和程序設(shè)計(jì)組，分別學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，共同設(shè)計(jì)制作“列車總線控制”的三維模型，設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)腳本；通過虛擬引擎制作能直觀展示列車總線控制信號(hào)與技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)課件，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬車間、虛擬實(shí)驗(yàn)，借助文字動(dòng)畫等信息手段，化抽象為具體，讓學(xué)生在共同設(shè)計(jì)的過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)產(chǎn)生深刻的認(rèn)知，達(dá)到理解知識(shí)、掌握知識(shí)、發(fā)展能力的目的。

所開發(fā)的虛擬軟件具有趣性、智能性、交互性的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行輔助教學(xué)。在實(shí)際教學(xué)過程中，以高速列車軸溫監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通信原理為重點(diǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，先通過軸溫加熱器對(duì)軸承進(jìn)行加熱，利用四線制鉑電阻作為前端采集器，西門子PLC與HMI交互完成對(duì)溫度的傳送與遠(yuǎn)端顯示，接著通過半實(shí)物展臺(tái)與虛擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中演示不同溫度等級(jí)的信號(hào)在列車TCN網(wǎng)絡(luò)中傳遞原理，實(shí)現(xiàn)了易于學(xué)生理解、沉浸感強(qiáng)的互動(dòng)教學(xué)體驗(yàn)。教師可以根據(jù)教學(xué)任務(wù)，把制作好的虛擬現(xiàn)實(shí)課件進(jìn)行課堂演示，使原本抽象枯燥的信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以直觀生動(dòng)的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使他們能夠清晰地看到總線控制技術(shù)中原本不可見的信號(hào)結(jié)構(gòu)、傳輸機(jī)理和列車總線控制設(shè)備等內(nèi)容，更好地理解所學(xué)內(nèi)容。學(xué)生也可以在筆記本電腦上運(yùn)行，使學(xué)生能夠及時(shí)預(yù)習(xí)與鞏固，更加深刻地理解課程知識(shí)。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以解決缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、教學(xué)場(chǎng)地不足等問題，增加學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)時(shí)間，讓他們充分利用自己身體的各種感覺體驗(yàn)，使得教學(xué)過程更加靈活、高效。

3?考核方式的改革

在過去，該課程主要注重理論教學(xué)，考核也是以期末試卷考核為主，平時(shí)課后作業(yè)考查為輔的方式。然而，這一傳統(tǒng)的方式在實(shí)踐中導(dǎo)致了一些學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的參與度不高，作業(yè)質(zhì)量也不高，并對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了消極態(tài)度，僅僅依賴期末考試的突擊備考來應(yīng)付考核。因此，為了提升課程的教學(xué)效果和評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，需要對(duì)評(píng)估方式進(jìn)行改革，建立一個(gè)全面的評(píng)價(jià)體系，以公平、公正地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，實(shí)現(xiàn)多元化的學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)估。首先，在每次上課前提前發(fā)布簽到，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的出勤率和出勤情況［5］，并將其納入總評(píng)成績(jī)中占5%的權(quán)重，以避免學(xué)生隨意曠課。此外，課程的平時(shí)考核部分占總成績(jī)的30%，包括測(cè)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)和作業(yè)等，以全面評(píng)估學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握程度。教師可以在學(xué)習(xí)通課程平臺(tái)發(fā)布隨堂測(cè)驗(yàn)和章節(jié)測(cè)驗(yàn)，讓學(xué)生在課堂結(jié)束后進(jìn)行鞏固，加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的記憶和理解，提高教學(xué)效果。隨堂測(cè)驗(yàn)和章節(jié)測(cè)驗(yàn)的成績(jī)占總成績(jī)的5%。此外，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生進(jìn)行上機(jī)學(xué)習(xí)，觀看相關(guān)演示，并設(shè)置題庫(kù)進(jìn)行電腦上機(jī)考核，可以更好地幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)，掌握數(shù)據(jù)通信的基本原理、不同局域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；掌握列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)TCN的基本結(jié)構(gòu)和工作要求等核心內(nèi)容。實(shí)訓(xùn)可以使學(xué)生具備運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)組建一般列車通信網(wǎng)絡(luò)的能力，并提高學(xué)習(xí)興趣，實(shí)訓(xùn)成績(jī)占總成績(jī)的10%。作業(yè)的主要目的在于評(píng)估學(xué)生是否理解所學(xué)相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生更加重視課程學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，所以作業(yè)成績(jī)占總成績(jī)的15%，通過作業(yè)的完成情況，教師可以更好地了解學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)。最后，學(xué)生將在課程學(xué)習(xí)后進(jìn)行結(jié)業(yè)考核，包括組織結(jié)業(yè)考試和要求學(xué)生獨(dú)立完成課程結(jié)業(yè)大作業(yè)《如何設(shè)計(jì)國(guó)產(chǎn)高速列車的總線控制系統(tǒng)》報(bào)告。結(jié)業(yè)考試占總成績(jī)的55%，結(jié)業(yè)大作業(yè)占總成績(jī)的10%。通過大學(xué)業(yè)任務(wù)的完成，學(xué)生有機(jī)會(huì)應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題，同時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深入總結(jié)，這樣的鍛煉將提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，為未來的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，這樣的考核方式可以更加全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)，為學(xué)生的成長(zhǎng)提供更多的空間和機(jī)會(huì)。

4?結(jié)論

本文針對(duì)“列車總線控制基礎(chǔ)”這門課的教學(xué)難點(diǎn)，分別對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個(gè)方面進(jìn)行了改革探索。教學(xué)內(nèi)容上，對(duì)主要內(nèi)容和架構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；教學(xué)方法上，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改良，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真相結(jié)合，擺脫傳統(tǒng)教學(xué)方法的枯燥性，實(shí)現(xiàn)教育與技術(shù)的融合應(yīng)用；考核方式上建立多元的考核機(jī)制，全方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估；整個(gè)教學(xué)工程中，要始終以學(xué)生為主體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在今后的教學(xué)中，還應(yīng)不斷總結(jié)與思考，進(jìn)一步提高“列車總線控制”基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量。

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基金項(xiàng)目：2022年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（10150312）；遼寧省交通運(yùn)輸廳交通科技計(jì)劃項(xiàng)目（202151）

作者簡(jiǎn)介：馬思群（1969—?），男，遼寧大連人，博士，大連交通大學(xué)機(jī)車車輛工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)閺?fù)雜產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。