新工科背景下列車網絡控制技術課程改革探索

張彤

（大連交通大學機車車輛工程學院 遼寧 大連 116028）

新工科是基于國家戰略發展新需求、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]。新工科人才培養目標是培養學生的設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，提升創新創業、跨學科交叉融合、自主終生學習、溝通協調能力和工程領導力[2]。

新工科涵蓋的專業類別較寬泛，其中存在大量新興交叉復合型學科專業。新工科專業建設內涵的提升是要進一步滿足產業持續發展對人才提出的新要求。高速鐵路是我國的重要交通工具，關系著國家的經濟命脈。經過多年的發展，我國已躋身自主研發高速列車強國行列。高速列車運行速度的越來越快，相關技術也日新月異，對軌道交通及相關領域高素質專業人才的需求越來越高，同時也對高校人才培養的標準提出了更高的要求。列車網絡控制技術適用專業較廣，很多軌道特色高校的復合型專業都開設了該門課程，它是新工科在培養軌道交通設備及相關領域的設計開發、檢測控制、運用維護等相關工作人才的一門重要課程。

作為高速鐵路九大核心技術之一，列車通信網絡是列車運行的大腦，也是實現列車控制的必要手段；列車網絡控制技術是軌道交通運營人才必須要學習和掌握的重要技術，也是軌道交通相關專業的核心課程。列車網絡控制技術是一門新興的、與時俱進的技術，是軌道交通車輛實現控制的最重要方式，大部分子設備的運行和控制都離不開網絡。通信協議、原理和實現方式是列車網絡技術的核心內容。列車的安全可靠運行、列車或車輛的互聯互通互操作都離不開網絡的支撐。可見，該門課程對于軌道交通專業人才培養的重要性。有必要進一步提高列車網絡控制技術課程的本科教學質量和水平。

1 列車網絡控制技術的教學特點

作為專業核心課程，列車網絡控制技術是一門具有很強應用性和實踐性的課程，在專業人才培養計劃中具有舉足輕重的地位。該課程在不同專業的側重點有所不同，但教學內容大都特別抽象，純理論的教學內容難以與看不見摸不到的通信技術有效融合。有的同學開始的時候還能學懂，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，由于設備資源的限制，本課程開設的實驗學時不夠充足，學完相關知識點的同學，也未必能理解通信系統的實際工作原理，更不用說利用組態軟件實現開發了，與實現理想的課程目標和畢業目標相距甚遠。可見，為適應新工科培養多元化、創新型卓越工程人才的新要求[3-4]，必須對列車網絡控制技術課程進行一系列的改革、研究和探索，構建軌道交通網絡控制技術課程的教學新體系。

目前，由于列車網絡通信設備集成程度高且價格昂貴，該領域的應用技術人員主要分布在機車制造企業中，高校內掌握相關理論和技術的一線教師較少，開設該課程學校也不多，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，還必須具備扎實的科研背景和豐富的項目實踐經驗。同時，列車網絡控制技術中的子設備品類繁多，硬件拓撲連接復雜，組態軟件獨特且不易掌握，這些都是授課和實踐教學中較難解決的重要問題。在新工科理念的引領下，列車網絡控制技術的教學改革有了清晰的方向，明確的目標和具體的要求。對列車網絡控制技術教學進行改革，其內容主要包括以下三部分：課程內容體系結構改革、教學方法改革、考核方式改革。

2 改革課程內容

教學內容的合理安排是提高學生學習質量的必要條件。為了滿足新工科多元化人才的培養目標，必須改革現有的課程內容體系。將教學內容適當調整并模塊化，不同模塊培養學生不同的能力。更有助于學生對抽象內容的理解和消化，提升思維能力和相關技能。

列車網絡控制技術課程具有鮮明的軌道交通特色，是交通設備與控制工程專業、測控技術與儀器等專業的重要課程。對于軌道交通設備及其相關領域具有創新意識、實踐能力強的應用型人才的培養具有重要的支撐作用。該門課程教學內容較為豐富，涉及列車通信網絡功能和特點，列車通信網絡的硬件構架和網絡拓撲等內容。講授列車通信網絡的過程數據和消息數據的實時協議，并根據過程數據、消息數據的不同傳輸機理，分析不同網絡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過程以及介質附件單元的工作特點。上述理論是目前主流列車通信網絡，未來以太網的設計和應用也以此為架構，因此列車網絡控制技術的前沿性內容在改革后的教學內容中均有反映，這體現了教學實踐與時俱進的特點。

新工科特別注重學生實踐能力以及創新思維能力的培養。對多個企業調研分析后，我們對現有課程的內容與架構實施調整。課程體系分為兩個模塊，模塊一以通信基礎理論為主，包括實體部分和協議部分。實體部分主要指通信系統的硬件組成，協議部分是雙方為通信達成的一致性協約，從底層物理層開始一直到頂層應用層，定義列車通信的整體框架。從實體過渡至協議就是抽象化的過程，是學生形象思維和理解能力的培養過程。模塊二以CRH3車型為例，構架列車通信網絡系統，基于現場總線的設計理念，扎根于絞線式列車總線和多功能車輛總線，以功能設計的方式逐步深入，培養學生的實踐和創新設計能力。該模塊又可分為幾個子模塊：實時協議中不同種類數據的通信原理、車輛總線的設備和數據解析、列車總線的初運行過程。

3 啟發式教—學互動的教學方法

結合思政教育，新工科在培養學生工程思維和創新思維的基礎上，提升學生的學習能力、溝通協作能力以及創新實踐能力。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，是難以實現上述目標的。必須將教學轉變為雙向互動的模式，讓學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。

啟發式教—學，講練互動，主要應用于通信基本理論知識的教學內容中。根據學生的專注時間，每小節課由兩部分組成，一部分是老師進行理論內容的講解，主要采用啟發式教—學，引導學生積極思考，潛心探索；第二部分對學生思維進行訓練，引導學生采用正確的方式思考難點問題，真正提高在課堂上的學習效率。為了增強學生的學習興趣，盡量采用啟發、提問、討論、工程舉例、課堂練習的教學方法。課前進行具體設計，課上先提出讓大家感興趣的實際問題，然后讓學生討論可能出現問題的原因，再利用工具、設計方案，最后解決問題。以車輛總線數據解析為例，首先，啟發性地提出問題“如果執行器如牽引制動系統無故障，但是不能實現正常的功能，那究竟是誰的問題呢，是網絡傳輸問題、軟件配置問題還是線路干擾問題等？”；然后，就采用示波器或網絡分析儀獲取總線上的數據進行討論；最后，得出結論——必須要掌握車輛總線的數據格式才能解析出數據傳輸是否出現問題。這樣看來，問題不難解決，但是在實際應用的時候學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化，緊密結合授課內容，在實驗平臺上錄制某種特定功能具體實現過程的視頻進行輔助講解，增強學生對應用的理解和創新能力。

引領研討式互動，主要應用于實時協議理論部分的授課。課前布置專項作業，學生查閱文獻做好充分調研，分析出過程數據和消息數據在各個設備中的路由傳輸過程，繪出過程圖。學生分組討論、學習、分析，可以將知識學習變成能力培養。車輛總線、列車總線和CRH3網絡，涉及網絡工程應用方面的知識，通過學習可以讓學生學會利用硬件和軟件設計一個復雜列車網絡通信系統，訓練學生的實踐能力以及解決問題能力。課上以精訓為主引領學生建立網絡設計思維讓學生體會網絡的整個設計過程，踐行在實踐中成長的教學理念[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。這就會導致有一部分學生平時不重視學習，出現課堂不聽講、作業抄襲、甚至厭學的現象。僅憑期末的突擊、硬背，在課程結束后，學生不僅不能掌握列車通信網絡的基本理論，對于難點無法理解，甚至連列車通信網絡的基本概念和通信拓撲都搞不清楚，根本無法達到理想的教學效果。改革后，過程考核評價不僅僅體現在課堂上，而是始終貫穿于整個課程教學階段的課內外。課程成績不再只依據一張試卷完成考核，而是更注重過程和結果雙重考量，將考核分散在教學過程的各個環節中才能更好地體現新工科綜合能力提升的培養目標要求。其中，平時部分成績占總成績的40%，包括作業、測驗、實驗和文獻綜述。作業和測驗主要考察的是學生對所學知識點的掌握程度，對網絡通信理論的理解程度，對實際應用的可操作程度。建立試題庫，知識講授完后，利用“學習通”隨堂測試，促進重要知識點全面、快速、有效地吸收，為后面課程的學習打下堅實基礎。由于所需設備種類較多，且設備數量有限，該門課程設置了四個學時的實驗課，包括車輛總線物理層通信介質與報文分析、過程數據通信實現兩個實驗。文獻綜述是讓學生選擇某一CRH車型或者一種總線，通過查閱文獻的方法，了解該總線的功能、發展和現狀，其中有一些相關通信標準，可以進一步提升學生的信息獲取能力，并了解軌道交通設備設計、控制與維護領域的國際動態。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，設計了課前、課中、課后立體化的學習模式。新的教學內容體系突出模塊化特點，學生可以根據各個模塊的邏輯關系形成不同的設計思維模式，增強對網絡理論體系的理解。啟發式教—學互動成為線上授課的重要方式，高頻率的互動反哺教學設計，啟發式的教—學激發了學生的學習熱情。學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，結合硬件視頻和操作，深入講解通信實現過程。

5 結語

本文根據列車網絡控制技術課程的特點，按照新工科人才培養模式的要求，分別從三個方面提出了幾點教學改革的建議。教學內容上，為更好地體現列車通信網絡的前沿技術，改進目前的教學體系并模塊化；授課方式上，更多地采用教—學互動模式，通過啟發、案例教學等方法進一步增強學生的學習興趣，提升學生思維能力；課程評價方式上，完善學生學習過程的考核機制，對學生進行綜合能力的評價。在教學過程中，應時刻注意以學生為導向，克服列車網絡控制技術授課的各種困難，形成新工科列車網絡控制技術課程新體系，為培養軌道交通類新工科復合型和創新型人才做出新探索。