軌道交通特色高校“列車總線控制基礎”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的必修課程，“列車總線控制基礎”課程授課難度較高，內容抽象不易理解，難于開展相關實訓是其主要問題。因此，針對“列車總線控制基礎”課程的本科教學進行了改革嘗試，分別從教學內容、教學手段和考核方式三個方面入手，調整教學內容、引入虛擬現實技術的教學方式，建立多元的考核機制，提高課堂教學效率和教學質量，使學生對列車總線控制的基本原理及在軌道交通領域的應用有了更為深刻的認知。

關鍵詞：列車總線控制基礎；教學改革；虛擬現實；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

我國高速列車經過多年的不斷發展，已經取得了非常顯著的進步。隨著高速列車技術的日新月異，在軌道交通及相關領域，對于高素質專業人才的需求十分迫切。因此，需要不斷地加強人才的培養和教育?！傲熊嚳偩€控制基礎”是許多軌道特色高校開設的必修課，列車總線及裝備常被比作高速列車的神經和大腦，列車總線技術關乎到列車運行的安全，是高速列車九大核心技術之一。列車總線控制技術是一門新興且不斷發展的技術，是軌道交通車輛實現控制的最主要方式，因而也是軌道交通設計制造及運用維護人才必須學習和掌握的重要技術。列車總線控制技術的應用已經非常廣泛，高速列車很多系統的運行和控制都離不開列車總線的控制［1］。在鐵路行業內，可以通過提高檢修運維的專業水平來提高各系統的使用壽命，從而提高列車運行的安全性，因此，從業人員對于列車總線控制技術的研究和掌握非常重要。

然而，我國的鐵路運維單位及相關鐵路院校面臨培訓設備老舊、培訓方式落后等問題，培訓效率低下，同時列車總線控制系統的部分組件需進口，價格昂貴且應用范圍較小，僅可應用于鐵路行業，鐵路運維單位可進行實操演習，但檢修時需帶電作業，具有一定的風險；而鐵路相關院校通常無法承擔搭建實物平臺昂貴的費用，只能采用教材與板書等方式對檢修維護的方式進行介紹，但列車檢修培訓受裝配件結構復雜、裝配難度大等多種問題限制，造成培訓效果差、課程枯燥等現象［2］。在這種背景下，為了提高“列車總線控制基礎”課程的本科教學質量和水平，需要進一步加強教學方法和教學手段的改革和創新。只有這樣，才能更好地培養出優秀的軌道交通技術人才，滿足當前軌道交通行業對專業技術人員知識水平提升的需求。

1?教學內容的調整

“列車總線控制基礎”是機車車輛工程學院車輛工程專業本科生一門重要專業必修課，它起著承上啟下的作用。主要內容包括通信原理與基礎、機車車輛的TCN網絡技術、CAN總線技術、列車通信網絡的實施協議、列車控制網絡應用實例等。經過多年教學實踐發現，這門課程體系復雜、內容抽象，這就使得學生對這門課程的理解不夠深入，無法真正激發學生的學習興趣和求知欲。針對這種情況，需要對傳統的教學內容進行一定的改進和優化，這樣才能有效提高教學效果，滿足學生的知識需求。

首先對本課程的教學大綱進行調整，通過壓縮、刪減、新增和整改等方式精選教學內容，對關鍵知識點進行更為合理的貫穿銜接。緊密跟蹤現代軌道交通技術的新理論、新方法和新技術，不斷補充和完善本課程內容，使課程體系更加合理、科學，具有先進性［3］。

在教學過程中，對現有課程的內容和架構進行相應的調整。把課程分為兩個主要部分：第一部分以數據通信基礎為主，主要介紹通信系統的基礎知識及硬件組成，包括數據通信的基本原理，不同局域網的拓撲結構及網絡通信協議等，授課時把理論知識按照由淺入深的順序進行講解，實現了基礎知識、硬件、協議的闡述。通過加大學時、細致講解的方式，完成學生對本門課程基礎知識的掌握，為后續內容的學習創造了條件。

第二部分以動車組動力轉向架制動系統的網絡控制和基于TCN總線的高速列車輪軸軸溫異常故障應對為例，通過典型的案例教學，將理論知識與實際應用緊密結合。在講授過程中，要注意與第一部分內容的有效銜接，在講述實際工程問題時，注意引述數據通信的基礎知識，在高速列車輪軸軸溫監測原理中，將溫度信號的傳送，分解為基帶信號生成、TCN網關硬件、曼徹斯特編碼等多個基礎知識點，并對這些知識點進行兩次講解，從而令學生對列車總線系統有透徹的認知［2］。在第二部分，還要讓學生進一步掌握列車網絡控制系統的TCN總線的工作要求、車輛總線的設備和數據解析、列車總線的初運行過程等。

為了使授課內容進一步貼合工程應用，通過深入挖掘，將教師團隊科研工作中完成的高速列車120萬千米線路監測的科研案例，作為該課程的背景材料，將科研案例中高鐵軸溫檢測時溫度模擬信號采集及調制融入課程教學的第一部分內容中，以CRH380BL動車組為例，詳細講解列車軸溫監測系統PT100傳感器、Compact?PT100模塊、中央控制單元等組成，清晰闡述模擬信號轉換數字信號的規則及多路復用的基本原理。將科研案例中軸溫信號由Compact?PT100模塊的MVB通信接口電路將溫度數據轉換為MVB總線可識別的信號后，傳輸至中央控制單元（CCU），把不同車的軸溫信號由TCN網關連接至WTB總線的過程融入課程教學的第二部分內容中，通過上述的基于課堂講授的工程案例教學方式，可以提高學生認知的廣度和深度。通過融入科研案例兩部分的教學，學生可以更好地理解列車通信網絡的復雜性和多樣性，提高自身的實踐能力和創新思維能力，培養了學生對問題研究和探討的興趣，為獨立完成課程結業時的列車網絡系統設計大作業打下基礎，也為教學方法改進奠定了基礎。

2?教學方法改進

“列車總線控制基礎”這門課程，傳統的教學方式是在課堂上采用文字、圖片、板書等形式傳授知識，而該課程的后續章節涉及信號調制技術、不同類型總線的拓撲結構等，內容過于抽象，對于初學者來說很難理解，造成學生缺乏積極性。此外，由于列車總線涉及的硬件眾多，并且價格昂貴，使得大多數學校很難購買相關的教具和實驗平臺，導致學生在沒有機會接受實踐教學，這也是阻礙學生掌握和深入理解這門課程知識的重要因素之一。目前，虛擬現實技術已在各行業得到廣泛運用［4］。隨著虛擬現實技術的成熟，其與現代教育的融合呈現出了良好的契機，虛擬現實技術輔助課程教學有著突出的優勢，結合該課程的特點，課程組提出了將虛擬現實軟件系統與HTC?VIVE可穿戴VR體驗設備、基于PLC硬件的半實物展臺融為一體，開發出具有高度沉浸感的教學系統，用于課程教學；該系統打破空間、時間的限制，大到輪對軸承內部，小至車體下面的網絡線路，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察，可以放心地去做各種實驗，構建了逼真的教學情境。與傳統教育模式相比，有了虛擬現實技術的幫助，可以打破沉悶課堂氛圍，讓教學變得豐富和高效，加深學生的學習體驗，營造良好氛圍，同時催化出學生的學習熱情。因此，對現有教學方法進行改革，將虛擬現實技術引入“列車總線控制”課程教學中，建立以教師為主體、本科同學參與的研究開發團隊，將本科同學分成三維建模組和程序設計組，分別學習相關知識，共同設計制作“列車總線控制”的三維模型，設計虛擬現實系統腳本；通過虛擬引擎制作能直觀展示列車總線控制信號與技術的虛擬現實課件，充分利用現代信息技術，開發虛擬車間、虛擬實驗，借助文字動畫等信息手段，化抽象為具體，讓學生在共同設計的過程中對網絡控制技術產生深刻的認知，達到理解知識、掌握知識、發展能力的目的。

所開發的虛擬軟件具有趣性、智能性、交互性的優點，可以進行輔助教學。在實際教學過程中，以高速列車軸溫監測網絡通信原理為重點實踐環節，先通過軸溫加熱器對軸承進行加熱，利用四線制鉑電阻作為前端采集器，西門子PLC與HMI交互完成對溫度的傳送與遠端顯示，接著通過半實物展臺與虛擬系統的實時通信，在虛擬現實系統中演示不同溫度等級的信號在列車TCN網絡中傳遞原理，實現了易于學生理解、沉浸感強的互動教學體驗。教師可以根據教學任務，把制作好的虛擬現實課件進行課堂演示，使原本抽象枯燥的信號和網絡技術以直觀生動的方式呈現給學生，使他們能夠清晰地看到總線控制技術中原本不可見的信號結構、傳輸機理和列車總線控制設備等內容，更好地理解所學內容。學生也可以在筆記本電腦上運行，使學生能夠及時預習與鞏固，更加深刻地理解課程知識。同時，虛擬現實技術還可以解決缺乏實驗教學設備、教學場地不足等問題，增加學生的實踐教學時間，讓他們充分利用自己身體的各種感覺體驗，使得教學過程更加靈活、高效。

3?考核方式的改革

在過去，該課程主要注重理論教學，考核也是以期末試卷考核為主，平時課后作業考查為輔的方式。然而，這一傳統的方式在實踐中導致了一些學生對學習的參與度不高，作業質量也不高，并對學習產生了消極態度，僅僅依賴期末考試的突擊備考來應付考核。因此，為了提升課程的教學效果和評估學生的學習水平，需要對評估方式進行改革，建立一個全面的評價體系，以公平、公正地評估學生的學習水平，實現多元化的學生學習效果的評估。首先，在每次上課前提前發布簽到，統計學生的出勤率和出勤情況［5］，并將其納入總評成績中占5%的權重，以避免學生隨意曠課。此外，課程的平時考核部分占總成績的30%，包括測驗、實訓實驗和作業等，以全面評估學生對課程知識的掌握程度。教師可以在學習通課程平臺發布隨堂測驗和章節測驗，讓學生在課堂結束后進行鞏固，加深學生對課程知識的記憶和理解，提高教學效果。隨堂測驗和章節測驗的成績占總成績的5%。此外，通過虛擬現實技術進行實訓，讓學生進行上機學習，觀看相關演示，并設置題庫進行電腦上機考核，可以更好地幫助學生理解相關知識，掌握數據通信的基本原理、不同局域網的拓撲結構及網絡通信協議；掌握列車網絡控制系統TCN的基本結構和工作要求等核心內容。實訓可以使學生具備運用所學的知識組建一般列車通信網絡的能力，并提高學習興趣，實訓成績占總成績的10%。作業的主要目的在于評估學生是否理解所學相關知識，培養學生的思維能力，鞏固課堂所學知識，讓學生更加重視課程學習，提高學生的自主學習能力，培養良好的學習習慣，所以作業成績占總成績的15%，通過作業的完成情況，教師可以更好地了解學生的綜合能力和素質。最后，學生將在課程學習后進行結業考核，包括組織結業考試和要求學生獨立完成課程結業大作業《如何設計國產高速列車的總線控制系統》報告。結業考試占總成績的55%，結業大作業占總成績的10%。通過大學業任務的完成，學生有機會應用所學的知識解決實際問題，同時對學習內容進行深入總結，這樣的鍛煉將提升學生解決實際問題的能力，為未來的工作和學習打下堅實的基礎。因此，這樣的考核方式可以更加全面地評估學生的學習能力和綜合素質，為學生的成長提供更多的空間和機會。

4?結論

本文針對“列車總線控制基礎”這門課的教學難點，分別對教學內容、教學方法和考核方式三個方面進行了改革探索。教學內容上，對主要內容和架構進行相應的調整；教學方法上，對傳統的教學方法進行改良，采用虛擬現實技術將傳統教學與虛擬現實仿真相結合，擺脫傳統教學方法的枯燥性，實現教育與技術的融合應用；考核方式上建立多元的考核機制，全方面對學生進行評估；整個教學工程中，要始終以學生為主體，提高學生的學習積極性。在今后的教學中，還應不斷總結與思考，進一步提高“列車總線控制”基礎課程的教學質量。

參考文獻：

［1］張彤.新工科背景下列車網絡控制技術課程改革探索［J］.科教導刊，2022（32）：139141.

［2］趙青，蘆旭熠，張逸涵，等.虛擬現實在鐵路安全教育的應用概述［J］.數據與計算發展前沿，2023，5（01）：104114.

［3］孫屹博.軌道交通方向《信號分析與處理》課程教學改革［J］.教育現代化，2019，6（56）：9193.

［4］王絲雨.VR技術在現代環境藝術設計當中的應用［J］.花卉，2019（22）：8687.

［5］彭樂樂，鄭樹彬，鐘倩文，等.城市軌道交通列車網絡控制技術網絡化教學改革與實踐［J］.科教導刊（上旬刊），2020（19）：3940.

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

作者簡介：馬思群（1969—?），男，遼寧大連人，博士，大連交通大學機車車輛工程學院教授，研究方向為復雜產品虛擬現實技術。