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)實訓(xùn)是其主要問題。因此，針對“列車總線控制基礎(chǔ)”課程的本科教學(xué)進行了改革嘗試，分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和考核方式三個方面入手，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)方式，建立多元的考核機制，提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生對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知。

關(guān)鍵詞：列車總線控制基礎(chǔ)；教學(xué)改革；虛擬現(xiàn)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(jīng)過多年的不斷發(fā)展，已經(jīng)取得了非常顯著的進步。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)，是軌道交通車輛實現(xiàn)控制的最主要方式，因而也是軌道交通設(shè)計制造及運用維護人才必須學(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，從而提高列車運行的安全性，因此，從業(yè)人員對于列車總線控制技術(shù)的研究和掌握非常重要。

然而，我國的鐵路運維單位及相關(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，同時列車總線控制系統(tǒng)的部分組件需進口，價格昂貴且應(yīng)用范圍較小，僅可應(yīng)用于鐵路行業(yè)，鐵路運維單位可進行實操演習(xí)，但檢修時需帶電作業(yè)，具有一定的風(fēng)險；而鐵路相關(guān)院校通常無法承擔(dān)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(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，需要進一步加強教學(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)對專業(yè)技術(shù)人員知識水平提升的需求。

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)的實施協(xié)議、列車控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實例等。經(jīng)過多年教學(xué)實踐發(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。針對這種情況，需要對傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容進行一定的改進和優(yōu)化，這樣才能有效提高教學(xué)效果，滿足學(xué)生的知識需求。

首先對本課程的教學(xué)大綱進行調(diào)整，通過壓縮、刪減、新增和整改等方式精選教學(xué)內(nèi)容，對關(guān)鍵知識點進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)，具有先進性［3］。

在教學(xué)過程中，對現(xiàn)有課程的內(nèi)容和架構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整。把課程分為兩個主要部分：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)的拓撲結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)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(xiàn)了基礎(chǔ)知識、硬件、協(xié)議的闡述。通過加大學(xué)時、細致講解的方式，完成學(xué)生對本門課程基礎(chǔ)知識的掌握，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。

第二部分以動車組動力轉(zhuǎn)向架制動系統(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)對為例，通過典型的案例教學(xué)，將理論知識與實際應(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，在講述實際工程問題時，注意引述數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識，在高速列車輪軸軸溫監(jiān)測原理中，將溫度信號的傳送，分解為基帶信號生成、TCN網(wǎng)關(guān)硬件、曼徹斯特編碼等多個基礎(chǔ)知識點，并對這些知識點進行兩次講解，從而令學(xué)生對列車總線系統(tǒng)有透徹的認知［2］。在第二部分，還要讓學(xué)生進一步掌握列車網(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、列車總線的初運行過程等。

為了使授課內(nèi)容進一步貼合工程應(yīng)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(jiān)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(diào)制融入課程教學(xué)的第一部分內(nèi)容中，以CRH380BL動車組為例，詳細講解列車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)PT100傳感器、Compact?PT100模塊、中央控制單元等組成，清晰闡述模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號的規(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(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，提高自身的實踐能力和創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生對問題研究和探討的興趣，為獨立完成課程結(jié)業(yè)時的列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計大作業(yè)打下基礎(chǔ)，也為教學(xué)方法改進奠定了基礎(chǔ)。

2?教學(xué)方法改進

“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，而該課程的后續(xù)章節(jié)涉及信號調(diào)制技術(shù)、不同類型總線的拓撲結(jié)構(gòu)等，內(nèi)容過于抽象，對于初學(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，并且價格昂貴，使得大多數(shù)學(xué)校很難購買相關(guān)的教具和實驗平臺，導(dǎo)致學(xué)生在沒有機會接受實踐教學(xué)，這也是阻礙學(xué)生掌握和深入理解這門課程知識的重要因素之一。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在各行業(yè)得到廣泛運用［4］。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，其與現(xiàn)代教育的融合呈現(xiàn)出了良好的契機，虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助課程教學(xué)有著突出的優(yōu)勢，結(jié)合該課程的特點，課程組提出了將虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)與HTC?VIVE可穿戴VR體驗設(shè)備、基于PLC硬件的半實物展臺融為一體，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、時間的限制，大到輪對軸承內(nèi)部，小至車體下面的網(wǎng)絡(luò)線路，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察，可以放心地去做各種實驗，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，營造良好氛圍，同時催化出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，對現(xiàn)有教學(xué)方法進行改革，將虛擬現(xiàn)實技術(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)團隊，將本科同學(xué)分成三維建模組和程序設(shè)計組，分別學(xué)習(xí)相關(guān)知識，共同設(shè)計制作“列車總線控制”的三維模型，設(shè)計虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)腳本；通過虛擬引擎制作能直觀展示列車總線控制信號與技術(shù)的虛擬現(xiàn)實課件，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)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(xué)生在共同設(shè)計的過程中對網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)產(chǎn)生深刻的認知，達到理解知識、掌握知識、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，可以進行輔助教學(xué)。在實際教學(xué)過程中，以高速列車軸溫監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信原理為重點實踐環(huán)節(jié)，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(tǒng)的實時通信，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中演示不同溫度等級的信號在列車TCN網(wǎng)絡(luò)中傳遞原理，實現(xiàn)了易于學(xué)生理解、沉浸感強的互動教學(xué)體驗。教師可以根據(jù)教學(xué)任務(wù)，把制作好的虛擬現(xiàn)實課件進行課堂演示，使原本抽象枯燥的信號和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以直觀生動的方式呈現(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結(jié)構(gòu)、傳輸機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行，使學(xué)生能夠及時預(yù)習(xí)與鞏固，更加深刻地理解課程知識。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以解決缺乏實驗教學(xué)設(shè)備、教學(xué)場地不足等問題，增加學(xué)生的實踐教學(xué)時間，讓他們充分利用自己身體的各種感覺體驗，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，平時課后作業(yè)考查為輔的方式。然而，這一傳統(tǒng)的方式在實踐中導(dǎo)致了一些學(xué)生對學(xué)習(xí)的參與度不高，作業(yè)質(zhì)量也不高，并對學(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)效果和評估學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)生的學(xué)習(xí)水平，實現(xiàn)多元化的學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評估。首先，在每次上課前提前發(fā)布簽到，統(tǒng)計學(xué)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(quán)重，以避免學(xué)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(xùn)實驗和作業(yè)等，以全面評估學(xué)生對課程知識的掌握程度。教師可以在學(xué)習(xí)通課程平臺發(fā)布隨堂測驗和章節(jié)測驗，讓學(xué)生在課堂結(jié)束后進行鞏固，加深學(xué)生對課程知識的記憶和理解，提高教學(xué)效果。隨堂測驗和章節(jié)測驗的成績占總成績的5%。此外，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行實訓(xùn)，讓學(xué)生進行上機學(xué)習(xí)，觀看相關(guān)演示，并設(shè)置題庫進行電腦上機考核，可以更好地幫助學(xué)生理解相關(guān)知識，掌握數(shù)據(jù)通信的基本原理、不同局域網(wǎng)的拓撲結(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。實訓(xùn)可以使學(xué)生具備運用所學(xué)的知識組建一般列車通信網(wǎng)絡(luò)的能力，并提高學(xué)習(xí)興趣，實訓(xùn)成績占總成績的10%。作業(yè)的主要目的在于評估學(xué)生是否理解所學(xué)相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，鞏固課堂所學(xué)知識，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)成績占總成績的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)后進行結(jié)業(yè)考核，包括組織結(jié)業(yè)考試和要求學(xué)生獨立完成課程結(jié)業(yè)大作業(yè)《如何設(shè)計國產(chǎn)高速列車的總線控制系統(tǒng)》報告。結(jié)業(yè)考試占總成績的55%，結(jié)業(yè)大作業(yè)占總成績的10%。通過大學(xué)業(yè)任務(wù)的完成，學(xué)生有機會應(yīng)用所學(xué)的知識解決實際問題，同時對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行深入總結(jié)，這樣的鍛煉將提升學(xué)生解決實際問題的能力，為未來的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。因此，這樣的考核方式可以更加全面地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)，為學(xué)生的成長提供更多的空間和機會。

4?結(jié)論

本文針對“列車總線控制基礎(chǔ)”這門課的教學(xué)難點，分別對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式三個方面進行了改革探索。教學(xué)內(nèi)容上，對主要內(nèi)容和架構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整；教學(xué)方法上，對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進行改良，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬現(xiàn)實仿真相結(jié)合，擺脫傳統(tǒng)教學(xué)方法的枯燥性，實現(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制，全方面對學(xué)生進行評估；整個教學(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，進一步提高“列車總線控制”基礎(chǔ)課程的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

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基金項目：2022年度遼寧省普通高等教育本科教學(xué)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(xué)機車車輛工程學(xué)院教授，研究方向為復(fù)雜產(chǎn)品虛擬現(xiàn)實技術(shù)。