新工科背景下列车网络控制技术课程改革探索

张彤

（大连交通大学机车车辆工程学院 辽宁 大连 116028）

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[1]。新工科人才培养目标是培养学生的设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终生学习、沟通协调能力和工程领导力[2]。

新工科涵盖的专业类别较宽泛，其中存在大量新兴交叉复合型学科专业。新工科专业建设内涵的提升是要进一步满足产业持续发展对人才提出的新要求。高速铁路是我国的重要交通工具，关系着国家的经济命脉。经过多年的发展，我国已跻身自主研发高速列车强国行列。高速列车运行速度的越来越快，相关技术也日新月异，对轨道交通及相关领域高素质专业人才的需求越来越高，同时也对高校人才培养的标准提出了更高的要求。列车网络控制技术适用专业较广，很多轨道特色高校的复合型专业都开设了该门课程，它是新工科在培养轨道交通设备及相关领域的设计开发、检测控制、运用维护等相关工作人才的一门重要课程。

作为高速铁路九大核心技术之一，列车通信网络是列车运行的大脑，也是实现列车控制的必要手段；列车网络控制技术是轨道交通运营人才必须要学习和掌握的重要技术，也是轨道交通相关专业的核心课程。列车网络控制技术是一门新兴的、与时俱进的技术，是轨道交通车辆实现控制的最重要方式，大部分子设备的运行和控制都离不开网络。通信协议、原理和实现方式是列车网络技术的核心内容。列车的安全可靠运行、列车或车辆的互联互通互操作都离不开网络的支撑。可见，该门课程对于轨道交通专业人才培养的重要性。有必要进一步提高列车网络控制技术课程的本科教学质量和水平。

1 列车网络控制技术的教学特点

作为专业核心课程，列车网络控制技术是一门具有很强应用性和实践性的课程，在专业人才培养计划中具有举足轻重的地位。该课程在不同专业的侧重点有所不同，但教学内容大都特别抽象，纯理论的教学内容难以与看不见摸不到的通信技术有效融合。有的同学开始的时候还能学懂，随着难度加大，遇到难以理解的问题，就会做逃兵甚至放弃。同时，由于设备资源的限制，本课程开设的实验学时不够充足，学完相关知识点的同学，也未必能理解通信系统的实际工作原理，更不用说利用组态软件实现开发了，与实现理想的课程目标和毕业目标相距甚远。可见，为适应新工科培养多元化、创新型卓越工程人才的新要求[3-4]，必须对列车网络控制技术课程进行一系列的改革、研究和探索，构建轨道交通网络控制技术课程的教学新体系。

目前，由于列车网络通信设备集成程度高且价格昂贵，该领域的应用技术人员主要分布在机车制造企业中，高校内掌握相关理论和技术的一线教师较少，开设该课程学校也不多，可选用的教材也较为有限。这种资源短缺的情况，无疑对授课老师提出更高的要求。授课老师不仅需要具有双师资质，还必须具备扎实的科研背景和丰富的项目实践经验。同时，列车网络控制技术中的子设备品类繁多，硬件拓扑连接复杂，组态软件独特且不易掌握，这些都是授课和实践教学中较难解决的重要问题。在新工科理念的引领下，列车网络控制技术的教学改革有了清晰的方向，明确的目标和具体的要求。对列车网络控制技术教学进行改革，其内容主要包括以下三部分：课程内容体系结构改革、教学方法改革、考核方式改革。

2 改革课程内容

教学内容的合理安排是提高学生学习质量的必要条件。为了满足新工科多元化人才的培养目标，必须改革现有的课程内容体系。将教学内容适当调整并模块化，不同模块培养学生不同的能力。更有助于学生对抽象内容的理解和消化，提升思维能力和相关技能。

列车网络控制技术课程具有鲜明的轨道交通特色，是交通设备与控制工程专业、测控技术与仪器等专业的重要课程。对于轨道交通设备及其相关领域具有创新意识、实践能力强的应用型人才的培养具有重要的支撑作用。该门课程教学内容较为丰富，涉及列车通信网络功能和特点，列车通信网络的硬件构架和网络拓扑等内容。讲授列车通信网络的过程数据和消息数据的实时协议，并根据过程数据、消息数据的不同传输机理，分析不同网络情况下的报文传输情况；讨论绞线式列车总线初运行的实现过程以及介质附件单元的工作特点。上述理论是目前主流列车通信网络，未来以太网的设计和应用也以此为架构，因此列车网络控制技术的前沿性内容在改革后的教学内容中均有反映，这体现了教学实践与时俱进的特点。

新工科特别注重学生实践能力以及创新思维能力的培养。对多个企业调研分析后，我们对现有课程的内容与架构实施调整。课程体系分为两个模块，模块一以通信基础理论为主，包括实体部分和协议部分。实体部分主要指通信系统的硬件组成，协议部分是双方为通信达成的一致性协约，从底层物理层开始一直到顶层应用层，定义列车通信的整体框架。从实体过渡至协议就是抽象化的过程，是学生形象思维和理解能力的培养过程。模块二以CRH3车型为例，构架列车通信网络系统，基于现场总线的设计理念，扎根于绞线式列车总线和多功能车辆总线，以功能设计的方式逐步深入，培养学生的实践和创新设计能力。该模块又可分为几个子模块：实时协议中不同种类数据的通信原理、车辆总线的设备和数据解析、列车总线的初运行过程。

3 启发式教—学互动的教学方法

结合思政教育，新工科在培养学生工程思维和创新思维的基础上，提升学生的学习能力、沟通协作能力以及创新实践能力。如果单纯地以教师为中心，在课堂上采取单一的灌输式教学，是难以实现上述目标的。必须将教学转变为双向互动的模式，让学生更大程度的融入课堂，逐步成为课堂的主人，打造真正的师生活跃的高效课堂。

启发式教—学，讲练互动，主要应用于通信基本理论知识的教学内容中。根据学生的专注时间，每小节课由两部分组成，一部分是老师进行理论内容的讲解，主要采用启发式教—学，引导学生积极思考，潜心探索；第二部分对学生思维进行训练，引导学生采用正确的方式思考难点问题，真正提高在课堂上的学习效率。为了增强学生的学习兴趣，尽量采用启发、提问、讨论、工程举例、课堂练习的教学方法。课前进行具体设计，课上先提出让大家感兴趣的实际问题，然后让学生讨论可能出现问题的原因，再利用工具、设计方案，最后解决问题。以车辆总线数据解析为例，首先，启发性地提出问题“如果执行器如牵引制动系统无故障，但是不能实现正常的功能，那究竟是谁的问题呢，是网络传输问题、软件配置问题还是线路干扰问题等？”；然后，就采用示波器或网络分析仪获取总线上的数据进行讨论；最后，得出结论——必须要掌握车辆总线的数据格式才能解析出数据传输是否出现问题。这样看来，问题不难解决，但是在实际应用的时候学生无法理解软硬件的配合过程。授课教师将科研成果进行转化，紧密结合授课内容，在实验平台上录制某种特定功能具体实现过程的视频进行辅助讲解，增强学生对应用的理解和创新能力。

引领研讨式互动，主要应用于实时协议理论部分的授课。课前布置专项作业，学生查阅文献做好充分调研，分析出过程数据和消息数据在各个设备中的路由传输过程，绘出过程图。学生分组讨论、学习、分析，可以将知识学习变成能力培养。车辆总线、列车总线和CRH3网络，涉及网络工程应用方面的知识，通过学习可以让学生学会利用硬件和软件设计一个复杂列车网络通信系统，训练学生的实践能力以及解决问题能力。课上以精训为主引领学生建立网络设计思维让学生体会网络的整个设计过程，践行在实践中成长的教学理念[5]。

4 过程考核的多元化评价体制

该门课程之前一直以理论教授为主，评价方式也将期末闭卷考试作为主要的方式。这就会导致有一部分学生平时不重视学习，出现课堂不听讲、作业抄袭、甚至厌学的现象。仅凭期末的突击、硬背，在课程结束后，学生不仅不能掌握列车通信网络的基本理论，对于难点无法理解，甚至连列车通信网络的基本概念和通信拓扑都搞不清楚，根本无法达到理想的教学效果。改革后，过程考核评价不仅仅体现在课堂上，而是始终贯穿于整个课程教学阶段的课内外。课程成绩不再只依据一张试卷完成考核，而是更注重过程和结果双重考量，将考核分散在教学过程的各个环节中才能更好地体现新工科综合能力提升的培养目标要求。其中，平时部分成绩占总成绩的40%，包括作业、测验、实验和文献综述。作业和测验主要考察的是学生对所学知识点的掌握程度，对网络通信理论的理解程度，对实际应用的可操作程度。建立试题库，知识讲授完后，利用“学习通”随堂测试，促进重要知识点全面、快速、有效地吸收，为后面课程的学习打下坚实基础。由于所需设备种类较多，且设备数量有限，该门课程设置了四个学时的实验课，包括车辆总线物理层通信介质与报文分析、过程数据通信实现两个实验。文献综述是让学生选择某一CRH车型或者一种总线，通过查阅文献的方法，了解该总线的功能、发展和现状，其中有一些相关通信标准，可以进一步提升学生的信息获取能力，并了解轨道交通设备设计、控制与维护领域的国际动态。未来，课程还会进一步促进过程考核的全面、深入实施，加大平时成绩所占比例，注重新工科人才能力培养的实施和完善。

近几年虽然受新冠疫情的影响，但上述改革方法仍然得到了很好的实践效果。授课老师建立完善的线上资源体系，设计了课前、课中、课后立体化的学习模式。新的教学内容体系突出模块化特点，学生可以根据各个模块的逻辑关系形成不同的设计思维模式，增强对网络理论体系的理解。启发式教—学互动成为线上授课的重要方式，高频率的互动反哺教学设计，启发式的教—学激发了学生的学习热情。学生无法到实验室做实验，老师可以通过仿真平台将实验过程进行拆解，结合硬件视频和操作，深入讲解通信实现过程。

5 结语

本文根据列车网络控制技术课程的特点，按照新工科人才培养模式的要求，分别从三个方面提出了几点教学改革的建议。教学内容上，为更好地体现列车通信网络的前沿技术，改进目前的教学体系并模块化；授课方式上，更多地采用教—学互动模式，通过启发、案例教学等方法进一步增强学生的学习兴趣，提升学生思维能力；课程评价方式上，完善学生学习过程的考核机制，对学生进行综合能力的评价。在教学过程中，应时刻注意以学生为导向，克服列车网络控制技术授课的各种困难，形成新工科列车网络控制技术课程新体系，为培养轨道交通类新工科复合型和创新型人才做出新探索。