轨道交通特色高校“列车总线控制基础”课程改革探索

马思群 杨方涛 聂春戈 孙彦彬 邱广宇 李健

摘 要：作为轨道交通特色高校车辆工程专业的必修课程，“列车总线控制基础”课程授课难度较高，内容抽象不易理解，难于开展相关实训是其主要问题。因此，针对“列车总线控制基础”课程的本科教学进行了改革尝试，分别从教学内容、教学手段和考核方式三个方面入手，调整教学内容、引入虚拟现实技术的教学方式，建立多元的考核机制，提高课堂教学效率和教学质量，使学生对列车总线控制的基本原理及在轨道交通领域的应用有了更为深刻的认知。

关键词：列车总线控制基础；
教学改革；
虚拟现实；
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

我国高速列车经过多年的不断发展，已经取得了非常显著的进步。随着高速列车技术的日新月异，在轨道交通及相关领域，对于高素质专业人才的需求十分迫切。因此，需要不断地加强人才的培养和教育。“列车总线控制基础”是许多轨道特色高校开设的必修课，列车总线及装备常被比作高速列车的神经和大脑，列车总线技术关乎到列车运行的安全，是高速列车九大核心技术之一。列车总线控制技术是一门新兴且不断发展的技术，是轨道交通车辆实现控制的最主要方式，因而也是轨道交通设计制造及运用维护人才必须学习和掌握的重要技术。列车总线控制技术的应用已经非常广泛，高速列车很多系统的运行和控制都离不开列车总线的控制［1］。在铁路行业内，可以通过提高检修运维的专业水平来提高各系统的使用寿命，从而提高列车运行的安全性，因此，从业人员对于列车总线控制技术的研究和掌握非常重要。

然而，我国的铁路运维单位及相关铁路院校面临培训设备老旧、培训方式落后等问题，培训效率低下，同时列车总线控制系统的部分组件需进口，价格昂贵且应用范围较小，仅可应用于铁路行业，铁路运维单位可进行实操演习，但检修时需带电作业，具有一定的风险；
而铁路相关院校通常无法承担搭建实物平台昂贵的费用，只能采用教材与板书等方式对检修维护的方式进行介绍，但列车检修培训受装配件结构复杂、装配难度大等多种问题限制，造成培训效果差、课程枯燥等现象［2］。在这种背景下，为了提高“列车总线控制基础”课程的本科教学质量和水平，需要进一步加强教学方法和教学手段的改革和创新。只有这样，才能更好地培养出优秀的轨道交通技术人才，满足当前轨道交通行业对专业技术人员知识水平提升的需求。

1 教学内容的调整

“列车总线控制基础”是机车车辆工程学院车辆工程专业本科生一门重要专业必修课，它起着承上启下的作用。主要内容包括通信原理与基础、机车车辆的TCN网络技术、CAN总线技术、列车通信网络的实施协议、列车控制网络应用实例等。经过多年教学实践发现，这门课程体系复杂、内容抽象，这就使得学生对这门课程的理解不够深入，无法真正激发学生的学习兴趣和求知欲。针对这种情况，需要对传统的教学内容进行一定的改进和优化，这样才能有效提高教学效果，满足学生的知识需求。

首先对本课程的教学大纲进行调整，通过压缩、删减、新增和整改等方式精选教学内容，对关键知识点进行更为合理的贯穿衔接。紧密跟踪现代轨道交通技术的新理论、新方法和新技术，不断补充和完善本课程内容，使课程体系更加合理、科学，具有先进性［3］。

在教学过程中，对现有课程的内容和架构进行相应的调整。把课程分为两个主要部分：第一部分以数据通信基础为主，主要介绍通信系统的基础知识及硬件组成，包括数据通信的基本原理，不同局域网的拓扑结构及网络通信协议等，授课时把理论知识按照由浅入深的顺序进行讲解，实现了基础知识、硬件、协议的阐述。通过加大学时、细致讲解的方式，完成学生对本门课程基础知识的掌握，为后续内容的学习创造了条件。

第二部分以动车组动力转向架制动系统的网络控制和基于TCN总线的高速列车轮轴轴温异常故障应对为例，通过典型的案例教学，将理论知识与实际应用紧密结合。在讲授过程中，要注意与第一部分内容的有效衔接，在讲述实际工程问题时，注意引述数据通信的基础知识，在高速列车轮轴轴温监测原理中，将温度信号的传送，分解为基带信号生成、TCN网关硬件、曼彻斯特编码等多个基础知识点，并对这些知识点进行两次讲解，从而令学生对列车总线系统有透彻的认知［2］。在第二部分，还要让学生进一步掌握列车网络控制系统的TCN总线的工作要求、车辆总线的设备和数据解析、列车总线的初运行过程等。

为了使授课内容进一步贴合工程应用，通过深入挖掘，将教师团队科研工作中完成的高速列车120万千米线路监测的科研案例，作为该课程的背景材料，将科研案例中高铁轴温检测时温度模拟信号采集及调制融入课程教学的第一部分内容中，以CRH380BL动车组为例，详细讲解列车轴温监测系统PT100传感器、Compact PT100模块、中央控制单元等组成，清晰阐述模拟信号转换数字信号的规则及多路复用的基本原理。将科研案例中轴温信号由Compact PT100模块的MVB通信接口电路将温度数据转换为MVB总线可识别的信号后，传输至中央控制单元（CCU），把不同车的轴温信号由TCN网关连接至WTB总线的过程融入课程教学的第二部分内容中，通过上述的基于课堂讲授的工程案例教学方式，可以提高学生认知的广度和深度。通过融入科研案例两部分的教学，学生可以更好地理解列车通信网络的复杂性和多样性，提高自身的实践能力和创新思维能力，培养了学生对问题研究和探讨的兴趣，为独立完成课程结业时的列车网络系统设计大作业打下基础，也为教学方法改进奠定了基础。

2 教学方法改进

“列车总线控制基础”这门课程，传统的教学方式是在课堂上采用文字、图片、板书等形式传授知识，而该课程的后续章节涉及信号调制技术、不同类型总线的拓扑结构等，内容过于抽象，对于初学者来说很难理解，造成学生缺乏积极性。此外，由于列车总线涉及的硬件众多，并且价格昂贵，使得大多数学校很难购买相关的教具和实验平台，导致学生在没有机会接受实践教学，这也是阻碍学生掌握和深入理解这门课程知识的重要因素之一。目前，虚拟现实技术已在各行业得到广泛运用［4］。随着虚拟现实技术的成熟，其与现代教育的融合呈现出了良好的契机，虚拟现实技术辅助课程教学有着突出的优势，结合该课程的特点，课程组提出了将虚拟现实软件系统与HTC VIVE可穿戴VR体验设备、基于PLC硬件的半实物展台融为一体，开发出具有高度沉浸感的教学系统，用于课程教学；
该系统打破空间、时间的限制，大到轮对轴承内部，小至车体下面的网络线路，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，可以放心地去做各种实验，构建了逼真的教学情境。与传统教育模式相比，有了虚拟现实技术的帮助，可以打破沉闷课堂氛围，让教学变得丰富和高效，加深学生的学习体验，营造良好氛围，同时催化出学生的学习热情。因此，对现有教学方法进行改革，将虚拟现实技术引入“列车总线控制”课程教学中，建立以教师为主体、本科同学参与的研究开发团队，将本科同学分成三维建模组和程序设计组，分别学习相关知识，共同设计制作“列车总线控制”的三维模型，设计虚拟现实系统脚本；
通过虚拟引擎制作能直观展示列车总线控制信号与技术的虚拟现实课件，充分利用现代信息技术，开发虚拟车间、虚拟实验，借助文字动画等信息手段，化抽象为具体，让学生在共同设计的过程中对网络控制技术产生深刻的认知，达到理解知识、掌握知识、发展能力的目的。

所开发的虚拟软件具有趣性、智能性、交互性的优点，可以进行辅助教学。在实际教学过程中，以高速列车轴温监测网络通信原理为重点实践环节，先通过轴温加热器对轴承进行加热，利用四线制铂电阻作为前端采集器，西门子PLC与HMI交互完成对温度的传送与远端显示，接着通过半实物展台与虚拟系统的实时通信，在虚拟现实系统中演示不同温度等级的信号在列车TCN网络中传递原理，实现了易于学生理解、沉浸感强的互动教学体验。教师可以根据教学任务，把制作好的虚拟现实课件进行课堂演示，使原本抽象枯燥的信号和网络技术以直观生动的方式呈现给学生，使他们能够清晰地看到总线控制技术中原本不可见的信号结构、传输机理和列车总线控制设备等内容，更好地理解所学内容。学生也可以在笔记本电脑上运行，使学生能够及时预习与巩固，更加深刻地理解课程知识。同时，虚拟现实技术还可以解决缺乏实验教学设备、教学场地不足等问题，增加学生的实践教学时间，让他们充分利用自己身体的各种感觉体验，使得教学过程更加灵活、高效。

3 考核方式的改革

在过去，该课程主要注重理论教学，考核也是以期末试卷考核为主，平时课后作业考查为辅的方式。然而，这一传统的方式在实践中导致了一些学生对学习的参与度不高，作业质量也不高，并对学习产生了消极态度，仅仅依赖期末考试的突击备考来应付考核。因此，为了提升课程的教学效果和评估学生的学习水平，需要对评估方式进行改革，建立一个全面的评价体系，以公平、公正地评估学生的学习水平，实现多元化的学生学习效果的评估。首先，在每次上课前提前发布签到，统计学生的出勤率和出勤情况［5］，并将其纳入总评成绩中占5%的权重，以避免学生随意旷课。此外，课程的平时考核部分占总成绩的30%，包括测验、实训实验和作业等，以全面评估学生对课程知识的掌握程度。教师可以在学习通课程平台发布随堂测验和章节测验，让学生在课堂结束后进行巩固，加深学生对课程知识的记忆和理解，提高教学效果。随堂测验和章节测验的成绩占总成绩的5%。此外，通过虚拟现实技术进行实训，让学生进行上机学习，观看相关演示，并设置题库进行电脑上机考核，可以更好地帮助学生理解相关知识，掌握数据通信的基本原理、不同局域网的拓扑结构及网络通信协议；
掌握列车网络控制系统TCN的基本结构和工作要求等核心内容。实训可以使学生具备运用所学的知识组建一般列车通信网络的能力，并提高学习兴趣，实训成绩占总成绩的10%。作业的主要目的在于评估学生是否理解所学相关知识，培养学生的思维能力，巩固课堂所学知识，让学生更加重视课程学习，提高学生的自主学习能力，培养良好的学习习惯，所以作业成绩占总成绩的15%，通过作业的完成情况，教师可以更好地了解学生的综合能力和素质。最后，学生将在课程学习后进行结业考核，包括组织结业考试和要求学生独立完成课程结业大作业《如何设计国产高速列车的总线控制系统》报告。结业考试占总成绩的55%，结业大作业占总成绩的10%。通过大学业任务的完成，学生有机会应用所学的知识解决实际问题，同时对学习内容进行深入总结，这样的锻炼将提升学生解决实际问题的能力，为未来的工作和学习打下坚实的基础。因此，这样的考核方式可以更加全面地评估学生的学习能力和综合素质，为学生的成长提供更多的空间和机会。

4 结论

本文针对“列车总线控制基础”这门课的教学难点，分别对教学内容、教学方法和考核方式三个方面进行了改革探索。教学内容上，对主要内容和架构进行相应的调整；
教学方法上，对传统的教学方法进行改良，采用虚拟现实技术将传统教学与虚拟现实仿真相结合，摆脱传统教学方法的枯燥性，实现教育与技术的融合应用；
考核方式上建立多元的考核机制，全方面对学生进行评估；
整个教学工程中，要始终以学生为主体，提高学生的学习积极性。在今后的教学中，还应不断总结与思考，进一步提高“列车总线控制”基础课程的教学质量。

参考文献：

［1］张彤.新工科背景下列车网络控制技术课程改革探索［J］.科教导刊，2022（32）：139141.

［2］赵青，芦旭熠，张逸涵，等.虚拟现实在铁路安全教育的应用概述［J］.数据与计算发展前沿，2023，5（01）：104114.

［3］孙屹博.轨道交通方向《信号分析与处理》课程教学改革［J］.教育现代化，2019，6（56）：9193.

［4］王丝雨.VR技术在现代环境艺术设计当中的应用［J］.花卉，2019（22）：8687.

［5］彭乐乐，郑树彬，钟倩文，等.城市轨道交通列车网络控制技术网络化教学改革与实践［J］.科教导刊（上旬刊），2020（19）：3940.

基金项目：2022年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目（10150312）；
辽宁省交通运输厅交通科技计划项目（202151）

作者简介：马思群（1969— ），男，辽宁大连人，博士，大连交通大学机车车辆工程学院教授，研究方向为复杂产品虚拟现实技术。

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