張 春 劉 峰 張 寧 李紅輝 張駿溫

摘要：針對鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程中學(xué)生對鐵路信息技術(shù)缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識、實踐動手能力不足的問題，提出依托鐵路信息技術(shù)實驗平臺，構(gòu)建鐵路運輸安全監(jiān)控典型應(yīng)用半實物教學(xué)環(huán)境，將科研項目作為驅(qū)動載體進(jìn)行課程教學(xué)案例建設(shè)。

關(guān)鍵詞：項目驅(qū)動；信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用；教學(xué)案例建設(shè)

1 背景

縱觀我國高等教育發(fā)展趨勢，如何將課程基本內(nèi)容與技術(shù)最新發(fā)展相結(jié)合是每所高校亟須解決的一個問題。課程教學(xué)是大學(xué)生培養(yǎng)的最主要途徑。目前的課堂教學(xué)模式是基于大眾教育，以講授為主，在一定程度上忽略了學(xué)生的獨立思考能力，不利于大學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。只有將科研訓(xùn)練融人課程教學(xué)過程中，做到寓教于創(chuàng)新，將教師的科研工作與教學(xué)工作充分融合，才能使大學(xué)生在課堂和課程學(xué)習(xí)過程中得到科研創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

目前，很多大學(xué)在信息技術(shù)教學(xué)平臺建設(shè)中注重教學(xué)與實踐結(jié)合、理論與實驗結(jié)合，將過去傳統(tǒng)的以教學(xué)為主的教學(xué)體系轉(zhuǎn)變?yōu)橹R與實踐并重的教學(xué)方式。在實驗教學(xué)中，倡導(dǎo)“精講多練”的教學(xué)模式。

鐵路信息系統(tǒng)與集成這門課程旨在以技術(shù)與工程的手段，研究鐵路信息系統(tǒng)集成建設(shè)中的有關(guān)問題，是信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和交通運輸技術(shù)的交叉學(xué)科。目前我們依托鐵路信息技術(shù)專業(yè)“卓越工程師培養(yǎng)計劃”良好的基礎(chǔ)，圍繞高速鐵路發(fā)展的重大需求，緊密追蹤軌道交通前沿理論，加快鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程的建設(shè)。當(dāng)前高校的軟硬件環(huán)境僅靠一些試驗箱、接口或單個技術(shù)模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到課程建設(shè)的要求，往往課程結(jié)束后，學(xué)生未必能真正掌握信息系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，很難從需求分析、設(shè)計、研發(fā)、調(diào)試等環(huán)節(jié)，對發(fā)展迅速的鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行整體把握。課程考核盡管包括理淪與實踐，但實踐環(huán)節(jié)考核難以準(zhǔn)確評估，因為鐵路信息技術(shù)行業(yè)的模擬實驗需要專業(yè)軟硬件來模擬現(xiàn)場。因此，建設(shè)和完善鐵路信息技術(shù)實驗?zāi)M環(huán)境是目前實現(xiàn)教學(xué)案例建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

2 課程建設(shè)目標(biāo)

課程建設(shè)的目標(biāo)是實現(xiàn)課程基本內(nèi)容與技術(shù)最新發(fā)展相結(jié)合。具體講，以北京交通大學(xué)校訓(xùn)“知行”為目標(biāo)，倡導(dǎo)知行合一，知行并進(jìn)，以科研項目驅(qū)動為載體，將科研理念和科研方法融入實驗教學(xué)活動。這樣學(xué)生既能學(xué)習(xí)到鐵路信息技術(shù)領(lǐng)域中信息的采集、傳輸和處理以及數(shù)據(jù)挖掘和系統(tǒng)集成等方面的知識，又能利用各類平臺資源實踐所學(xué)的知識和技能，從而激發(fā)自身的科研興趣，培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的綜合實踐能力，并能夠深刻地了解社會需求，將專業(yè)理論應(yīng)用于實踐。課程建設(shè)具體有以下4項措施：

（1）依托鐵路信息技術(shù)實驗教學(xué)平臺，構(gòu)建鐵路運輸安全監(jiān)控典型應(yīng)用半實物教學(xué)仿真環(huán)境。利用863項目等一些在鐵路信息技術(shù)領(lǐng)域有影響的典型信息系統(tǒng)，搭建以“科研項目為驅(qū)動”的綜合實踐教學(xué)平臺，將課堂教學(xué)移到實驗室，通過實踐使學(xué)生理解鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)知識。

（2）將基礎(chǔ)理論知識和方法與鐵路信息系統(tǒng)集成與應(yīng)用實際系統(tǒng)相結(jié)合，讓學(xué)生深入理解并掌握課程內(nèi)容，通過實際項目（課題）學(xué)理論、做實驗，在半實物仿真系統(tǒng)中進(jìn)行實驗驗證，并將智能信息處理等計算機最新技術(shù)融入到教學(xué)實驗中，在實驗過程中加深學(xué)生對于理論知識的理解和掌握。

（3）實踐項目的設(shè)計和選取注意從簡單到復(fù)雜、從單一性到綜合性項目逐步遞進(jìn)，支撐大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目、科技興趣小組等各種創(chuàng)新實踐活動，引導(dǎo)學(xué)生開闊視野。

（4）通過課堂授課和實驗操作，逐漸遞增訓(xùn)練內(nèi)容，要求學(xué)生完成項目的設(shè)計與實現(xiàn)。從需求分析、文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計、實現(xiàn)、總結(jié)等方面組織學(xué)生獨立開展工作，在工作中培養(yǎng)分析解決問題能力、創(chuàng)新意識、團結(jié)協(xié)作和組織實施能力。

3 課程建設(shè)內(nèi)容

為了使學(xué)生能夠深刻認(rèn)識社會需求、提高自身創(chuàng)新能力，課程建設(shè)采用科研項目驅(qū)動的方式，依托動車組安全監(jiān)控半實物仿真系統(tǒng)，開展動車組知識管理演示、動車組在線監(jiān)測系統(tǒng)仿真、危險貨物運輸安全監(jiān)測仿真系統(tǒng)等試驗，并支撐學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目、科技興趣小組等各種創(chuàng)新實踐活動。這種以科研項目驅(qū)動教學(xué)的形式，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科研素質(zhì)和動手能力，還提前讓他們體驗了真實的科研環(huán)境，有利于選拔出一批有潛力的科研工作者。

3.1 動車組安全監(jiān)控半實物仿真平臺概述

鐵路信息技術(shù)的發(fā)展始終圍繞著鐵路運輸主業(yè)務(wù)（客運、貨運等）的安全、高效的需求進(jìn)行。我們根據(jù)鐵路信息技術(shù)的發(fā)展需要和人才需求，對課題組承擔(dān)的科研項目進(jìn)行歸納和總結(jié)，將先進(jìn)技術(shù)含量高且適合本科生學(xué)習(xí)的內(nèi)容整理后，融合到平臺中，使學(xué)生得到更貼近實際的問題解決能力訓(xùn)練。平臺建設(shè)重點包括以下兩個方面：

（1）以鐵路動車組為對象，構(gòu)建在線運行檢測、故障監(jiān)測等仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鐵路動車組運行狀態(tài)和故障等的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，使維修部門能夠及時掌握在途動車組部件的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，從而預(yù)測動車組部件的使用壽命。系統(tǒng)支持預(yù)先制定或調(diào)整檢修計劃，以便及時排除故障，消除事故隱患。同時，也可為制造廠提供對故障信息的分析結(jié)果，以便于設(shè)計與制造部門修改設(shè)計，改進(jìn)制造手段和工藝，提高新設(shè)備的質(zhì)量。

（2）以鐵路危險品和防災(zāi)監(jiān)控為對象，構(gòu)建在途安全監(jiān)測和防災(zāi)監(jiān)測和聯(lián)動仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鐵路貨物運輸?shù)脑谕景踩珷顟B(tài)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程傳輸，包括對在途貨物的安全狀態(tài)、車輛的安全狀態(tài)及環(huán)境的安全狀態(tài)的實時檢測。當(dāng)發(fā)生報警時，按預(yù)先規(guī)定的流程，通過聲光系統(tǒng)或視頻自動切換，提醒和協(xié)助值班人員及時了解現(xiàn)場危險情況，排除險情。

平臺提供了一個半實物仿真和驗證環(huán)境，可以支持學(xué)生自主設(shè)計、試驗和調(diào)試，并在其中發(fā)現(xiàn)問題，相互協(xié)作解決問題，從而提供學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

3.2 平臺支撐的試驗

動車組安全監(jiān)控半實物仿真平臺支撐多個試驗，包括動車組知識管理演示系統(tǒng)、動車組在線監(jiān)測仿真系統(tǒng)、危險貨物運輸安全監(jiān)測仿真系統(tǒng)、鐵路防災(zāi)監(jiān)控半實物仿真系統(tǒng)等。通過這些實驗，學(xué)生可以更加直觀地了解到動車組監(jiān)控和鐵路貨物運輸?shù)南嚓P(guān)知識。

3.2.1 動車組知識管理演示系統(tǒng)

該實驗是以課題“動車組故障知識庫應(yīng)用管理系統(tǒng)”為背景，將課題的部分研究成果進(jìn)行提煉和整理，可以向?qū)W生演示面向工程應(yīng)用的知識管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、主要功能和工作原理。

演示系統(tǒng)主要包含六大功能，分別為列車列表信息、故障知識更新、故障知識檢索、故障預(yù)警及預(yù)測、故障統(tǒng)計分析以及遠(yuǎn)程技術(shù)支持。各主要功能又包含許多子功能，如知識更新功能包括知識自學(xué)習(xí)、專家審核提交和知識刪除等。該實驗使學(xué)生對知識管理系統(tǒng)有一個直觀的了解，對所學(xué)的相關(guān)知識有更深刻的理解。

3.2.2 動車組在線監(jiān)測仿真系統(tǒng)

該仿真系統(tǒng)以科研項目為基礎(chǔ)，從動車組安全監(jiān)控的需要以及鐵路信息技術(shù)專門人才需求出發(fā)，設(shè)計了動車組運行信息、故障信息等的實時采集，無線通信和動車組車載信息處理、可視化展示等實驗環(huán)境。

系統(tǒng)的主要功能有：基于GIS和GPS對列乍進(jìn)行跟蹤，查看實時故障數(shù)據(jù)的動車組在線狀態(tài)監(jiān)測功能；針對故障履歷、行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、累計電力數(shù)據(jù)、累計空轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等動車組數(shù)據(jù)的查詢功能；可對主故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并可利用MON畫面顯示故障統(tǒng)計分析的動車組故障處理與統(tǒng)計功能。通過該仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以了解到動車組在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理與內(nèi)容，從而具備了從需求分析到采集、通信和數(shù)據(jù)處理各項關(guān)鍵技術(shù)的研究、開發(fā)和驗證條件。

3.2.3 危險貨物運輸安全監(jiān)測仿真系統(tǒng)

該仿真系統(tǒng)的功能需求來源于一個863課題，旨在建立信息采集、無線傳輸和監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、可視化展現(xiàn)等實驗環(huán)境，提供在線監(jiān)測電子地圖、在線危險品列表、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護與管理等功能，使學(xué)生可以根據(jù)自己的需求調(diào)研和分析，自主完成一些算法的實現(xiàn)和測試。

3.2.4 鐵路防災(zāi)監(jiān)控半實物仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用沙盤設(shè)計并構(gòu)建了鐵路防災(zāi)監(jiān)控仿真系統(tǒng)，采用無線傳感網(wǎng)技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對落石和崩塌現(xiàn)象的躲測，將監(jiān)測信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心，同時該監(jiān)測信息可以觸發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)打開攝像頭，并指向災(zāi)害發(fā)生地點。監(jiān)控中心系統(tǒng)接到報警信息后向有關(guān)人員發(fā)出災(zāi)害報警信息，并將現(xiàn)場畫面顯示在特定的屏幕上，使監(jiān)控指揮人員能夠以最快速度了解到現(xiàn)場的災(zāi)害情況，從而根據(jù)災(zāi)情嚴(yán)重程度及時采取合理有效的措施，避免因災(zāi)害引發(fā)鐵路運輸事故。

通過該系統(tǒng)，學(xué)生利用已學(xué)過的知識及新興技術(shù)從傳感網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測信息傳輸、報警聯(lián)動等方面進(jìn)行研究。系統(tǒng)可以直觀地反映學(xué)生研究的成果。

3.3 創(chuàng)新實踐活動

在科研項目基礎(chǔ)之上，本課程教師指導(dǎo)學(xué)生參加了名為“高速動車組故障知識庫遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)”的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目。基于該項目建立的動車組故障知識庫實現(xiàn)了動車組故障知識共享。動車組故障數(shù)據(jù)模型采用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)獲取潛藏于信息中的知識，為應(yīng)急指揮、安全運營維修維護管理提供支持。學(xué)生通過該項目可以了解知識的獲取手段與知識庫系統(tǒng)的建立方式，掌握知識發(fā)現(xiàn)、知識管理和構(gòu)件化軟件開發(fā)等技術(shù)，鍛煉自身的思維創(chuàng)新能力和科研實踐能力。在科研項目的整個訓(xùn)練過程中，學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度將得到不斷的培養(yǎng)和增強，吃苦耐勞的工作作風(fēng)、團隊協(xié)作精神和組織管理能力也將得到相應(yīng)的提高，整體的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力將會進(jìn)一步提高。

此外，老師在課堂上還介紹課程涉及的大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，讓學(xué)生搜集這些技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展趨勢及應(yīng)用情況，并討論如何將和關(guān)技術(shù)應(yīng)用于高鐵動車組運用維修領(lǐng)域的需求中，以此幫助學(xué)生掌握專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、獲取前沿知識，同時結(jié)合高鐵動車組設(shè)計性實驗需求，使學(xué)生能夠?qū)ο到y(tǒng)集成設(shè)計、開發(fā)、測試的整個過程有較為完整且深刻的認(rèn)識，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實踐和工程應(yīng)用能力。

4 結(jié)語

高等教育的改革是為了適應(yīng)社會發(fā)展的需要，培養(yǎng)出具有符合社會發(fā)展需要、基礎(chǔ)知識扎實、具有創(chuàng)新思維和意識、動手能力強、具有團隊合作精神的高素質(zhì)人才。根據(jù)這一目標(biāo)，高等教育工作者在各個角度和層次進(jìn)行教育教學(xué)改革。本教學(xué)改革借助北京交通大學(xué)鐵路信息技術(shù)實驗教學(xué)平臺，以科研項目為依托進(jìn)行項目驅(qū)動教學(xué)，將課內(nèi)和課外學(xué)習(xí)有機聯(lián)系在一起，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合職業(yè)能力的目標(biāo)，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作熱情和興趣，使學(xué)生有目的地學(xué)習(xí)，改變學(xué)生原有的學(xué)習(xí)方法，提高自身的專業(yè)技能基礎(chǔ)和實踐動手能力。