面向軌道交通的MATLAB工程應用教學改革

嚴榮慧 祁玉梅 馮李 沈長青

1.蘇州城市學院 軌道交通工程系 江蘇省蘇州市 215104 2.蘇州大學 軌道交通學院 江蘇省蘇州市 215131

隨著信息技術的快速發展，我國城市軌道交通行業不斷技術創新和產業升級。融合大數據、云計算、人工智能、物聯網、5G等新技術的“智慧城軌”已成為當前城市軌道交通行業的發展共識和趨勢[1]。新經濟環境下，傳統軌道交通人才培養方案需要改革以適應新產業的需求，培養具備多學科交叉知識的新軌道交通人才成為發展趨勢。

MATLAB作為一門強大的計算和仿真工具，集成了數值分析、矩陣計算、數據可視化及系統建模和仿真等許多功能[2]。在軌道交通相關專業教學中，MATLAB的工程應用融合了線性代數、電路理論、信號與系統、自動控制原理、人工智能等多門課程的核心知識，使其在列車自動控制系統建模仿真、客流精準預測、圖像及視頻處理、故障診斷、供電智能檢測等領域發揮了重要作用。

1 MATLAB工程應用教學現狀

MATLAB工程應用是一門應用背景強、學科交叉融合性強的課程。傳統MATLAB教學中大多數為演示性和驗證性實驗，較少有現代軌道交通行業的MATLAB應用案例/項目實訓，缺少軌道交通新一代人工智能技術應用實踐。教學組織形式方面，面對“一對多”的教學環境，一位教師往往顧此失彼，很難兼顧所有學生在編程中遇到的問題，部分學生因沒有得到教師及時反饋選擇放棄。評價考核方面，考核方式較為單一，考核內容偏向知識點掌握情況和基本程序編寫能力，缺少過程性考核和綜合能力評價。

2 CDIO和OBE工程教育理念

構 思-設 計-實 現-運 行（conceivedesign-implement-operate，CDIO）工程教育模式以項目驅動為核心，讓學生“在做中學”，通過自主實踐發現不同課程之間的有機聯系，注重學生在工程學習中的主動性和實踐過程的完整性[3]。

成 果 導 向 教 育（outcome-based education，OBE）是以產出為中心、以成果為導向，對教育進行組織、實施和評價的教育模式[4]。OBE理念強調以學習成果為導向，以學生為中心，持續改進教學活動。

3 面向軌道交通的MATLAB工程應用CDIO-OBE項目式教學

在“智慧城軌”背景下，為培養創新能力強、工程實踐能力強、團隊協作能力強的高素質綜合型軌道交通人才，本文在MATLAB工程應用教學中運用CDIO-OBE工程教育理念，采用案例/項目驅動法、小組討論法，以培養目標為導向，通過線上線下混合教學方式，逆向設計教學過程，按照“構思-設計-實施-運行”環節開展項目式教學，讓學生 “在做中學”，通過自主實踐發現不同新技術之間的有機聯系，最后以多元化課程成績評價指標進行考核。

基 于CDIO-OBE理 念 的MATLAB工 程應用課程教學改革總體實施方案如圖1所示。

3.1 基于OBE理念逆向教學設計

首先，基于新工科建設要求和OBE工程教育理念，以新一代人工智能、大數據、物聯網等技術為核心，根據軌道交通專業培養方案中學生畢業時應達到的知識、能力和素質的要求，設定MATLAB工程應用的教學成果目標為：

（1）工程基礎知識：掌握數學、計算機科學、電子通信和軌道交通專業知識，能將MATLAB用于解決軌道交通復雜工程問題。

（2）個人學習能力：具有自主學習的意識，能夠掌握專業領域的文獻檢索、知識查詢的方法，不斷進行自我完善。

（3）計算思維能力：能應用數學、計算機科學的基本原理，進行抽象分析、思維批判、算法設計，通過“定性+定量”方法分析軌道交通復雜工程問題。

（4）工程實踐能力：能夠設計復雜工程問題的解決方案，設計滿足需求的算法，并能在設計過程中體現創新意識和系統能力。

（5）團隊與溝通能力：能夠在工程項目團隊中承擔不同角色，能夠就復雜工程問題與同行進行有效溝通和交流，包括撰寫技術報告和設計方案文稿、陳述發言、清晰表達，并具備英文閱讀和表達能力。

3.2 教學準備/構思

3.2.1 從實際場景出發，創造問題情境，引發思考

在教學準備階段，教師從智慧運營、智慧服務、智慧維保三大應用場景出發，從軌道公司工程項目成果和創新研究項目中選擇具有綜合性、創新性的案例，形成MATLAB在軌道交通行業中的應用教學案例（見表1）。

以“城市軌道交通智能列檢項目”為例，通過設定“軌道交通車輛關鍵部件的狀態監測和故障檢測”的情境將學生帶入真實軌道交通場景。而后，教師結合該場景提出與教學內容相關的技術問題：“有哪些辦法可以檢測故障？”、“需要哪些硬件設備？”、“不同辦法分別有哪些優缺點？”。在此過程中，教師通過層層遞進式的發問引發學生思考，讓學生帶著問題進行課后學習。

3.2.2 收集相關材料，構建知識體系

每位學生在收到問題后，課后進行文獻檢索、資料查詢，教師事先將可供參考的MOOC資源向學生開放，如“人工智能技術”、“智能交互技術”等。通過線上線下混合式教學方法，學生加深對問題的工程背景認識，專業素養和個人學習能力得到提高。

3.3 教學設計過程

3.3.1 從案例出發，進行問題分解

教師以“軌道交通車輛關鍵部件的狀態監測和故障檢測”為主線，將案例驅動教學法和小組討論法貫穿整個教學過程。教師在課堂中從“列車軸承故障診斷”案例出發，向學生展示如何將復雜問題分解為一系列子問題：“軸承振動信號預處理”、“軸承振動信號的時域分析”、“軸承振動信號的頻域分析”、“軸承振動信號的時頻分析”。

3.3.2 小組討論，分析問題，確定技術路線

學生在教師的引導下圍繞子問題進行小組討論，分析軸承振動信號的特點，再根據課前所學知識最終確定技術路線和實現方法。通過案例教學，學生積極主動參與到課堂討論和問題分析中，依托MOOC資源，有限的課堂時間用于小組討論、教師反饋和成果展示，學生的主體地位得到體現，問題分析能力、批判思維能力、創新意識和系統工程能力得到了鍛煉。

3.4 程序實現

3.4.1 從子問題出發，演示算法設計和程序編寫過程

在程序編寫與調試中，教師從“軸承振動信號預處理”子問題出發，講解“軸承振動信號”信號插值、濾波等算法設計過程，利用MATLAB進行程序演示和功能測試。在程序演示中，充分利用MATLAB已有的Documentation和Examples資源，對于相同的函數在不同背景中的應用進行深入挖掘，布置相關作業練習，強化學生的編程實踐能力和英文閱讀能力。

3.4.2 舉一反三，編程實踐

對于其它的子問題，學生分組討論后再次查閱資料，按照問題分析、算法設計、代碼編寫及調試三個步驟，在教師的引導下舉一反三進行編程實踐，從而把算法思維能力和編程能力的培養融入案例教學中。

3.5 考核與運用

教師基于多元化評價指標，注重對學生工程實踐應用能力的評價。考核由四部分組成，項目完成質量和創造性占比50%，項目文檔占比20%，作業占比20%，學習態度和考勤占比10%。要求學生提交完整的項目文檔，并以小組PPT答辯的方式展示學習成果，通過組內互評、組間提問回答情況和教師評價綜合給出每位學生的項目質量成績。MATLAB工程應用課程改革后，取得了良好的教學效果，提高了學生的專業學習興趣。

4 結語

本文在“智慧城軌”背景下探索實施基于CDIO-OBE理念的軌道交通人才培養模式，以企業工程項目成果和創新研究項目中的案例作為教學資源，通過線上線下混合式教學和小組討論法開展教學。整個教學模式強調以學生為主體，強化了學習的目標性，激發了學生的主動學習興趣。通過對比發現，實施教學改革后，學生能夠將MATLAB作為解決專業問題的有效工具，學生的創新能力、工程實踐能力和團隊協作能力得到顯著提高。