面向轨道交通的MATLAB工程应用教学改革

严荣慧 祁玉梅 冯李 沈长青

1.苏州城市学院 轨道交通工程系 江苏省苏州市 215104 2.苏州大学 轨道交通学院 江苏省苏州市 215131

随着信息技术的快速发展，我国城市轨道交通行业不断技术创新和产业升级。融合大数据、云计算、人工智能、物联网、5G等新技术的“智慧城轨”已成为当前城市轨道交通行业的发展共识和趋势[1]。新经济环境下，传统轨道交通人才培养方案需要改革以适应新产业的需求，培养具备多学科交叉知识的新轨道交通人才成为发展趋势。

MATLAB作为一门强大的计算和仿真工具，集成了数值分析、矩阵计算、数据可视化及系统建模和仿真等许多功能[2]。在轨道交通相关专业教学中，MATLAB的工程应用融合了线性代数、电路理论、信号与系统、自动控制原理、人工智能等多门课程的核心知识，使其在列车自动控制系统建模仿真、客流精准预测、图像及视频处理、故障诊断、供电智能检测等领域发挥了重要作用。

1 MATLAB工程应用教学现状

MATLAB工程应用是一门应用背景强、学科交叉融合性强的课程。传统MATLAB教学中大多数为演示性和验证性实验，较少有现代轨道交通行业的MATLAB应用案例/项目实训，缺少轨道交通新一代人工智能技术应用实践。教学组织形式方面，面对“一对多”的教学环境，一位教师往往顾此失彼，很难兼顾所有学生在编程中遇到的问题，部分学生因没有得到教师及时反馈选择放弃。评价考核方面，考核方式较为单一，考核内容偏向知识点掌握情况和基本程序编写能力，缺少过程性考核和综合能力评价。

2 CDIO和OBE工程教育理念

构 思-设 计-实 现-运 行（conceivedesign-implement-operate，CDIO）工程教育模式以项目驱动为核心，让学生“在做中学”，通过自主实践发现不同课程之间的有机联系，注重学生在工程学习中的主动性和实践过程的完整性[3]。

成 果 导 向 教 育（outcome-based education，OBE）是以产出为中心、以成果为导向，对教育进行组织、实施和评价的教育模式[4]。OBE理念强调以学习成果为导向，以学生为中心，持续改进教学活动。

3 面向轨道交通的MATLAB工程应用CDIO-OBE项目式教学

在“智慧城轨”背景下，为培养创新能力强、工程实践能力强、团队协作能力强的高素质综合型轨道交通人才，本文在MATLAB工程应用教学中运用CDIO-OBE工程教育理念，采用案例/项目驱动法、小组讨论法，以培养目标为导向，通过线上线下混合教学方式，逆向设计教学过程，按照“构思-设计-实施-运行”环节开展项目式教学，让学生 “在做中学”，通过自主实践发现不同新技术之间的有机联系，最后以多元化课程成绩评价指标进行考核。

基 于CDIO-OBE理 念 的MATLAB工 程应用课程教学改革总体实施方案如图1所示。

3.1 基于OBE理念逆向教学设计

首先，基于新工科建设要求和OBE工程教育理念，以新一代人工智能、大数据、物联网等技术为核心，根据轨道交通专业培养方案中学生毕业时应达到的知识、能力和素质的要求，设定MATLAB工程应用的教学成果目标为：

（1）工程基础知识：掌握数学、计算机科学、电子通信和轨道交通专业知识，能将MATLAB用于解决轨道交通复杂工程问题。

（2）个人学习能力：具有自主学习的意识，能够掌握专业领域的文献检索、知识查询的方法，不断进行自我完善。

（3）计算思维能力：能应用数学、计算机科学的基本原理，进行抽象分析、思维批判、算法设计，通过“定性+定量”方法分析轨道交通复杂工程问题。

（4）工程实践能力：能够设计复杂工程问题的解决方案，设计满足需求的算法，并能在设计过程中体现创新意识和系统能力。

（5）团队与沟通能力：能够在工程项目团队中承担不同角色，能够就复杂工程问题与同行进行有效沟通和交流，包括撰写技术报告和设计方案文稿、陈述发言、清晰表达，并具备英文阅读和表达能力。

3.2 教学准备/构思

3.2.1 从实际场景出发，创造问题情境，引发思考

在教学准备阶段，教师从智慧运营、智慧服务、智慧维保三大应用场景出发，从轨道公司工程项目成果和创新研究项目中选择具有综合性、创新性的案例，形成MATLAB在轨道交通行业中的应用教学案例（见表1）。

以“城市轨道交通智能列检项目”为例，通过设定“轨道交通车辆关键部件的状态监测和故障检测”的情境将学生带入真实轨道交通场景。而后，教师结合该场景提出与教学内容相关的技术问题：“有哪些办法可以检测故障？”、“需要哪些硬件设备？”、“不同办法分别有哪些优缺点？”。在此过程中，教师通过层层递进式的发问引发学生思考，让学生带着问题进行课后学习。

3.2.2 收集相关材料，构建知识体系

每位学生在收到问题后，课后进行文献检索、资料查询，教师事先将可供参考的MOOC资源向学生开放，如“人工智能技术”、“智能交互技术”等。通过线上线下混合式教学方法，学生加深对问题的工程背景认识，专业素养和个人学习能力得到提高。

3.3 教学设计过程

3.3.1 从案例出发，进行问题分解

教师以“轨道交通车辆关键部件的状态监测和故障检测”为主线，将案例驱动教学法和小组讨论法贯穿整个教学过程。教师在课堂中从“列车轴承故障诊断”案例出发，向学生展示如何将复杂问题分解为一系列子问题：“轴承振动信号预处理”、“轴承振动信号的时域分析”、“轴承振动信号的频域分析”、“轴承振动信号的时频分析”。

3.3.2 小组讨论，分析问题，确定技术路线

学生在教师的引导下围绕子问题进行小组讨论，分析轴承振动信号的特点，再根据课前所学知识最终确定技术路线和实现方法。通过案例教学，学生积极主动参与到课堂讨论和问题分析中，依托MOOC资源，有限的课堂时间用于小组讨论、教师反馈和成果展示，学生的主体地位得到体现，问题分析能力、批判思维能力、创新意识和系统工程能力得到了锻炼。

3.4 程序实现

3.4.1 从子问题出发，演示算法设计和程序编写过程

在程序编写与调试中，教师从“轴承振动信号预处理”子问题出发，讲解“轴承振动信号”信号插值、滤波等算法设计过程，利用MATLAB进行程序演示和功能测试。在程序演示中，充分利用MATLAB已有的Documentation和Examples资源，对于相同的函数在不同背景中的应用进行深入挖掘，布置相关作业练习，强化学生的编程实践能力和英文阅读能力。

3.4.2 举一反三，编程实践

对于其它的子问题，学生分组讨论后再次查阅资料，按照问题分析、算法设计、代码编写及调试三个步骤，在教师的引导下举一反三进行编程实践，从而把算法思维能力和编程能力的培养融入案例教学中。

3.5 考核与运用

教师基于多元化评价指标，注重对学生工程实践应用能力的评价。考核由四部分组成，项目完成质量和创造性占比50%，项目文档占比20%，作业占比20%，学习态度和考勤占比10%。要求学生提交完整的项目文档，并以小组PPT答辩的方式展示学习成果，通过组内互评、组间提问回答情况和教师评价综合给出每位学生的项目质量成绩。MATLAB工程应用课程改革后，取得了良好的教学效果，提高了学生的专业学习兴趣。

4 结语

本文在“智慧城轨”背景下探索实施基于CDIO-OBE理念的轨道交通人才培养模式，以企业工程项目成果和创新研究项目中的案例作为教学资源，通过线上线下混合式教学和小组讨论法开展教学。整个教学模式强调以学生为主体，强化了学习的目标性，激发了学生的主动学习兴趣。通过对比发现，实施教学改革后，学生能够将MATLAB作为解决专业问题的有效工具，学生的创新能力、工程实践能力和团队协作能力得到显著提高。