工程应用驱动下的城市轨道车辆专业实践教学改革探讨

崔晓璐 黄博 祁亚运 陈仁祥 文孝霞

摘  要：为加强城市轨道车辆专业学生工程应用能力的培养，基于CAD/CAE技术提出理论讲授与软件实践穿插式的教学模式。将专业主流工程应用软件作为学生的实践平台和设计分析手段并结合理论知识贯穿于专业教学，使理论知识和工程应用有机结合。通过在教学体系、教学内容和教学方法等具体实施策略方面进行改革，构建工程应用驱动下基于CAD/CAE技术的城市轨道车辆专业实践教学模式，为培养具有城市轨道交通特色的车辆工程专业高级应用型人才提供全新思路。

关键词：工程应用  教学改革  CAD/CAE  城市轨道车辆专业

中图分类号：G642                             文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（b）-0210-04

Abstract： In order to strengthen the engineering application ability of urban rail vehicle students， based on the CAD/CAE technology， a theoretical teaching and software practice interspersed teaching mode is proposed. The professional mainstream engineering application software is used as a practical platform and design analysis methods for student and is combined with the theoretical knowledge throughout professional teaching， so that the theoretical knowledge and engineering applications are organically combined. According to reform on the specific implementation strategies such as teaching system， teaching content and teaching methods， a practical teaching mode for urban rail vehicles based on CAD/CAE technology driven by engineering applications is constructed， which provides new ideas for the cultivation of advanced application-oriented talents with the characteristics of urban rail vehicle engineering.

Key Words： Engineering application; Teaching reform; CAD/CAE; Urban rail vehicle engineering

随着城市化进程的逐步加速，中国的城市轨道交通建设将迎来黄金发展期。在国家宏观政策引导和扶持下，中国在“十三五”期间，全国城市轨道交通将会有3000km左右新建成并投入运营，中国城市轨道交通将进入另一个蓬勃发展时期，预计于2050年规划线路将增加到289条，全国城市轨道总里程将达到11700km。随着城市轨道的高速发展，对于城市轨道车辆相关专业的人才需求量也在逐年增加。特别是近些年随着科技的高速发展，对于该行业中高级应用型人才的需求更为迫切。产业结构的巨大改变导致人才需求结构发生变化，为使人才供给结构与需求结构相适应，需依靠教育体系结构的改革升级，因此高校在培养城市轨道车辆专业学生的过程中，应注重学生实践能力和创新能力的培养。然而纵观国内目前大部分本科相关专业的实践教学模式，主要还是侧重于理论知识，尽管已经加设了许多实践教学环节，但离高级应用型人才的培养仍有差距。显然，传统的重理论轻实践的实践教学模式已无法满足城市轨道车辆专业高级应用型人才的能力需求。

由于城市轨道车辆在科学技术的发展下集成了许多的新工艺、新技术和新方法，这就需要一大批既有一定专业理论知识，又有较强实践能力，能综合运用所学的新理论、新知识分析新情况，解决新问题的城市轨道车辆高级应用型人才。CAD/CAE技术作为工程应用的必备技术，在工程应用的驱动下，为促进学生的工程实践能力和创新探索能力，实现高级应用型人才的培养，基于CAD/CAE技术对城市轨道车辆工程专业的实践教学进行探索和研究势在必行。

1  城市轨道车辆专业实践教学问题分析

通过对中车旗下多个车辆制造企业、多个地铁运营公司等相关用人单位走访，普遍反映主要集中在学生的工程应用能力较为欠缺，不能真正达到企业所需高级应用型人才知识、技能和素质的要求。反馈到人才的培养过程中，发现实践环节缺乏针对性、创新性，实践学时远远低于理论学习，学生的工程实践能力和创新设计训练较为薄弱。究其原因，主要表现在教学体系、教学内容、教学方式的评估方面。

（1）教学体系中理论教学和实践教学关联性弱。

城市轨道车辆人才需要极强的实践动手能力，而在现有的工科教学体系中，首先，课程内容和工程应用脱节较大。并且理论课程比重较大，工程实践训练在学分比重上较比以往有所提高但受限于实习场地等因素而流于形式，缺少构建面向工程应用知识结构的实践内容，理论学习和工程实践严重脱离，导致学生毕业后在面对实际工程问题时无从下手。因此，在教学体系的改革中，需以工程应用为驱动导向，将理论教学和實践教学融合，穿插进行，并通过这种方式将专业课程之间搭建连接平台，实现全周期教学体系的综合优化。

（2）实践教学采用传统单一灌输式的教学方式。

现有的教学方式较为单一，大多仍采用教师为中心的单向传授知识模式，在轨道车辆专业的授课内容上仍是对结构原理、计算分析、经典例题进行讲解。在这种模式下，学生被动地接受知识，课堂交互性较差。尽管目前网络课堂和翻转课堂已经取得了一定功效，但如何做到课堂生动、学生主动，仍是一个难题。因此，在教学方式的改革中，需采用混合教学模式，充分结合网络教学和理论教学的优势，运用多种新型教学方法以提高学生的学习兴趣，实现真正意义上的翻转课堂。

2  基于CAD/CAE技术的城市轨道车辆专业实践教学改革

2.1 教学体系与教学内容改革

基于城市轨道车辆专业的培养目标，在工程应用驱动下，为实现理论教学与CAD/CAE技术交互式的实践教学模式，需要从教学体系和教学内容上进行改革，首先是结合培养目标和人才需求对工程应用软件的合理选用，然后将工程应用软件与课程体系进行“三模块”的全周期贯穿，基本思路如图1所示。

（1）工程应用软件的合理选用。

围绕城市轨道车辆专业人才的培养目标，结合社会和轨道车辆工程专业的人才需求，调研现行企业应用或高校研究中城市轨道车辆的主流计算机辅助技术，大体可以分为二维设计、三维建模、动力学分析和有限元分析。结合现有平台的师资、设备及项目领域状况，对这些计算机辅助技术同类别的工程应用软件进行筛选，选择易于本专业教学实施的工程应用软件。目前初步构想为在二维设计中常用软件为CAD（专业图纸查看编辑），在三维建模中常用软件为Catia（装配模型处理、工程图纸标准化），在动力学分析中常用软件为Simpack（轨道车辆动力学模块），在有限元分析中常用软件为Abaqus（与Catia和Simpack有交互接口，强大的非线性问题分析能力）。

（2）工程应用软件与课程体系的融合。

基于城市轨道车辆专业现有教学体系，主要包括了三大模块：车辆构造、车辆强度和车辆动力学。车辆构造主要是对轨道车辆基本原理和结构原理的介绍，重点围绕城市轨道车辆的部件和总体设计，可以在教学内容的开展中贯穿二维设计软件和三维设计软件的教学。车辆强度主要是对轨道车辆结构承受的作用载荷的分析，确定作用载荷在车辆结构中产生的应力和变形，确定结构在保证运输安全和耐久条件下，许用应力、刚度和疲劳评估方法，重点围绕轨道车辆结构的强度评估，可以在教学内容的开展中贯穿有限元软件的教学。车辆动力学主要是对车辆动力学性能和评价指标的分析，重点围绕运动过程中车辆系统的动力学性能，可以在教学内容的开展中贯穿动力学软件的教学。综合城市轨道车辆工程专业的课程体系，建立车辆构造、车辆强度和车辆动力学“三模块”课程内容和工程软件结合的课程体系，根据工程软件具有的功能与现代设计手段重新设计课程的教学内容，充分利用工程软件给设计、分析、制造等带来的便利，突破传统教学中理论教学的单一性，使学生在理论学习中有工具可用，并在工具应用过程中提高理论理解。

2.2 教学方法改革

围绕教学体系和教学内容的改革，在教学方法上也需要进行改革和创新，主要从教学工具、教学案例和教学分组上“多方面贯通”整个教学过程。智能化的教学工具实现课前、课上和课后的贯通，工程化的教学案例实现工程全周期的贯通，分组协作实现“构思-设计-实现-反思”的教学理念贯通。

（1）智能化教学工具贯通课前、课上、课后。

伴随着信息化运用教学的进步和发展，互联网的运用和发展促进了教学手段的更新，作为一款适用于工科教学的智能化教学工具，雨课堂能够将信息技术、PPT和微信结合，把课前、课上、课后贯通，将面对面的教学方式和线上学习的方式融合，推进学生和老师的互动交流。拟利用雨课堂将理论授课和软件实践穿插于课堂中。课前教师可以把视频、课件等教学资料发布，学生可以实现在线的预习，教师可以通过了解学生的预习情况。课堂学习中，学生通过对教学内容不懂处进行标注，让教师得到相应的教学数据，及时调整授课进程。教师也可实时发布联系，检验教学效果。同时，雨课堂的“弹幕”功能可以加强师生间的即时沟通，调动课堂氛围。课后复习，雨课堂的资料保存可以使学生随时对教学内容进行回顾。

（2）工程教学案例贯通工程全周期。

典型的教学案例能够优化整个课堂教学过程，尤其是城市轨道车辆专业，需要结合工程需求选取教学案例。同时，考虑城市轨道车辆专业课程之间的关联性，拟采用工程教学案例将理论课程串联，比如不同型号转向架、制动机构、牵引机构的整体设计，在车辆工程的课程中对其构造进行讲解，结合CAD初步设计尺寸，辅助Catia完成三维模型的建立。在有限元课程中基于有限元理论，采用Abaqus对关键结构部件进行产品结构性能的提前预测和加工制造的可行性评估。进而考虑车辆系统的动力学特性，基于动力学理论采用Simpack完成产品的运动特性模拟和运行性能评估。通过工程案例，依据理论基础，结合软件实践，引导学生完成实际工程的全周期设计分析。

（3）分组协作贯通现代教育理念。

在学生全周期实际工程的设计分析中，拟采用分组形式让学生对全周期的实际工程问题进行协同合作，把合适的工程项目课题适当融入到实践教学环节。首先，拟通过任务驱动，让小组成员进行头脑风暴，提高其创新能力。然后，在整体任务的设置中考虑一定的难度系数，通过教师课上引导，学生课后查找资料，提高其检索能力。确定方案后，结合理论教学和软件实践，成员分工合作，选择最优设计，提高其设计能力。最后通过小组任务小结和自评，提高其总结与反思能力。通过任务驱动，让学生学会创新思考，查询资料，分工合作。通过这种分组竞争机制，遵循“构思-设计-实现-反思”的现代工程教育理念，实现学生之间的优势互补，共同成长和共同进步。

3  结语

本文通过探索工程应用驱动下基于CAD/CAE技术的城市轨道车辆专业实践教学模式，为城市轨道交通车辆专业教学运行模式提供可操作的全周期实践教学方案，建立“三模块”工程应用软件与课程体系融合的教学体系和教学内容，提出智能化、工程化、分组化的“多方面贯通”教学方法，从而促进学生“理论知识、工程实践、创新探索”能力的全面发展。

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