新工科背景下的轨道动力学课程教学改革探索

2021-01-15李再帏何越磊路宏遥

大学教育 2021年12期

李再帏何越磊路宏遥

[摘要]轨道动力学是交通运输工程专业硕士学位的核心课程，直接关系到学生进行科学问题分析和研究的能力的培养。文章对既有轨道动力学课程教学现状进行了分析，结合新工科建设思想，提出了采用网络微课、翻转课堂和虚拟仿真实验等多种方式相结合的方法，进行轨道动力学课程的教学改革，给出了教学内容和教学方法的改革措施。一个学期的教学实践表明：所采用的教学改革方法切实提高了课程的教学效果，学生的相关專业素质能力得到了显著的提升，建议在相近的课程中推广使用此教学改革方案。

[关键词]新工科;轨道结构;翻转课堂;教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）12-0061-03

“交通强国、铁路先行”是近年来我国铁路发展的真实写照。随着我国已建成世界上最大规模的高速铁路运行网络，高速铁路发展的重心已经由建设转为运营，如何有效地保证高速铁路线路服役状态、提升养护维修作业效率是未来铁路发展中必须要解决的问题。这对培养专业技术人才的高等院校提出了新的要求。高校需要在相关教学课程设置、教学内容结构、教学手段设计以及实践教学内容等多方面进行合理的设计与调配，以满足轨道交通和高速铁路现场生产实践与科学研究的要求。

作为交通运输学科中道路与铁道工程、载运工具运用工程的核心课程，轨道动力学需要根据现有高速铁路技术发展，在教学过程中不断地调整教学方法、内容和试验实践内容，实现交通运输工程专业研究生对基础理论和试验方法的有效掌握与融会贯通。轨道动力学的课程教学不仅需要学生掌握轨道动力特性本身的基本理论与方法，更要使这种理论与方法成为后续课程及毕业论文学习的基础和在实践中验证或判断理论结论正确性、有效性的理论检验工具。换而言之，轨道动力学的教学需要特别注重理论与实践关联性等内容的教学环节，通过对具体问题的分析、设计与仿真实验研究，提高学生独立分析问题，解决问题以及技术表现的能力。尤其是在新工科的背景下，根据其要求的：强调打破学科壁垒，构建多方协同的办学体系，着重应用实践训练和实际操作能力的培养[1-3]，结合铁路发展的时代背景，不仅要深化轨道动力学课程的理论性，也要有针对性地提升课程中实践性教学的效果，突出交通运输工程交叉学科的特征，有效地实施轨道动力学课程的教学改革。

本文在分析现有轨道动力学课程中存在的问题基础上，突出新工科建设的特点，根据研究生教学的特点，理论联系实际，分析学生的学习与专业研究特点，采用网络微课、翻转课堂和虚拟仿真实验的方式，探索轨道动力学课程教学改革。

一、轨道动力学教学现状分析

轨道动力学课程在我国起步较晚，初期都是由同济大学、中南大学、西南交通大学、北京交通大学等具有鲜明铁路轨道特色学科的高校开设，与其他应用型专业相比，其开设院校较少，无法进行普适性的调研和分析。因此，本文仅以上海工程技术大学城市轨道交通学院的交通运输工程专业硕士轨道动力学课程为例进行讨论。该课程为轨道交通基础设施养护方向的核心必修课程，是一门理论与实践结合性较强的课程，特色明显，是交通运输工程专业各相关研究方向（车辆动力学、轨道检测、环境振动与噪声）必须掌握和运用的主干课程之一。本课程自2014年开设以来，针对交通运输工程专业一年级研究生，每年开课一次，32学时。经过5年的专业教学实践活动，笔者发现目前课程教学中存在着以下一些问题。

（一）教学内容相对陈旧，新技术与新方法更新不及时

由于近年来高速铁路与城市轨道交通运营中面临着各种结构劣化问题，为了有效地解决发展中出现的新问题与新矛盾，满足人们对轨道交通出行的舒适性和安全性的要求，轨道基础结构与部件出现了各种新型结构形式。如为了适应中国高铁走出去战略，近年来，中国国家铁路集团有限公司联合中国铁道科学研究院集团有限公司等单位，开发了CRTS III型板式无砟轨道结构。CRTS III型板式无砟轨道结构由于是在逐渐探索、研究和实践中形成的，在近两年才形成成套的技术规范，铁道部门已经将其铺设在了郑徐、盘锦等高速铁路线路中，而由此可见针对性的课程教学已落后于生产实践，这使得研究生在相关的研究中缺失了重要的内容。又如华东地区的高速铁路已普遍服役超过10年，纵连式无砟轨道板服役性能劣化特征显著。为了维修胀板等典型结构病害，铁路管理部门研发了快速顶板、板端锚固等新型技术，并采用了线路仅限速不停运的轨道板更换技术，这些新材料和新技术的广泛应用，需要在课程教学中及时体现。此外，随着轨道交通轮轨噪声问题的日益突出，新型的减振降噪措施如双层非线性抗扭减振扣件、组合式高性能减振道床系统等，已广泛使用于上海地铁中，而同样可以看出技术已经领先于专业教学内容。所以，在轨道动力学教学中，需要紧跟中国铁路技术发展脉搏，追踪研究热点，持续不断地更新教学内容，保证学生所学知识内容的时代性与新鲜度。

（二）典型教学案例库资源尚待完善

传统的轨道动力学以讲授经典有砟线路的轮轨动力作用内容为主，主要集中于轮轨有限元模型的建立、轮轨接触关系模拟、轨道不平顺分析和轨道动力特性的研究，后面虽增加了轨道交通振动与噪声的内容，但尚不深入，只是概念性地介绍。随着现代信息技术的迅速发展，轮轨动力学仿真软件的广泛使用，SIMPACK和UM多刚体动力学软件的运用已成为国内外专业研究中被广泛采用的方式。此外，人工智能与自动化检测技术已逐渐成为线路检测的主要方式。因此，既有的轨道动力学课程的案例库显得较为陈旧，内容需要加强，特别是要强调人工智能化，变革原有教学内容中铁路运维以人工进行的方式，增加对于成熟轮轨动力学软件的运用、无砟轨道动力学作用规律、无砟轨道结构损伤特征与预防性维修、轨道智能化检测技术等内容，并紧密结合最新的研究进展，形成教学案例资源库经常性更新的制度。

（三）课程试验与生产实践差异性显著

轨道结构由于是多个部件组合形成的构造物，其动力作用呈现了显著的非线性规律，而轮轨动力学理论模型和仿真计算软件对于规律性的探索十分有利，但要准确地掌握轨道结构的动力特性，还需要进行大量的试验研究，这也是工程科学有别于其他门类科学的显著特征。以往的轨道动力学课程试验以演示试验为主，主要通过在钢轨、扣件或道床部件上安装振动加速度或应变片来实现对结构变形、模态等物理量的量测，而现代化铁路线路维修时间短，现场作业往往依赖智能化、高效化与实时的结构物服役性能在线监测技术，通过物联网+云计算实现轨道服役状态的实时预警和评估。因此，轨道动力学的课程试验需要进行变革性的升级，引入人工智能的检测技术，构建多媒体仿真智能化模型，从而满足现代铁路发展的要求。

（四）学生课堂参与度低，互动性差

轨道动力学是以轨道工程、结构动力学和弹塑性力学为基础的专业课程，对于学生前序课程学习内容的掌握程度要求较高，若力学基础理论掌握不牢，学习新知识时易产生不理解或理解错误等问题，而目前高速铁路和城市轨道交通运维要求零误差，因为一旦出现问题，将产生灾难性的后果。可见，提升学生的学习效率和学习兴趣是教学改革亟须解决的问题。此外，我校招收的交通运输工程专业的研究生相对来说素质较差，在课堂教学内容安排上教師需要较长时间去帮助学生回顾基础知识，这相应地压缩了新知识的授课时间，提高了授课速度，减少了课程教学的互动性。而学生在学习相对枯燥的知识过程中，注意力容易分散，这导致课堂教学效果不尽如人意。因此，需要引进世界各国先进的教育思路与教育方法，走出现有轨道动力学课堂教学的困境。

二、教学改革的主要措施

针对现有轨道动力学课程教学存在的问题，我们在新工科理念的指引下，突出新知识和新技术的导入，强调创新性的课程实践环节，采用网络微课、翻转课堂和虚拟仿真实验的方式，进行轨道动力学课程的教学改革，主要思路和措施阐述如下。

（一）采用动态电子讲义，进行内容模块化分类，促进学生主动学习扩充性资料

内容固定的教材出版周期长，无法满足轨道动力学课程教学的实际需要，使用突出模块化特点的电子讲义则可以有效地解决这个问题。一方面，内容模块化便于学生对教学内容的主干知识进行准确掌握[4-5]，通过将主干知识点模块化，围绕轨道基础结构、轨道几何形位、轨道静力学、轮轨耦合动力学、轨道检测与维修等具体模块进行建设，可以提高知识的传授效率。另一方面，动态模块化也便于教师及时地升级和补充最新的教学素材，能调动教师变更教学内容的积极性。此外，上海工程技术大学的办学特色是政产学研深度融合，城市轨道交通学院与上海申通地铁集团有限公司、中国铁路上海局集团有限公司形成了良性产学研循环，铁路线路维保的第一手资料经过相关部门和学院许可后，均可向研究生免费开放，这无疑为学生的主动性学习提供了绝佳的素材，极大地调动了学生的研究热情，为课堂教学的高效展开奠定了基础。

（二）建设网络微课，形成重点要点突出、特色鲜明的课程知识体系

课程教学团队采用现代教育技术进行轨道动力学教学模式的变革，构建轨道动力学的现代教学模式，提高教学的真实性和有效性，使学生能更好地理解轨道动力学的基本概念和基本理论，为后续相关轨道交通行业实习和岗位工作打下扎实的基础。为了提高教学效率、改善教学效果，课程教学团队改变传统单一的课堂教学手段，将多媒体、互联网技术等引入教学过程中，形成典型知识要点的网络微课[6-7]，有效利用超星学习通、腾讯课堂、ZOOM等网络学习平台，使课堂教学既直观形象，又具有生动性。同时，课程教学团队精心编写轨道动力学的电子教案及课件，组织课程演示内容，做到图文并茂、提纲挈领，将课件、案例库、参考书籍等辅助教学资料发布到课程网站上，供学生下载学习。

（三）利用虚拟现实仿真教学技术，打造虚拟现实的试验环境平台

现代的AR和VR技术的迅速发展，给轨道动力学虚拟仿真试验的开展提供了有效的技术支撑平台[8-9]。课程教学团队利用建筑模型信息化（BIM）技术，通过构筑有砟轨道、无砟轨道、道岔等轨道结构物，利用Unity平台进行模型联合和调试，自主设计开发了轨道动力学虚拟仿真试验平台，学生通过VR眼镜和手柄即可完成相关课程实践环节的仿真试验，如轨道板服役性能在线监测系统、扣件损伤检测与更换、道岔零部件损伤检测与拆装等，且系统可以自动地记录学生的学习情况，形成个性化的试验方案，这极大地增加了相关实践环节的知识认识深度。此外，整个部件的作业检修流程均按照线路养护部门的真实操作进行，这进一步增强了学生学习的针对性与有效性。通过一个学期的建设，课程教学效果良好，学生反映希望可以丰富试验项目，增加相关检测操作流程。

（四）采用翻转课堂教学方式，增强学生互动性，提升课堂教学效率

学生专业知识掌握不牢是教学过程中的痛点，如何提升知识预习的深度和课堂学习的效率是课程教学团队必须要解决的问题。因此，我们引入了西方教育界较为流行的翻转课堂的教学方式[10]，根据研究生数量较少的特征，通过配置一定高年级研究生助教的方式，以轨道动力学课堂各个典型知识点为主题，进行自助式学习，利用翻转课堂强调提前预习和过程讨论的特征。这既解决了前序知识学习不牢的问题，增加了学生的知识厚度，又加强了学生的表达和逻辑思维能力，有效地增强了轨道动力学课堂的教学效果。向学院研究生导师调研的结果显示，通过一个学期的教学，相关研究生导师均反映学生已经具有了一定的轨道动力学基础知识，可以有效地参与到相关课题研究中。

三、结语

轨道动力学课程的教学目的是使研究生通过本课程的学习获得轨道动力学的理论基础及掌握其应用技术。一个学期的轨道动力学教学改革表明，注重授课内容的时效性与科学性，借助现代科技的信息化手段，结合虚拟现实仿真技术的做法，取得了显著的教学效果，提升了专业学生的学习热情和效率。专业学生具备了将轨道动力学知识在各自研究方向及交通运输领域进行相关科学问题的分析和研究的能力，并创造性地解决了系统应用问题，这无疑为其从事交通运输工程行业系统设计和研究工作打下了一定的基础。建议在交通运输工程其他的专业课教学中推广使用本文所倡导的改革方案。

[ 参考文献 ]

[1] 张振海，陈永刚，武晓春，等.新工科背景下轨道交通信号与控制专业实践教学模式的改革与探索[J].实验室研究与探索，2019（9）：190-193.

[2] 颜喜林，汪磊，何越磊，等.基于新工科理念重构铁道工程专业实践教学体系[J].科技资讯，2019（17）：146-147+149.

[3] 段晓峰，韩峰，王保成，等.“新工科”背景下铁道工程专业课程设置研究[J].教育教学论坛，2019（6）：210-211.

[4] 李再帏，石嵘，何越磊.模块化教学在《工务管理》课程中的应用[J].长沙铁道学院学报（社会科学版），2014（2）：188-189.

[5] 向俊，陈秀方.浅谈《铁路轨道》课程模块化教学[J].长沙铁道学院学报（社会科学版），2004（3）：139-141.

[6] 姚绍岩.多软件联合打造精品微课的研究与应用[J].齐齐哈尔师范高等专科学校学报，2019（1）：25-26.

[7] 于丽杰，廖文江.基于微课的“轨道交通概论”线上线下混合式教学模式改革[J].软件导刊（教育技术），2019（6）：30-32.

[8] 王英杰，时瑾，白雁，等.加强实践环节的铁路线路课程设计探索[J].教育教学论坛，2019（18）：116-117.

[9] 沈宇鹏，蔡小培，时瑾，等.VR技术在铁道工程认识实习中的应用研究[J].中国教育信息化，2018（18）：35-38.

[10] 曾锟.“铁路轨道施工与维护”课程翻转课堂教学过程论析[J].新课程研究（中旬刊），2018（12）：48-50.

[责任编辑：钟岚]