工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下的城市軌道車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革探討

崔曉璐 黃博 祁亞運(yùn) 陳仁祥 文孝霞

摘? 要：為加強(qiáng)城市軌道車輛專業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，基于CAD/CAE技術(shù)提出理論講授與軟件實(shí)踐穿插式的教學(xué)模式。將專業(yè)主流工程應(yīng)用軟件作為學(xué)生的實(shí)踐平臺(tái)和設(shè)計(jì)分析手段并結(jié)合理論知識(shí)貫穿于專業(yè)教學(xué)，使理論知識(shí)和工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。通過在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等具體實(shí)施策略方面進(jìn)行改革，構(gòu)建工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下基于CAD/CAE技術(shù)的城市軌道車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式，為培養(yǎng)具有城市軌道交通特色的車輛工程專業(yè)高級(jí)應(yīng)用型人才提供全新思路。

關(guān)鍵詞：工程應(yīng)用? 教學(xué)改革? CAD/CAE? 城市軌道車輛專業(yè)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

隨著城市化進(jìn)程的逐步加速，中國(guó)的城市軌道交通建設(shè)將迎來黃金發(fā)展期。在國(guó)家宏觀政策引導(dǎo)和扶持下，中國(guó)在“十三五”期間，全國(guó)城市軌道交通將會(huì)有3000km左右新建成并投入運(yùn)營(yíng)，中國(guó)城市軌道交通將進(jìn)入另一個(gè)蓬勃發(fā)展時(shí)期，預(yù)計(jì)于2050年規(guī)劃線路將增加到289條，全國(guó)城市軌道總里程將達(dá)到11700km。隨著城市軌道的高速發(fā)展，對(duì)于城市軌道車輛相關(guān)專業(yè)的人才需求量也在逐年增加。特別是近些年隨著科技的高速發(fā)展，對(duì)于該行業(yè)中高級(jí)應(yīng)用型人才的需求更為迫切。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的巨大改變導(dǎo)致人才需求結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為使人才供給結(jié)構(gòu)與需求結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，需依靠教育體系結(jié)構(gòu)的改革升級(jí)，因此高校在培養(yǎng)城市軌道車輛專業(yè)學(xué)生的過程中，應(yīng)注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。然而縱觀國(guó)內(nèi)目前大部分本科相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)模式，主要還是側(cè)重于理論知識(shí)，盡管已經(jīng)加設(shè)了許多實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但離高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)仍有差距。顯然，傳統(tǒng)的重理論輕實(shí)踐的實(shí)踐教學(xué)模式已無法滿足城市軌道車輛專業(yè)高級(jí)應(yīng)用型人才的能力需求。

由于城市軌道車輛在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下集成了許多的新工藝、新技術(shù)和新方法，這就需要一大批既有一定專業(yè)理論知識(shí)，又有較強(qiáng)實(shí)踐能力，能綜合運(yùn)用所學(xué)的新理論、新知識(shí)分析新情況，解決新問題的城市軌道車輛高級(jí)應(yīng)用型人才。CAD/CAE技術(shù)作為工程應(yīng)用的必備技術(shù)，在工程應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，為促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新探索能力，實(shí)現(xiàn)高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，基于CAD/CAE技術(shù)對(duì)城市軌道車輛工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索和研究勢(shì)在必行。

1? 城市軌道車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)問題分析

通過對(duì)中車旗下多個(gè)車輛制造企業(yè)、多個(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)公司等相關(guān)用人單位走訪，普遍反映主要集中在學(xué)生的工程應(yīng)用能力較為欠缺，不能真正達(dá)到企業(yè)所需高級(jí)應(yīng)用型人才知識(shí)、技能和素質(zhì)的要求。反饋到人才的培養(yǎng)過程中，發(fā)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏針對(duì)性、創(chuàng)新性，實(shí)踐學(xué)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論學(xué)習(xí)，學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練較為薄弱。究其原因，主要表現(xiàn)在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的評(píng)估方面。

（1）教學(xué)體系中理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)關(guān)聯(lián)性弱。

城市軌道車輛人才需要極強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，而在現(xiàn)有的工科教學(xué)體系中，首先，課程內(nèi)容和工程應(yīng)用脫節(jié)較大。并且理論課程比重較大，工程實(shí)踐訓(xùn)練在學(xué)分比重上較比以往有所提高但受限于實(shí)習(xí)場(chǎng)地等因素而流于形式，缺少構(gòu)建面向工程應(yīng)用知識(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)踐內(nèi)容，理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐嚴(yán)重脫離，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后在面對(duì)實(shí)際工程問題時(shí)無從下手。因此，在教學(xué)體系的改革中，需以工程應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合，穿插進(jìn)行，并通過這種方式將專業(yè)課程之間搭建連接平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全周期教學(xué)體系的綜合優(yōu)化。

（2）實(shí)踐教學(xué)采用傳統(tǒng)單一灌輸式的教學(xué)方式。

現(xiàn)有的教學(xué)方式較為單一，大多仍采用教師為中心的單向傳授知識(shí)模式，在軌道車輛專業(yè)的授課內(nèi)容上仍是對(duì)結(jié)構(gòu)原理、計(jì)算分析、經(jīng)典例題進(jìn)行講解。在這種模式下，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，課堂交互性較差。盡管目前網(wǎng)絡(luò)課堂和翻轉(zhuǎn)課堂已經(jīng)取得了一定功效，但如何做到課堂生動(dòng)、學(xué)生主動(dòng)，仍是一個(gè)難題。因此，在教學(xué)方式的改革中，需采用混合教學(xué)模式，充分結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和理論教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用多種新型教學(xué)方法以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)真正意義上的翻轉(zhuǎn)課堂。

2? 基于CAD/CAE技術(shù)的城市軌道車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容改革

基于城市軌道車輛專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，在工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下，為實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與CAD/CAE技術(shù)交互式的實(shí)踐教學(xué)模式，需要從教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行改革，首先是結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)和人才需求對(duì)工程應(yīng)用軟件的合理選用，然后將工程應(yīng)用軟件與課程體系進(jìn)行“三模塊”的全周期貫穿，基本思路如圖1所示。

（1）工程應(yīng)用軟件的合理選用。

圍繞城市軌道車輛專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合社會(huì)和軌道車輛工程專業(yè)的人才需求，調(diào)研現(xiàn)行企業(yè)應(yīng)用或高校研究中城市軌道車輛的主流計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，大體可以分為二維設(shè)計(jì)、三維建模、動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析。結(jié)合現(xiàn)有平臺(tái)的師資、設(shè)備及項(xiàng)目領(lǐng)域狀況，對(duì)這些計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)同類別的工程應(yīng)用軟件進(jìn)行篩選，選擇易于本專業(yè)教學(xué)實(shí)施的工程應(yīng)用軟件。目前初步構(gòu)想為在二維設(shè)計(jì)中常用軟件為CAD（專業(yè)圖紙查看編輯），在三維建模中常用軟件為Catia（裝配模型處理、工程圖紙標(biāo)準(zhǔn)化），在動(dòng)力學(xué)分析中常用軟件為Simpack（軌道車輛動(dòng)力學(xué)模塊），在有限元分析中常用軟件為Abaqus（與Catia和Simpack有交互接口，強(qiáng)大的非線性問題分析能力）。

（2）工程應(yīng)用軟件與課程體系的融合。

基于城市軌道車輛專業(yè)現(xiàn)有教學(xué)體系，主要包括了三大模塊：車輛構(gòu)造、車輛強(qiáng)度和車輛動(dòng)力學(xué)。車輛構(gòu)造主要是對(duì)軌道車輛基本原理和結(jié)構(gòu)原理的介紹，重點(diǎn)圍繞城市軌道車輛的部件和總體設(shè)計(jì)，可以在教學(xué)內(nèi)容的開展中貫穿二維設(shè)計(jì)軟件和三維設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)。車輛強(qiáng)度主要是對(duì)軌道車輛結(jié)構(gòu)承受的作用載荷的分析，確定作用載荷在車輛結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，確定結(jié)構(gòu)在保證運(yùn)輸安全和耐久條件下，許用應(yīng)力、剛度和疲勞評(píng)估方法，重點(diǎn)圍繞軌道車輛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估，可以在教學(xué)內(nèi)容的開展中貫穿有限元軟件的教學(xué)。車輛動(dòng)力學(xué)主要是對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能和評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，重點(diǎn)圍繞運(yùn)動(dòng)過程中車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，可以在教學(xué)內(nèi)容的開展中貫穿動(dòng)力學(xué)軟件的教學(xué)。綜合城市軌道車輛工程專業(yè)的課程體系，建立車輛構(gòu)造、車輛強(qiáng)度和車輛動(dòng)力學(xué)“三模塊”課程內(nèi)容和工程軟件結(jié)合的課程體系，根據(jù)工程軟件具有的功能與現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段重新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容，充分利用工程軟件給設(shè)計(jì)、分析、制造等帶來的便利，突破傳統(tǒng)教學(xué)中理論教學(xué)的單一性，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中有工具可用，并在工具應(yīng)用過程中提高理論理解。

2.2 教學(xué)方法改革

圍繞教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容的改革，在教學(xué)方法上也需要進(jìn)行改革和創(chuàng)新，主要從教學(xué)工具、教學(xué)案例和教學(xué)分組上“多方面貫通”整個(gè)教學(xué)過程。智能化的教學(xué)工具實(shí)現(xiàn)課前、課上和課后的貫通，工程化的教學(xué)案例實(shí)現(xiàn)工程全周期的貫通，分組協(xié)作實(shí)現(xiàn)“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-反思”的教學(xué)理念貫通。

（1）智能化教學(xué)工具貫通課前、課上、課后。

伴隨著信息化運(yùn)用教學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用和發(fā)展促進(jìn)了教學(xué)手段的更新，作為一款適用于工科教學(xué)的智能化教學(xué)工具，雨課堂能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)、PPT和微信結(jié)合，把課前、課上、課后貫通，將面對(duì)面的教學(xué)方式和線上學(xué)習(xí)的方式融合，推進(jìn)學(xué)生和老師的互動(dòng)交流。擬利用雨課堂將理論授課和軟件實(shí)踐穿插于課堂中。課前教師可以把視頻、課件等教學(xué)資料發(fā)布，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)在線的預(yù)習(xí)，教師可以通過了解學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容不懂處進(jìn)行標(biāo)注，讓教師得到相應(yīng)的教學(xué)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整授課進(jìn)程。教師也可實(shí)時(shí)發(fā)布聯(lián)系，檢驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)，雨課堂的“彈幕”功能可以加強(qiáng)師生間的即時(shí)溝通，調(diào)動(dòng)課堂氛圍。課后復(fù)習(xí)，雨課堂的資料保存可以使學(xué)生隨時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行回顧。

（2）工程教學(xué)案例貫通工程全周期。

典型的教學(xué)案例能夠優(yōu)化整個(gè)課堂教學(xué)過程，尤其是城市軌道車輛專業(yè)，需要結(jié)合工程需求選取教學(xué)案例。同時(shí)，考慮城市軌道車輛專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性，擬采用工程教學(xué)案例將理論課程串聯(lián)，比如不同型號(hào)轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，在車輛工程的課程中對(duì)其構(gòu)造進(jìn)行講解，結(jié)合CAD初步設(shè)計(jì)尺寸，輔助Catia完成三維模型的建立。在有限元課程中基于有限元理論，采用Abaqus對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的提前預(yù)測(cè)和加工制造的可行性評(píng)估。進(jìn)而考慮車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，基于動(dòng)力學(xué)理論采用Simpack完成產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性模擬和運(yùn)行性能評(píng)估。通過工程案例，依據(jù)理論基礎(chǔ)，結(jié)合軟件實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)際工程的全周期設(shè)計(jì)分析。

（3）分組協(xié)作貫通現(xiàn)代教育理念。

在學(xué)生全周期實(shí)際工程的設(shè)計(jì)分析中，擬采用分組形式讓學(xué)生對(duì)全周期的實(shí)際工程問題進(jìn)行協(xié)同合作，把合適的工程項(xiàng)目課題適當(dāng)融入到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。首先，擬通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，讓小組成員進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，提高其創(chuàng)新能力。然后，在整體任務(wù)的設(shè)置中考慮一定的難度系數(shù)，通過教師課上引導(dǎo)，學(xué)生課后查找資料，提高其檢索能力。確定方案后，結(jié)合理論教學(xué)和軟件實(shí)踐，成員分工合作，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)，提高其設(shè)計(jì)能力。最后通過小組任務(wù)小結(jié)和自評(píng)，提高其總結(jié)與反思能力。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)新思考，查詢資料，分工合作。通過這種分組競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，遵循“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-反思”的現(xiàn)代工程教育理念，實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同成長(zhǎng)和共同進(jìn)步。

3? 結(jié)語

本文通過探索工程應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下基于CAD/CAE技術(shù)的城市軌道車輛專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式，為城市軌道交通車輛專業(yè)教學(xué)運(yùn)行模式提供可操作的全周期實(shí)踐教學(xué)方案，建立“三模塊”工程應(yīng)用軟件與課程體系融合的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，提出智能化、工程化、分組化的“多方面貫通”教學(xué)方法，從而促進(jìn)學(xué)生“理論知識(shí)、工程實(shí)踐、創(chuàng)新探索”能力的全面發(fā)展。

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