新工科背景下的軌道動力學課程教學改革探索

李再幃 何越磊 路宏遙

[摘 要]軌道動力學是交通運輸工程專業(yè)碩士學位的核心課程，直接關系到學生進行科學問題分析和研究的能力的培養(yǎng)。文章對既有軌道動力學課程教學現(xiàn)狀進行了分析，結合新工科建設思想，提出了采用網(wǎng)絡微課、翻轉課堂和虛擬仿真實驗等多種方式相結合的方法，進行軌道動力學課程的教學改革，給出了教學內(nèi)容和教學方法的改革措施。一個學期的教學實踐表明：所采用的教學改革方法切實提高了課程的教學效果，學生的相關專業(yè)素質能力得到了顯著的提升，建議在相近的課程中推廣使用此教學改革方案。

[關鍵詞]新工科;軌道結構;翻轉課堂;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）12-0061-03

“交通強國、鐵路先行”是近年來我國鐵路發(fā)展的真實寫照。隨著我國已建成世界上最大規(guī)模的高速鐵路運行網(wǎng)絡，高速鐵路發(fā)展的重心已經(jīng)由建設轉為運營，如何有效地保證高速鐵路線路服役狀態(tài)、提升養(yǎng)護維修作業(yè)效率是未來鐵路發(fā)展中必須要解決的問題。這對培養(yǎng)專業(yè)技術人才的高等院校提出了新的要求。高校需要在相關教學課程設置、教學內(nèi)容結構、教學手段設計以及實踐教學內(nèi)容等多方面進行合理的設計與調(diào)配，以滿足軌道交通和高速鐵路現(xiàn)場生產(chǎn)實踐與科學研究的要求。

作為交通運輸學科中道路與鐵道工程、載運工具運用工程的核心課程，軌道動力學需要根據(jù)現(xiàn)有高速鐵路技術發(fā)展，在教學過程中不斷地調(diào)整教學方法、內(nèi)容和試驗實踐內(nèi)容，實現(xiàn)交通運輸工程專業(yè)研究生對基礎理論和試驗方法的有效掌握與融會貫通。軌道動力學的課程教學不僅需要學生掌握軌道動力特性本身的基本理論與方法，更要使這種理論與方法成為后續(xù)課程及畢業(yè)論文學習的基礎和在實踐中驗證或判斷理論結論正確性、有效性的理論檢驗工具。換而言之，軌道動力學的教學需要特別注重理論與實踐關聯(lián)性等內(nèi)容的教學環(huán)節(jié)，通過對具體問題的分析、設計與仿真實驗研究，提高學生獨立分析問題，解決問題以及技術表現(xiàn)的能力。尤其是在新工科的背景下，根據(jù)其要求的：強調(diào)打破學科壁壘，構建多方協(xié)同的辦學體系，著重應用實踐訓練和實際操作能力的培養(yǎng)[1-3]，結合鐵路發(fā)展的時代背景，不僅要深化軌道動力學課程的理論性，也要有針對性地提升課程中實踐性教學的效果，突出交通運輸工程交叉學科的特征，有效地實施軌道動力學課程的教學改革。

本文在分析現(xiàn)有軌道動力學課程中存在的問題基礎上，突出新工科建設的特點，根據(jù)研究生教學的特點，理論聯(lián)系實際，分析學生的學習與專業(yè)研究特點，采用網(wǎng)絡微課、翻轉課堂和虛擬仿真實驗的方式，探索軌道動力學課程教學改革。

一、軌道動力學教學現(xiàn)狀分析

軌道動力學課程在我國起步較晚，初期都是由同濟大學、中南大學、西南交通大學、北京交通大學等具有鮮明鐵路軌道特色學科的高校開設，與其他應用型專業(yè)相比，其開設院校較少，無法進行普適性的調(diào)研和分析。因此，本文僅以上海工程技術大學城市軌道交通學院的交通運輸工程專業(yè)碩士軌道動力學課程為例進行討論。該課程為軌道交通基礎設施養(yǎng)護方向的核心必修課程，是一門理論與實踐結合性較強的課程，特色明顯，是交通運輸工程專業(yè)各相關研究方向（車輛動力學、軌道檢測、環(huán)境振動與噪聲）必須掌握和運用的主干課程之一。本課程自2014年開設以來，針對交通運輸工程專業(yè)一年級研究生，每年開課一次，32學時。經(jīng)過5年的專業(yè)教學實踐活動，筆者發(fā)現(xiàn)目前課程教學中存在著以下一些問題。

（一）教學內(nèi)容相對陳舊，新技術與新方法更新不及時

由于近年來高速鐵路與城市軌道交通運營中面臨著各種結構劣化問題，為了有效地解決發(fā)展中出現(xiàn)的新問題與新矛盾，滿足人們對軌道交通出行的舒適性和安全性的要求，軌道基礎結構與部件出現(xiàn)了各種新型結構形式。如為了適應中國高鐵走出去戰(zhàn)略，近年來，中國國家鐵路集團有限公司聯(lián)合中國鐵道科學研究院集團有限公司等單位，開發(fā)了CRTS III型板式無砟軌道結構。CRTS III型板式無砟軌道結構由于是在逐漸探索、研究和實踐中形成的，在近兩年才形成成套的技術規(guī)范，鐵道部門已經(jīng)將其鋪設在了鄭徐、盤錦等高速鐵路線路中，而由此可見針對性的課程教學已落后于生產(chǎn)實踐，這使得研究生在相關的研究中缺失了重要的內(nèi)容。又如華東地區(qū)的高速鐵路已普遍服役超過10年，縱連式無砟軌道板服役性能劣化特征顯著。為了維修脹板等典型結構病害，鐵路管理部門研發(fā)了快速頂板、板端錨固等新型技術，并采用了線路僅限速不停運的軌道板更換技術，這些新材料和新技術的廣泛應用，需要在課程教學中及時體現(xiàn)。此外，隨著軌道交通輪軌噪聲問題的日益突出，新型的減振降噪措施如雙層非線性抗扭減振扣件、組合式高性能減振道床系統(tǒng)等，已廣泛使用于上海地鐵中，而同樣可以看出技術已經(jīng)領先于專業(yè)教學內(nèi)容。所以，在軌道動力學教學中，需要緊跟中國鐵路技術發(fā)展脈搏，追蹤研究熱點，持續(xù)不斷地更新教學內(nèi)容，保證學生所學知識內(nèi)容的時代性與新鮮度。

（二）典型教學案例庫資源尚待完善

傳統(tǒng)的軌道動力學以講授經(jīng)典有砟線路的輪軌動力作用內(nèi)容為主，主要集中于輪軌有限元模型的建立、輪軌接觸關系模擬、軌道不平順分析和軌道動力特性的研究，后面雖增加了軌道交通振動與噪聲的內(nèi)容，但尚不深入，只是概念性地介紹。隨著現(xiàn)代信息技術的迅速發(fā)展，輪軌動力學仿真軟件的廣泛使用，SIMPACK和UM多剛體動力學軟件的運用已成為國內(nèi)外專業(yè)研究中被廣泛采用的方式。此外，人工智能與自動化檢測技術已逐漸成為線路檢測的主要方式。因此，既有的軌道動力學課程的案例庫顯得較為陳舊，內(nèi)容需要加強，特別是要強調(diào)人工智能化，變革原有教學內(nèi)容中鐵路運維以人工進行的方式，增加對于成熟輪軌動力學軟件的運用、無砟軌道動力學作用規(guī)律、無砟軌道結構損傷特征與預防性維修、軌道智能化檢測技術等內(nèi)容，并緊密結合最新的研究進展，形成教學案例資源庫經(jīng)常性更新的制度。

（三）課程試驗與生產(chǎn)實踐差異性顯著

軌道結構由于是多個部件組合形成的構造物，其動力作用呈現(xiàn)了顯著的非線性規(guī)律，而輪軌動力學理論模型和仿真計算軟件對于規(guī)律性的探索十分有利，但要準確地掌握軌道結構的動力特性，還需要進行大量的試驗研究，這也是工程科學有別于其他門類科學的顯著特征。以往的軌道動力學課程試驗以演示試驗為主，主要通過在鋼軌、扣件或道床部件上安裝振動加速度或應變片來實現(xiàn)對結構變形、模態(tài)等物理量的量測，而現(xiàn)代化鐵路線路維修時間短，現(xiàn)場作業(yè)往往依賴智能化、高效化與實時的結構物服役性能在線監(jiān)測技術，通過物聯(lián)網(wǎng)+云計算實現(xiàn)軌道服役狀態(tài)的實時預警和評估。因此，軌道動力學的課程試驗需要進行變革性的升級，引入人工智能的檢測技術，構建多媒體仿真智能化模型，從而滿足現(xiàn)代鐵路發(fā)展的要求。

（四）學生課堂參與度低，互動性差

軌道動力學是以軌道工程、結構動力學和彈塑性力學為基礎的專業(yè)課程，對于學生前序課程學習內(nèi)容的掌握程度要求較高，若力學基礎理論掌握不牢，學習新知識時易產(chǎn)生不理解或理解錯誤等問題，而目前高速鐵路和城市軌道交通運維要求零誤差，因為一旦出現(xiàn)問題，將產(chǎn)生災難性的后果?？梢姡嵘龑W生的學習效率和學習興趣是教學改革亟須解決的問題。此外，我校招收的交通運輸工程專業(yè)的研究生相對來說素質較差，在課堂教學內(nèi)容安排上教師需要較長時間去幫助學生回顧基礎知識，這相應地壓縮了新知識的授課時間，提高了授課速度，減少了課程教學的互動性。而學生在學習相對枯燥的知識過程中，注意力容易分散，這導致課堂教學效果不盡如人意。因此，需要引進世界各國先進的教育思路與教育方法，走出現(xiàn)有軌道動力學課堂教學的困境。

二、教學改革的主要措施

針對現(xiàn)有軌道動力學課程教學存在的問題，我們在新工科理念的指引下，突出新知識和新技術的導入，強調(diào)創(chuàng)新性的課程實踐環(huán)節(jié)，采用網(wǎng)絡微課、翻轉課堂和虛擬仿真實驗的方式，進行軌道動力學課程的教學改革，主要思路和措施闡述如下。

（一）采用動態(tài)電子講義，進行內(nèi)容模塊化分類，促進學生主動學習擴充性資料

內(nèi)容固定的教材出版周期長，無法滿足軌道動力學課程教學的實際需要，使用突出模塊化特點的電子講義則可以有效地解決這個問題。一方面，內(nèi)容模塊化便于學生對教學內(nèi)容的主干知識進行準確掌握[4-5]，通過將主干知識點模塊化，圍繞軌道基礎結構、軌道幾何形位、軌道靜力學、輪軌耦合動力學、軌道檢測與維修等具體模塊進行建設，可以提高知識的傳授效率。另一方面，動態(tài)模塊化也便于教師及時地升級和補充最新的教學素材，能調(diào)動教師變更教學內(nèi)容的積極性。此外，上海工程技術大學的辦學特色是政產(chǎn)學研深度融合，城市軌道交通學院與上海申通地鐵集團有限公司、中國鐵路上海局集團有限公司形成了良性產(chǎn)學研循環(huán)，鐵路線路維保的第一手資料經(jīng)過相關部門和學院許可后，均可向研究生免費開放，這無疑為學生的主動性學習提供了絕佳的素材，極大地調(diào)動了學生的研究熱情，為課堂教學的高效展開奠定了基礎。

（二）建設網(wǎng)絡微課，形成重點要點突出、特色鮮明的課程知識體系

課程教學團隊采用現(xiàn)代教育技術進行軌道動力學教學模式的變革，構建軌道動力學的現(xiàn)代教學模式，提高教學的真實性和有效性，使學生能更好地理解軌道動力學的基本概念和基本理論，為后續(xù)相關軌道交通行業(yè)實習和崗位工作打下扎實的基礎。為了提高教學效率、改善教學效果，課程教學團隊改變傳統(tǒng)單一的課堂教學手段，將多媒體、互聯(lián)網(wǎng)技術等引入教學過程中，形成典型知識要點的網(wǎng)絡微課[6-7]，有效利用超星學習通、騰訊課堂、ZOOM等網(wǎng)絡學習平臺，使課堂教學既直觀形象，又具有生動性。同時，課程教學團隊精心編寫軌道動力學的電子教案及課件，組織課程演示內(nèi)容，做到圖文并茂、提綱挈領，將課件、案例庫、參考書籍等輔助教學資料發(fā)布到課程網(wǎng)站上，供學生下載學習。

（三）利用虛擬現(xiàn)實仿真教學技術，打造虛擬現(xiàn)實的試驗環(huán)境平臺

現(xiàn)代的AR和VR技術的迅速發(fā)展，給軌道動力學虛擬仿真試驗的開展提供了有效的技術支撐平臺[8-9]。課程教學團隊利用建筑模型信息化（BIM）技術，通過構筑有砟軌道、無砟軌道、道岔等軌道結構物，利用Unity平臺進行模型聯(lián)合和調(diào)試，自主設計開發(fā)了軌道動力學虛擬仿真試驗平臺，學生通過VR眼鏡和手柄即可完成相關課程實踐環(huán)節(jié)的仿真試驗，如軌道板服役性能在線監(jiān)測系統(tǒng)、扣件損傷檢測與更換、道岔零部件損傷檢測與拆裝等，且系統(tǒng)可以自動地記錄學生的學習情況，形成個性化的試驗方案，這極大地增加了相關實踐環(huán)節(jié)的知識認識深度。此外，整個部件的作業(yè)檢修流程均按照線路養(yǎng)護部門的真實操作進行，這進一步增強了學生學習的針對性與有效性。通過一個學期的建設，課程教學效果良好，學生反映希望可以豐富試驗項目，增加相關檢測操作流程。

（四）采用翻轉課堂教學方式，增強學生互動性，提升課堂教學效率

學生專業(yè)知識掌握不牢是教學過程中的痛點，如何提升知識預習的深度和課堂學習的效率是課程教學團隊必須要解決的問題。因此，我們引入了西方教育界較為流行的翻轉課堂的教學方式[10]，根據(jù)研究生數(shù)量較少的特征，通過配置一定高年級研究生助教的方式，以軌道動力學課堂各個典型知識點為主題，進行自助式學習，利用翻轉課堂強調(diào)提前預習和過程討論的特征。這既解決了前序知識學習不牢的問題，增加了學生的知識厚度，又加強了學生的表達和邏輯思維能力，有效地增強了軌道動力學課堂的教學效果。向學院研究生導師調(diào)研的結果顯示，通過一個學期的教學，相關研究生導師均反映學生已經(jīng)具有了一定的軌道動力學基礎知識，可以有效地參與到相關課題研究中。

三、結語

軌道動力學課程的教學目的是使研究生通過本課程的學習獲得軌道動力學的理論基礎及掌握其應用技術。一個學期的軌道動力學教學改革表明，注重授課內(nèi)容的時效性與科學性，借助現(xiàn)代科技的信息化手段，結合虛擬現(xiàn)實仿真技術的做法，取得了顯著的教學效果，提升了專業(yè)學生的學習熱情和效率。專業(yè)學生具備了將軌道動力學知識在各自研究方向及交通運輸領域進行相關科學問題的分析和研究的能力，并創(chuàng)造性地解決了系統(tǒng)應用問題，這無疑為其從事交通運輸工程行業(yè)系統(tǒng)設計和研究工作打下了一定的基礎。建議在交通運輸工程其他的專業(yè)課教學中推廣使用本文所倡導的改革方案。

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[責任編輯：鐘 嵐]

[收稿時間]2020-07-10

[基金項目]上海工程技術大學研究生教學建設項目（20XKC010）。

[作者簡介]李再幃（1983-），男，吉林大安人，工學博士，副教授，從事軌道結構力學的教學與科研工作。