產(chǎn)學(xué)研用融合理念下的土動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革初探*

唐亮 凌賢長(zhǎng) 田爽 韓笑 孔祥勛

哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 哈爾濱 150090

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，已成為世界上高鐵在建規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)速度最快、集成能力最強(qiáng)的國(guó)家，“中國(guó)高鐵”在世界上的認(rèn)知度逐步提升，成為我國(guó)面向世界的一張閃亮名片。隨著我國(guó)“一帶一路”倡議、“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略等的深入實(shí)施，急需一批具有扎實(shí)土動(dòng)力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用創(chuàng)新型人才，然而，目前土動(dòng)力學(xué)課程存在理論知識(shí)體系脫離工程實(shí)際，學(xué)生缺乏創(chuàng)新意識(shí)等問(wèn)題。因此無(wú)論從國(guó)家發(fā)展層面，還是從社會(huì)人才需求層面，研究生培養(yǎng)機(jī)制向“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合發(fā)展已是必然趨勢(shì)，且迫在眉睫。

本文依托加速推動(dòng)時(shí)速400 公里級(jí)高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的時(shí)代背景，充分利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)深耕土動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域數(shù)十年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、研究基礎(chǔ)與工程積累，聯(lián)合中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵建股份有限公司、中國(guó)中鐵股份有限公司、中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司等知名研究單位、設(shè)計(jì)和施工企業(yè)，致力于提出土動(dòng)力學(xué)研究生課程“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合協(xié)同育人培養(yǎng)模式，探索具有中國(guó)特色的土動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用型人才培養(yǎng)路徑，對(duì)我國(guó)高速鐵路等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)維無(wú)疑具有重要意義與廣闊應(yīng)用前景。

1 土動(dòng)力學(xué)課程存在的問(wèn)題

1.1 未涵蓋軌道交通動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)

當(dāng)前高校開(kāi)設(shè)的土動(dòng)力學(xué)課程涵蓋的知識(shí)體系主要包括土動(dòng)力學(xué)基本理論、土的動(dòng)力特性、砂土液化評(píng)價(jià)方法、土的動(dòng)參數(shù)測(cè)試以及土工抗震等方面的基本理論知識(shí)。整體來(lái)看，課程的教學(xué)體系更側(cè)重于地震工程。地震工程中更關(guān)注砂土液化、地震響應(yīng)等問(wèn)題，而高鐵等軌道交通動(dòng)力學(xué)更關(guān)注變形、振動(dòng)；同時(shí)，地震荷載是短時(shí)低頻的，而高鐵荷載則是長(zhǎng)期高頻的。現(xiàn)有土動(dòng)力學(xué)課程中基于抗震設(shè)計(jì)理論的知識(shí)點(diǎn)無(wú)法直接應(yīng)用于快速軌道交通動(dòng)力學(xué)中。因此，面向時(shí)速400 km/h 以上高速鐵路路基控制關(guān)鍵技術(shù)需求，對(duì)土動(dòng)力學(xué)課程實(shí)施教學(xué)改革迫在眉睫。

1.2 未涉 及超高速鐵路路基控制問(wèn) 題

高速鐵路提速至?xí)r速400 km/h 以上時(shí)，會(huì)給路基帶來(lái)嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題。超高速行駛會(huì)帶來(lái)諸多隱患，如高速鐵路列車(chē)運(yùn)行速度接近或超過(guò)路基土體中波的傳播速度，列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)不能及時(shí)傳播出去，會(huì)引發(fā)激波現(xiàn)象和馬赫效應(yīng)，導(dǎo)致路基產(chǎn)生過(guò)大振動(dòng)和累積塑性變形，進(jìn)而影響乘坐舒適性，甚至威脅行車(chē)安全。此外，列車(chē)在超高速行駛時(shí)，路基振動(dòng)頻率若與路基固有頻率接近，就會(huì)產(chǎn)生共振；頻率越接近，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的能量越多，振動(dòng)越劇烈，發(fā)生事故的概率越高。目前，土動(dòng)力學(xué)課程尚未涉及高速鐵路路基控制問(wèn)題。超高速列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題在普速鐵路和現(xiàn)有的高速鐵路中不易見(jiàn)到，應(yīng)將其引入土動(dòng)力知識(shí)體系中，教學(xué)方法也應(yīng)作出相應(yīng)的改革，適當(dāng)將數(shù)值仿真等方法引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能更直觀地感受超高速鐵路的路基控制問(wèn)題[1-3]。

1.3 未包含工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

除教學(xué)體系中涵蓋的知識(shí)點(diǎn)有所欠缺外，目前土動(dòng)力學(xué)課程授課多以課堂講授為主，少有試驗(yàn)、工程實(shí)踐等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，課程實(shí)用性差。課程教學(xué)手段、教學(xué)形式的單一性，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)高鐵提速后帶來(lái)的路基穩(wěn)定性控制關(guān)鍵問(wèn)題缺乏直觀的認(rèn)知。應(yīng)在傳統(tǒng)授課方式基礎(chǔ)上，增設(shè)以典型工程為依托的工程實(shí)踐環(huán)節(jié)、室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生有代入式的教學(xué)感受，這對(duì)學(xué)生領(lǐng)悟知識(shí)具有重要的作用，故將實(shí)踐教學(xué)融入土動(dòng)力學(xué)課程也是一項(xiàng)有重大研究意義的舉措。

2 土動(dòng)力學(xué)研究生課程改革措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革與建議

面向時(shí)速400 km/h 以上高速鐵路路基控制關(guān)鍵技術(shù)需求，還需完善土動(dòng)力學(xué)課程知識(shí)體系。補(bǔ)充軌道交通動(dòng)力學(xué)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，主要包括軌道交通線路動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)涵及意義、軌道交通的荷載特性、軌下基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算方法、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、土體動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)變形特性、車(chē)輛—軌道—路基耦合動(dòng)力分析、軌道交通振動(dòng)與噪聲控制等。通過(guò)增設(shè)相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生在了解軌道交通動(dòng)力學(xué)基本原理、軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)力基本特性的基礎(chǔ)上，掌握軌道交通路基動(dòng)力學(xué)分析方法，為我國(guó)超高速列車(chē)路基控制關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展培養(yǎng)和輸送人才。

2.2 教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革與建議

2.2.1 數(shù)值仿真

傳統(tǒng)土動(dòng)力學(xué)課程教學(xué)在增設(shè)軌道交通動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，將數(shù)值仿真方法引入課堂，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到使學(xué)生切身感受工程問(wèn)題的目的?；诖耍瑢W(xué)生能夠更真實(shí)地模擬出高速列車(chē)荷載傳遞路線與規(guī)律、列車(chē)荷載引發(fā)的路基動(dòng)力響應(yīng)等，可在教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生全方位、多層次地了解和掌握時(shí)速400 km/h 以上的高鐵路基穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)，使學(xué)生對(duì)超高速下高鐵路基的振動(dòng)有更直觀清晰的認(rèn)知[4-6]。

2.2.2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生操作相關(guān)的設(shè)備及材料，從觀察現(xiàn)象的變化中加深對(duì)知識(shí)理解的教學(xué)環(huán)節(jié)。故基于增設(shè)的軌道交通動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，土動(dòng)力學(xué)課程應(yīng)增加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)開(kāi)展三軸試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)等，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更為深刻的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步領(lǐng)略超高速列車(chē)行駛下路基可能出現(xiàn)的失穩(wěn)問(wèn)題及控制技術(shù)難題。

2.2.3 實(shí)踐教學(xué)

我國(guó)高鐵產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從國(guó)內(nèi)到國(guó)外的轉(zhuǎn)變，是“中國(guó)制造”走出國(guó)門(mén)的一張亮麗名片。高鐵行業(yè)健康蓬勃發(fā)展，為校企之間產(chǎn)教融合提供了健康發(fā)展的基礎(chǔ)，更是產(chǎn)業(yè)與教育協(xié)同發(fā)展、產(chǎn)教深度融合的著力點(diǎn)。對(duì)照《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》要求，高校教學(xué)應(yīng)緊密對(duì)接高鐵行業(yè)。面對(duì)高鐵面向時(shí)速400 公里級(jí)的行業(yè)和科研形勢(shì)，高校應(yīng)建成調(diào)和聯(lián)動(dòng)、多元共識(shí)的專(zhuān)業(yè)群內(nèi)部治理體系，形成校企共建共享優(yōu)質(zhì)資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)職業(yè)培訓(xùn)校企互融互通、服務(wù)發(fā)展校企互補(bǔ)互進(jìn)的實(shí)踐效果，以期達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)效果，讓學(xué)生對(duì)土動(dòng)力學(xué)課程擁有更深入的認(rèn)識(shí)[7-8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有土動(dòng)力學(xué)研究課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法與我國(guó)推動(dòng)時(shí)速400 公里級(jí)高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)戰(zhàn)略背景不匹配的關(guān)鍵問(wèn)題，本文提出的土動(dòng)力學(xué)教學(xué)模式改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐，為超高速鐵路路基工程的幾處教學(xué)實(shí)踐探索了一種新的模式。面向超高速鐵路路基控制關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)與人才培養(yǎng)，通過(guò)教學(xué)改革，完善教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，深化軌道交通動(dòng)力學(xué)理論教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的科學(xué)化、工程化和實(shí)用化，是適應(yīng)我國(guó)重大工程需求的教學(xué)實(shí)踐模式探索的有效途徑。