新工科背景下軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究

摘 要 隨著運(yùn)行速度的提高，高速列車與其周邊環(huán)境的相互作用加劇，傳統(tǒng)的單學(xué)科、單視角等基礎(chǔ)課程難以滿足新工科時(shí)代背景下車輛工程專業(yè)學(xué)生的理論需求。為此，須將高速列車與周邊運(yùn)行環(huán)境耦合起來，作為一個(gè)整體進(jìn)行多學(xué)科領(lǐng)域集成的課堂講授，使學(xué)生獲得高速列車整機(jī)性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)理念，這一基本理念即為本課程教學(xué)內(nèi)容改革的創(chuàng)新之處。在教學(xué)方法上重點(diǎn)引入“耦合”的思想，以高速列車為載體，探討車輛子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的相互影響，利用新型動(dòng)態(tài)展示技術(shù)，結(jié)合工程應(yīng)用背景，開發(fā)靈活多變的考核評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)車輛工程專業(yè)學(xué)生在知識、能力和素養(yǎng)的同步提升。

關(guān)鍵詞 新工科；軌道車輛；多學(xué)科；耦合

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.6.040

Research on the Teaching Reform of Digital Design of Rail Vehicles in the

Context of New Engineering

YU Yang， LI Yonghua

（College of Locomotive and Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian， Liaoning 116028）

Abstract With the increase of operating speed， the interaction between high speed trains and the surrounding environment intensifies. Traditional single-discipline and single-view courses are difficult to satisfy the requirement of vehicle engineering majors. Therefore， it is necessary to combine the high speed train with surrounding environment and give a lecture considering multidisciplinary integration， in order to provide a new design philosophy on better overall performance. This philosophy is the core innovation in the teaching content reform of this course. The concept of “coupling” is introduced to the teaching method and the interaction between the vehicle subsystem and the other subsystems is discussed deeply. By utilizing newly dynamic display technique， combining theory with engineering applications and developing flexible assessment system， the students' knowledge， capability and quality can be enhanced effectively.

Keywords new engineering; railway vehicles; multidisciplinary; coupling

傳統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)、線路動(dòng)力學(xué)、弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等單學(xué)科基礎(chǔ)課程難以滿足高速列車整機(jī)性能提升的迫切需要。為此，必須將高速列車與周邊運(yùn)行環(huán)境耦合起來，作為一個(gè)整體進(jìn)行多學(xué)科領(lǐng)域集成的課堂講授，使學(xué)生獲得高速列車整機(jī)性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)理念，這一基本理念即為軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)課程（以下簡稱“本課程”）教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新之處。在教學(xué)方法上重點(diǎn)引入“耦合”的關(guān)鍵思想，對學(xué)科耦合的相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行集成、分布、協(xié)同的演化式講解。創(chuàng)建多媒體演示效果良好、知識點(diǎn)邏輯關(guān)系清晰、師生互動(dòng)效率提升以及工程實(shí)踐應(yīng)用迅捷的新工科教學(xué)環(huán)境。在教學(xué)評價(jià)機(jī)制上充分利用全過程性考核靈活多變的特點(diǎn)，全方位測評學(xué)生對該門課程的掌握情況，并促進(jìn)學(xué)生將本課程的基本理論有效地與工程背景結(jié)合、與理工科的科研體系兼容。本課程講述內(nèi)容既是對先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的深入探討和應(yīng)用，又將新的理論引入高速列車的教學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域，對車輛工程專業(yè)的學(xué)科體系建設(shè)起到推動(dòng)性作用。

1 "教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題及教學(xué)內(nèi)容革新

1.1 "教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題

高速列車的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，不僅受到線路和接觸網(wǎng)等固定設(shè)施條件的影響，同時(shí)受到牽引供電和列車運(yùn)營系統(tǒng)的控制，最終還將受到空氣擾動(dòng)、阻力及噪聲等因素的制約[1]。隨著列車運(yùn)行速度的提高，高速列車與其周邊運(yùn)行環(huán)境之間的相互作用加劇。傳統(tǒng)的基于車輛動(dòng)力學(xué)、線路動(dòng)力學(xué)、弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等單學(xué)科領(lǐng)域的理論知識講授，難以讓學(xué)生對高速列車整機(jī)性能的提升有深入的理解。然而在本課程教學(xué)內(nèi)容改革之前尚沒有向?qū)W生系統(tǒng)地教授高速列車與其周邊運(yùn)行環(huán)境的耦合理論。本課程教學(xué)改革旨在以高速列車為實(shí)例對象，具體闡述復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)多分析視圖耦合仿真的基礎(chǔ)理論、建模方法以及研究手段。

1.2 "教學(xué)內(nèi)容革新

新工科背景下課程教學(xué)內(nèi)容的革新不僅僅是基于原有內(nèi)容的延拓，更應(yīng)與理工科特有的思維邏輯深度融合[2]。課程針對高速列車多分析視圖耦合仿真重點(diǎn)講授兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是不同功能、性能特性的學(xué)科領(lǐng)域的子系統(tǒng)間耦合仿真模型構(gòu)建問題；二是不同仿真步長、時(shí)長的學(xué)科領(lǐng)域的子系統(tǒng)間耦合仿真過程的時(shí)空同步控制問題。模型構(gòu)建包括兩部分內(nèi)容，首先，構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其次，構(gòu)建其可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)仿真的模型。層次分明、邏輯清楚地帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)知“數(shù)學(xué)理論是基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)仿真模型是數(shù)學(xué)理論在計(jì)算機(jī)仿真中的應(yīng)用”。

為了能夠讓車輛工程專業(yè)的學(xué)生能夠深度理解高速列車多學(xué)科領(lǐng)域耦合仿真方法的關(guān)鍵步驟，以數(shù)值實(shí)驗(yàn)為手段，以實(shí)現(xiàn)流程的遞進(jìn)、循環(huán)、選擇、判斷等基本思想作為演繹節(jié)點(diǎn)，向?qū)W生介紹多層次協(xié)同仿真推進(jìn)及控制方法、同層次各領(lǐng)域的仿真步長同步控制方法、耦合模型求解及邊界數(shù)據(jù)處理方法等實(shí)現(xiàn)耦合仿真的重要控制技術(shù)。使學(xué)生能夠?qū)W而能“試”、學(xué)而能“用”，學(xué)而能“研”。

2 "現(xiàn)有教學(xué)方法的局限性與創(chuàng)新

2.1 "現(xiàn)有教學(xué)方法的局限性

高速列車作為一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，涉及機(jī)械、控制、電子、液壓和氣動(dòng)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域可以用一個(gè)分析視圖來表達(dá)，每一個(gè)“視圖”都對應(yīng)一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域或是一門基礎(chǔ)課程，而本課程強(qiáng)調(diào)的高速列車整機(jī)性能則是各個(gè)領(lǐng)域知識的綜合體現(xiàn)。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和大量工程系統(tǒng)的應(yīng)用，高速列車產(chǎn)品研發(fā)過程中各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和仿真能力得到不斷加強(qiáng)，因此，在本課程的教學(xué)實(shí)踐過程中，對領(lǐng)域間的協(xié)同機(jī)制的教授成為當(dāng)前軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)課程體系建設(shè)的瓶頸所在。由于各門基礎(chǔ)課程著眼于解決不同領(lǐng)域的技術(shù)問題，每個(gè)領(lǐng)域一般都有其各自的目標(biāo)和約束條件，有時(shí)候這些目標(biāo)和約束條件與其他領(lǐng)域存在著耦合的關(guān)系，甚至是相互矛盾的，合理確定各個(gè)領(lǐng)域間的共享參數(shù)和學(xué)科邊界非常困難[3]。如果只專注于單學(xué)科順序設(shè)計(jì)方法，忽略各系統(tǒng)之間的耦合，使學(xué)生對設(shè)計(jì)最優(yōu)結(jié)果解缺乏準(zhǔn)確的認(rèn)知，導(dǎo)致實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)循環(huán)增加和成本增加。

傳統(tǒng)的工科教學(xué)給人以呆板、沉悶的環(huán)境，授課教師一味地理論推導(dǎo)與工程案例解析往往提不起學(xué)生的興趣，傳統(tǒng)的力學(xué)建模課程要么采用繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，要么直接拋開公式僅向?qū)W生輸出建模的基本原理。前者容易使學(xué)生陷入復(fù)雜的方程理解而迷失其背后的物理概念，后者會(huì)令學(xué)生僅掌握簡單的物理概念而無法建立嚴(yán)格的理論體系。

2.2 "教學(xué)方法創(chuàng)新

本課程的教學(xué)方法重點(diǎn)在于采用并行方式，對學(xué)科耦合的相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行集成、分布、協(xié)同的演化式講解。要充分利用以計(jì)算機(jī)仿真為主體的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，在虛擬設(shè)計(jì)視圖的基礎(chǔ)上，采用多個(gè)分析視圖對高速列車的綜合性能進(jìn)行多方面呈現(xiàn)，在概念講述過程中考慮不同分析視圖（學(xué)科領(lǐng)域）之間的耦合作用，緊密結(jié)合工程案例，做到以產(chǎn)業(yè)需求引導(dǎo)學(xué)生興趣，以多領(lǐng)域知識梳理增進(jìn)學(xué)生的理論水平，以先進(jìn)的研究成果剖析加深學(xué)生對高速列車“多分析視圖耦合”“多領(lǐng)域耦合”“多學(xué)科耦合”的理解層次。

本課程采用通俗易懂的語言給出車輛系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)和氣流系統(tǒng)的基本工作原理，讓學(xué)生了解問題最本質(zhì)的概念，接著根據(jù)概念的層次有的放矢地進(jìn)行公式演繹，給出列車動(dòng)力學(xué)的車間耦合、弓網(wǎng)耦合、輪軌接觸耦合等模型的理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)每一位工科學(xué)生自身的學(xué)科體系構(gòu)建。此外，傳統(tǒng)的PPT展示、短視頻放映的授課方式具有相對局限性，本課程重點(diǎn)引入不同粒度的高速列車運(yùn)行模擬展示技術(shù)，不同域的動(dòng)態(tài)狀態(tài)展示技術(shù)以及多樣化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車、線路、弓網(wǎng)、牽引供電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的時(shí)空同步一體化動(dòng)態(tài)展示，包括二維數(shù)據(jù)和三維實(shí)體的結(jié)合展示。與傳統(tǒng)的二維曲線展示相比，新技術(shù)中的三維可視化展示更加形象逼真，新技術(shù)屬于專門為高速列車的運(yùn)行模擬定制，專業(yè)功能更全面。

3 "教學(xué)環(huán)境改善

本課程的教學(xué)環(huán)境充分利用多媒體教學(xué)輔助技術(shù)，避免邏輯事實(shí)的堆疊，以講故事的形式、以文獻(xiàn)綜述為指引，詳述中國高速鐵路的發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)，闡明鐵路領(lǐng)域動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀，引出高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的必要性；通過邏輯關(guān)系示意圖幫助學(xué)生進(jìn)行思路疏導(dǎo)；結(jié)合工程實(shí)例的圖片或短視頻幫助學(xué)生建立相關(guān)理論的工程應(yīng)用背景；通過教師口述向?qū)W生講授高速列車各分析視圖耦合關(guān)系的基本概念和理論體系，使學(xué)生自然地接受耦合建模的科學(xué)依據(jù)；引入工程案例向?qū)W生對比分析考慮耦合關(guān)系建模與單向建模的主要區(qū)別，進(jìn)一步說明實(shí)際工程中考慮“耦合”的必要性，總結(jié)本課程該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)意義。下面具體展示本課程相關(guān)內(nèi)容的五部分教學(xué)環(huán)境：

①以文獻(xiàn)綜述為指引，詳述中國高速鐵路的發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)，引出高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的必要性； ②給出車線耦合、車弓網(wǎng)耦合、機(jī)電耦合以及流固耦合的邏輯關(guān)系示意圖幫助學(xué)生疏導(dǎo)思路；③給出工程實(shí)例圖片幫助學(xué)生建立相關(guān)理論的工程應(yīng)用背景；④介紹視圖耦合關(guān)系的基本概念；⑤引入工程案例對比分析考慮耦合關(guān)系建模與單向建模的主要區(qū)別。

工程實(shí)踐教學(xué)作為高校人才培養(yǎng)工作的重要組成部分，是提高人才質(zhì)量的切入點(diǎn)和重要支撐[4]。本課程可以結(jié)合車輛工程專業(yè)的工程實(shí)訓(xùn)同步進(jìn)行，將學(xué)生帶到本地區(qū)的高鐵檢修中心、檢測中心以及廠房機(jī)務(wù)段等一線場所，讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中體悟軌道車輛設(shè)計(jì)需要考量的多學(xué)科因素，并且在現(xiàn)場實(shí)時(shí)講解各個(gè)因素是如何存在客觀耦合關(guān)系的，這樣可以通過工廠的實(shí)地環(huán)境讓學(xué)生熟悉多學(xué)科耦合知識在軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

4 "教學(xué)評價(jià)體系優(yōu)化

由于本課程高速列車多分析視圖耦合分析這部分內(nèi)容所涉及的公式理論十分復(fù)雜，教師在講授、考核等環(huán)節(jié)中過分注重?cái)?shù)學(xué)理論推導(dǎo)，則超出了車輛工程本科生的理解能力范圍。因此，本課程該部分內(nèi)容優(yōu)化后采用了全過程性的考核方式，通過隨堂測驗(yàn)、課后作業(yè)、小組PPT匯報(bào)以及課程大報(bào)告四種方式對學(xué)生接受知識進(jìn)行測評。隨堂測驗(yàn)的題型靈活多變，在充分涉及講授內(nèi)容的同時(shí)，注重本課程知識點(diǎn)與本專業(yè)其他相關(guān)課程內(nèi)容的追溯與聯(lián)動(dòng)，通過單選題、多選題、簡答題、手繪關(guān)系圖等題目，不僅讓學(xué)生對本課程的知識構(gòu)架有著清晰的理解，還可以與其他基礎(chǔ)課程的理論形成一體化的融合效果；課后作業(yè)的設(shè)置不僅要求學(xué)生精準(zhǔn)掌握本課程的關(guān)鍵知識點(diǎn)，更有助于加深記憶，力求使學(xué)生形成自己的理論框架；能夠進(jìn)一步增加師生互動(dòng)以及學(xué)生間互動(dòng)的考核方式為小組PPT匯報(bào)，要求學(xué)生分組進(jìn)行資料搜集、整理，小組討論以及PPT制作，PPT內(nèi)容限定在本節(jié)課的內(nèi)容當(dāng)中，既要求體現(xiàn)相關(guān)知識點(diǎn)又要求小組組員給出自己的看法，闡述如何將內(nèi)容遷移到工程實(shí)踐。同時(shí)小組PPT匯報(bào)環(huán)節(jié)是學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力鍛煉[5]；最后一個(gè)環(huán)節(jié)為課程報(bào)告，在限定報(bào)告的格式前提下要求學(xué)生系統(tǒng)地闡述對本課程相關(guān)內(nèi)容的理解，包括理論知識的理解，模型建立的過程，耦合仿真的操作要點(diǎn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心注意事項(xiàng)，使學(xué)生將所學(xué)知識融會(huì)貫通，最終向科學(xué)研究環(huán)節(jié)邁進(jìn)，這一部分是將教學(xué)內(nèi)容向科研體系推進(jìn)的關(guān)鍵一步，單純的課堂講授無法令學(xué)生對科研論文以及科研報(bào)告的撰寫有深入的了解，在學(xué)生撰寫報(bào)告之前對相關(guān)格式、內(nèi)容邏輯關(guān)系、參考文獻(xiàn)引用要求、圖表設(shè)置規(guī)范等給出詳細(xì)的指導(dǎo)并結(jié)合課程內(nèi)容演示相關(guān)范例，學(xué)生撰寫過程中實(shí)時(shí)跟蹤，引導(dǎo)學(xué)生將課堂教授內(nèi)容、自行搜集整理的文獻(xiàn)資料以及同組借鑒的數(shù)據(jù)結(jié)果有機(jī)整理，最終形成一份合格的課程報(bào)告。

5 "結(jié)語

新工科背景下，軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革十分必要，本文從教學(xué)內(nèi)容革新、教學(xué)方法提升、教學(xué)環(huán)境改善以及教學(xué)評價(jià)體系優(yōu)化四個(gè)方面深入探討了教學(xué)改革的具體方案。在教學(xué)內(nèi)容上引入耦合的概念，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科集成式的教學(xué)，有效地將已有的單學(xué)科知識融會(huì)貫通，形成軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)整機(jī)優(yōu)化的知識框架；教學(xué)方法上融入最新的動(dòng)態(tài)展示技術(shù)改善傳統(tǒng)理工科乏味的公式推導(dǎo)環(huán)節(jié)，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；教學(xué)環(huán)境上采用五部分教學(xué)法，著重利用流程圖的形式幫助學(xué)生梳理軌道車輛關(guān)鍵子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系；教學(xué)評價(jià)環(huán)節(jié)充分利用全過程考核靈活多變、形式豐富、易于調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的優(yōu)勢，完成學(xué)生對本課程的合理測評。本課程教學(xué)改革順應(yīng)新工科背景的重要需求，體現(xiàn)了理工科教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)、不斷優(yōu)化的先進(jìn)思想，為我國理工科教學(xué)體系完善以及課程先進(jìn)性提升作出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：2023年大連交通大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量與教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向多學(xué)科深度集成的軌道車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)教學(xué)理論研究”（2AD10D0C00412D03）；2022年遼寧省教育廳普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于STEAM理念的車輛工程專業(yè)成長式問題化教學(xué)模式改革研究與實(shí)踐”（10150-329）；2022年遼寧省教育廳研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目“‘5E’教學(xué)模式下研究生應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學(xué)實(shí)踐研究”（10150-190）。

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