引入虚拟和实物模型的互动式课堂教学模式研究——以《机车车辆工程》教学改革为例

张书增

（中南大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

0 引言

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，其核心是确保本科毕业生能够达到行业认可的质量标准要求，因此所设置的课程均需要完成既定的教学目标[1，2]。在工程教育认证体系下，工科院校相关课程的教学工作需要以成果产出为导向，通过持续改进逐步发展，即需要对传统课堂教学模式进行必要的改革[3，4]。

《机车车辆工程》课程作为中南大学交通运输工程学院交通设备与控制工程专业的必修专业课程之一，也是该专业最具专业特征的一门课程。该课程要求学生能全面地掌握铁道机车车辆相关的基本知识，掌握机车车辆关键结构的特点、工作原理及运行性能，熟悉国内外机车车辆的发展趋势与新的技术，为学生毕业后从事机车车辆相关技术工作奠定良好的基础[1]。

本论文将以《机车车辆工程》课程为对象，针对课程的教学目标，通过分析课程的教学难点，提出引入虚拟和实物模型进入课堂辅助教学的改革措施，对课程教学过程中教学设计进行有效规划，并从课堂安排、课堂讨论和课后作业布置情况等方面展开探讨，通过反馈意见对教学改革成果进行总结，最后对今后的课堂教学发展提出展望。

1 课程的教学的难点

《机车车辆工程》课程课堂讲授内容主要内容包括铁道机车车辆的基本知识，机车车辆转向架的基本组成和工作原理，机车车辆车体结构，车端连接装置的组成和作用原理，国产内燃机车和电力机车的基本结构和工作原理等。其中诸如车钩、减振器、各类型的转向架等具有复杂的结构，如果学生学习过程中仅通过教材二维或者三维图等难以理解结构的具体组成结果；诸如缓冲器工作原理、空心轴六连杆机车转向架力的传递过程、车钩三态作用过程等复杂的作用原理，仅仅通过课堂讲解而没有相关动画演示，学生无法对相关作用原理形成有效的认识。此外，关于课程目标要求学生掌握机车车辆相关设计和产品开发全周期、全流程的基本设计，且能够针对特定需求完成系统、部件或工艺过程的设计等，该方面的内容是无法仅通过教师讲解达到目的的，必须要求学生参与课堂乃至课下进行相关设计完成。因此，该课程的教学中，如何帮助学生理解复杂结构和掌握工作原理，以及如何培养学生掌握设计要领和原则等，成为该课程教学过程中需要重点解决的问题。

2 虚拟和实物模型引入课堂的教学模式

模型包含实物模型和虚拟模型，两种模型各有特点，如观看实物模型可以让学生更直观了解相关结构特点，展示虚拟模型能够让学生了解复杂结构的内部组成。模型在教学中具有一定的优势，在轨道交通领域的教学中具有广阔的发展前景，并且已在课堂教学中得到了一定的应用。为了让学生在课堂上即对所学结构有更深的了解，加深对工作原理的认识，将虚拟和实物模型引入至《机车车辆工程》课堂进行课堂教学。

虚拟模型包括虚拟静态模型和虚拟动态模型等，其中虚拟静态模型更倾向于方便学生了解机车车辆关键结构的组成和外形，尤其适用于内部具有复杂结构的部件[5]。根据教学内容，教学团队建立了多个机车车辆相关的虚拟模型，并在课堂的教学中进行相关的展示。图1（P134）显示的是采用建模软件设计制作的转K5和转K6货车转向架模型。在课堂教学过程中，采用该模型对货车转向架结构的讲解，学生能够更轻松地了解具体结构的特点。

图1 课程中部分虚拟模型

虚拟动态模型包含模型的动画演示等，其可以弥补虚拟静态模型在展示工作原理和运行状态等动态过程方面的不足，学生通过观看动画，能够对机车车辆结构中诸如机车转向架装配流程、减振器工作原理、柴油机工作原理等内容有更深刻的认识[6]。在虚拟动态模型辅助课堂教学过程中，设计了转向架拆解和组装动画、车钩三态工作原理动画等内容，图2展示了东风11型内燃机车转向架的组装流程，该转向架采用空心轴六连杆的结构设计，通过架悬结构解决了大功率内燃机车转向架上牵引电机的布置难题，减小了簧下质量并具有较高的稳定性。

图2 课程中部分动画展示

机车车辆结构中的实物模型，即是按照一定的比例和标准，将相关的结构制作成型，既保持与实体相同的形式和特征，又能够便于携带用于课堂讲授。将实物模型引入课堂教学，在课堂中对模型进行展示和讲解，能够使学生更好地形成立体思维，了解机车车辆结构应该具备的特点，进一步运用相关理论进行结构的设计和优化工作。图3展示了课堂教学中选用的部分实物模型，包括13号车钩模型，MT-3缓冲器模型等，模型可以拆解并可以展示工作过程，对学生掌握具体结构提供很大的帮助。

图3 课程中部分实物模型

3 学生参与模型设计和优化

《机车车辆工程》课程的教学目标要求学生掌握交通设备与控制工程相关产品的基本设计，并能够针对特定需求，将完成的设计内容以工程图或设计报告等文本形式呈现。该教学目标仅通过课堂的讲授或者学生课后简单的结构设计无法实现的，必须将适合设计或者优化的结构、学生的讨论和老师的指导、学生模型的制作、学生作品的展示和老师点评等多方面整合为一体，才能取得较好的效果，以实现教学目标。

该课程中关于结构的设计和优化方面，主要选取货车车辆底架的设计优化、客车牵引缓冲梁的结构设计和优化等内容，要求学生考虑所学的机械、材料、力学和专业知识等多课程的内容，结合设计的目标和原则，完成结构的优化设计和性能校核，并以图纸或者模型等展示方式提交作业。在该环节中，课堂提出具体的设计任务，并进行分组讨论给出初步的解决方案；通过老师指导点评后，给出下一步需要完善的内容；要求学生课后查阅资料，学习软件等进一步优化相关方案，并建立具体的模型；最后要求学生提交相关报告或参与答辩、指导老师进行必要的点评和总结。学生参与模型设计和优化的教学方法也在不断改进和完善过程中。

4 结语

在工程教育认证背景下，根据目标产出为导向的要领，开展了《机车车辆工程》课程的教学改革研究，在考虑课程的教学重点和难点的条件下，针对该课程的教学目标，提出了将虚拟和实物模型引入课堂教学的方法，并指导学生参与模型的设计和优化等，以改善和提高课程的教学质量。在近几届的课程教学改革中，通过学生的总体反馈、督导听课点评和同行交流等，课程的教学改革获得了一定的好评。其中，有了虚拟和实物模型辅助课堂教学，对于老师的讲解和学生的学习变得更轻松；老师在课堂中可以更直观地对相关结构进行解释说明，学生通过观察或者观看相关的模型对教学内容有更深刻的认识。通过学生参与模型的设计和优化，提高了学生课堂以及课后对该课程的参与度，使学生整合所学的知识并充分发挥创新能力，加深了对产品设计的理解。课堂的教学气氛更活跃，学生参与度更高，课程的教学目标也得到一定的提升。

根据工程教育认证中，根据持续改进的精神，通过对课程教学过程、课堂表现以及教学成果的反思，并听取学生的反馈意见，该课程的课堂教学仍需要进一步的改进，主要体现在以下几点。首先，当前实物模型在课堂教学的展示过程中，受时间和场地的限制，无法做到让每一位同学都能有效观察模型，因此尚需通过优化实物模型摆放位置或者有序组织学生观看来解决该问题；其次，学生参与模型设计和优化的过程中，对设计要领的掌握仍不足，考虑的问题有所欠缺，后期仍需加强对学生的指导，尽可能帮助学生完善相关模型的设计和优化，并开展相关实物模型的制作，以加深学生对设计等方面的思考。