轨道车辆专业课程实践训练教学改革探讨

［摘 要］ 针对目前轨道车辆专业方向本科实践教学与训练课程中存在的问题，为适应我国高速重载铁路发展中人才培养需求，以轨道车辆专业动车组方向学生的“专业课程实践训练”实践课程教学为例，提出融合现代虚拟仿真技术的实践教学模式。结合现有动车组基础数据资源，对动车组专业课程实践训练的教学内容和考核方式进行改革。为了培养学生分析和解决复杂实际工程问题的能力，通过多元化的教学手段，将虚拟仿真技术与轨道车辆行业的实际工程数据相结合，提出了一种新的实践训练课程教学模式。

［关 键 词］ 轨道车辆专业；实践教学；虚拟仿真；教学改革

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）21-0129-04

一、引言

在知识经济全球化和信息革命浪潮的推动下，高等教育正发生着前所未有的深刻变化，大学的使命从提供教学向理解学生需要和支持学生成功转换，“以学生为中心”的观念正在对高等教育教学的发展产生深远影响[1-2]。轨道车辆专业的实践训练课是高校本科人才培养过程中非常重要的一个环节。近年来，轨道车辆相关用人单位反映：新入职轨道车辆专业毕业生软件应用能力相对较弱，高校应加强学生专业素养和动手能力的培养并将工程实践内容融入相关课程。为了满足企业对人才相关能力的需求，需要对目前实践教学课程中相关内容及考核方式进行调整，将虚拟仿真技术融入教学改革中。

在近年来轨道车辆专业教学的研究中，不同课程针对专业实践训练提出了不同的改革。张波等[3]针对传统教学方式进行改革，将线上和线上两种方式有机融合，以学生为主体，依托网络教学平台，采用混合式教学模式。祁亚运等[4]采用问题导向和小项目驱动的方式，增加工程项目研究的相关内容，更新了教学内容和教学方法。杨春辉等[5]为了使学生可以通过掌握应用理论来解决工程问题，结合行业先进制造的背景，提出适用智能制造专业的教学改革方案，既考虑了多种教学内容，又在课程教学目标中融入多样化的目标，比如知识、能力和情感等目标。

不同改革方法对提升学生实际应用能力都有较好的效果，但传统轨道车辆专业仍存在偏重理论教学的问题，与应用型人才的培养目标相差甚远，例如，教学内容中缺乏学生动手实践训练和创新思维的培养，这些问题需要新的解决方案使学生跟上学科发展的步伐。本文针对如何将虚拟仿真技术融入教学改革中的相关问题进行了讨论，并提出了新的教学模式，便于更好地培养学生分析和解决复杂实际工程问题的能力。

二、目前轨道车辆专业教学模式存在的主要问题

（一）教学环节缺乏复杂工程实践内容，学生缺乏代入感

轨道车辆专业的传统课程大都在培养学生对基础理论的简单应用，而未能提高学生解决实际复杂工程问题的能力。传统实践课程的教学内容以简单案例分析为主，由于复杂工程实践性内容计算与分析过程过于复杂，大部分课程针对复杂工程问题的分析内容较少，主要以简单的零部件二维或三维图纸制作为主要训练内容，结构简单，且主要图纸以二十年前的过时车型基本零部件为基础。其结构陈旧，与现代化动车组结构差别较大，导致学生的代入感比较差。另外，采用机械设计手册相关经验公式对简单结构进行强度和疲劳进行简要分析，其过程考虑的因素过于单调，与结构实际受力情况差别较大。传统的轨道车辆专业训练课程无法满足轨道车辆制造业对大学生复杂工程问题分析能力的需求，因此需要对轨道车辆专业实践课程的训练内容进行改革，提出新的教学模型，提高学生对现代化车辆结构的相关技术参数、存在的热点问题进行分析的能力。

（二）教学手段缺少行业前沿理论的应用，教学资源不充分

传统的轨道车辆专业偏重机械零件的设计与生产，主要学习绘制车辆零部件的CAD设计图纸或者撰写车辆零部件的检修工艺流程设计报告。传统课程教学要求学生运用车辆零部件的设计方法和设计思路，读懂车辆零部件的设计图纸并对其进行结构设计。这种固定模式的课程并未引入行业前沿的理论，缺乏创造性的引导。零件的建模与工艺流程的设计缺乏结构整体层面的认识与练习，需要利用新手段探索当今教育环境的资源利用方式以改善现有的课程安排。在利用相关软件设计二维图和三维图的过程中，可以培养学生对轨道车辆基本概念、基本结构、基本原理和基本理论的理解，以及在轨道交通车辆上的应用能力，但是在此过程中教师需要对学生考核的只能是固有理论知识，特别是在图纸考核时，车辆相关结构图纸数量有限，学生的设计图纸大部分相同，很难辨认是否为学生自己手画的图纸，从而加重了教学压力，难以保证教学效果。传统的课程资源通常针对整个班级的整体需求，无法满足学生创造性设计的个性化需求。重复性且实践手段较少的教学方式具有局限性，造成学生不知如何有效利用教学资源，导致资源浪费或者未得到充分利用。教师数量有限和自身技术能力不足，使得教学资源的创新与应用面临一定的限制。

三、教学内容与方法的改进

（一）完善教学流程，丰富考核手段

针对传统课程教学模式存在的问题，以轨道车辆专业动车组方向学生的“专业课程实践训练”实践课程教学为例，提出融合现代虚拟仿真技术的教学模式。虚拟装配是仿真分析教学的重要手段，是一种应用在产品研发的新设计方法。在虚拟环境的界面上，使用者可以对产品进行交互建模与分析，可涉及结构、功能和制造等多方面。虚拟装配这一新技术为产品的结构设计、创新设计和工艺优化设计提供了虚拟的三维环境，在教学实践中得到越来越多的应用。利用几何模型在虚拟环境中装配，既能够加深学生对机械结构装配流程的理解，又能够锻炼强化其工程实际应用的设计思维。在软件界面，学生可以直观地认识零部件的详细结构，这有助于合理地选择零部件进行装配，此过程也可以帮助学生理解实际生产线中的装配逻辑关系。

对于轨道车辆专业动车组方向的虚拟装配课程实践，学习内容包括CRH3转向架子结构的建模、CRH3整车系统的虚拟装配、整车动力学分析、动力学计算分析报告的撰写、动车组性能分析技术调研报告等。CRH3整车系统的虚拟装配软件要求具有形象直观的交互式图形环境，仿真软件主要应用ADAMS软件，该软件具有先进精准的求解器，仿真分析结果可输出各种数据曲线图形、高性能动画等。为了完善产品设计，在三维软件中将设计的各个零部件装配成整体模型，根据实际工况条件进行仿真分析，通过仿真结果来检验或修改产品设计。

与轨道车辆相关单位建立科研合作关系，以科研成果反哺教学，从实际工程问题中提炼教学内容。基于高质量的教师团队，致力于研发个性化的教育资源，满足不同层次、不同需求学生的学习要求，利用先进的仿真分析技术和软件及计算机资源，开发针对不同学生群体的教学计划，确保每个学生都能在实践训练课程中接触到实际复杂工程问题，并利用所需知识结合仿真手段提升解决复杂实际工程问题的能力。在课程安排上结合现有教学资源，在授课之前通过调研轨道车辆相关企业对工程技术人员能力需求的变化，着重分析智能制造人才的定位和能力图谱，培养学生的自主学习和终身学习能力、创新精神和实践能力、跨学科学习和跨界合作能力、独立分析和解决复杂问题的能力。制定资源使用规范，建立资源共享平台，加强沟通合作与交流，在授课过程中确保仿真分析等手段被充分利用，课后及时反思交流，从而有所收获。引入仿真分析手段的同时，需要进行相应基础理论的教学，多种理论相辅相成，极具广泛性、参与性和开放性，使教学理论体系更完善、更全面。以结构强度静力学仿真分析为例，进行课程学习研究需要具有一定的力学基础和高等数学基础。在轨道车辆专业动车组方向的教学中又可关联轨道交通行业的动态，对相关工程实际问题进行建模分析，做到课程学习与行业前沿共同发展与进步。

完善以往教师对学生单方面的考核形式，建立新型师生双方考核形式。对于学生学习效果的考核，基于以往试卷考试或软件操作的考核，建立以仿真软件实践操作、调研并撰写技术总结报告和答辩为内容的新的考核方式。技术报告内容应涉及研究现状、存在问题及研究展望等多方面，最终再分组进行交流汇报。考核和答辩的形式不局限于以往的线下形式和纸质材料，虚拟仿真分析课程充分利用互联网技术，开展“互联网+考试”的模式，时间安排灵活自由，使考核形式变得更加丰富、全面。建立教学评估机制，总结课程经验，梳理整个授课实践过程中的问题。课后进行教师和学生双方互评，通过全方面的评估和反馈，发现教学存在的问题并及时改进，提高仿真分析等教学资源的利用效率，及时制定面向不同类别高校本科生培养方案的样例，最终建成具有多层次的特色课程。

（二）引入仿真分析手段，增加学生的实践参与度

仿真分析手段是把实际问题抽象为计算机能够处理的计算模型。轨道车辆专业的教学实践中加入实际问题理解分析与仿真建模处理，可以极大地调动学生的关注度和学习兴趣，增加学生的参与度，弥补传统课程教学“只看不操作”的缺陷。课程教学充分利用仿真技术的优点，授课中注重工业软件及仿真技术的选择和使用，充分运用工业软件、建模与仿真技术进行车辆产品模块的数字化产品设计与开发，并运用工业软件和仿真技术进行复杂车辆产品动力学性能评估与结构强度分析。这种充分利用仿真分析手段的教学，既减少了课程建设费用，相比传统实验器材又减少了维护成本。整个分析过程建立于计算机虚拟环境中，如果行业发展变化可以对分析对象进行调整，及时满足教学要求。整个教学过程不受时间和空间限制，这种教学方式也是“互联网+教学”的体现，而且这种仿真分析教学平台也是教学改革的趋势。

1.高速动车组虚拟装配及动力学仿真教学案例

随着计算机科学及仿真软件相关技术的发展，基于虚拟仿真技术针对复杂工程问题的分析变得方便易行。计划基于虚拟仿真软件建立复杂工程模型，模拟车辆线路条件下的振动，评估车辆的曲线通过安全性、乘坐舒适性，并基于仿真结果对局部结构如枕梁结构进行强度分析与校核。课程内容以实际的CRH3型动车组的真实参数为基础，首先基于车辆动力学基础知识，结合ADAMS/Rail仿真软件建立复杂车辆系统动力学模型，以轨道不平顺为激励，分别仿真直线和曲线的动力学性能，基于所建立的动力学模型对相关参数对动力学性能的影响进行分析，得出具有工程参考意义的结果。另外，基于有限元仿真软件建立枕梁的网格模型，将所学结构强度分析理论应用与车辆实际结构结合，对车辆关键部件进行强度校核及结构优化。在此期间学生可以接触到相关行业标准，比如GB/T5599-2019（机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范）、UIC615-4（动力转向架构架强度试验方法）等。通过该课程实践，学生可以接触到实际工程参数，并通过自己的努力分析解决轨道车辆行业工程问题，提升自身能力。

通过接触应用于工程实际的CRH3动车组轮对、轴箱、构架、枕梁、车体等几何模型及相关参数资料，学生能够利用现代化手段检索本领域最新技术，具备一定的工程实践学习能力。通过完成此实践课程的学习，学生可以将所学的动力学、有限元、强度等性能分析理论在轨道车辆行业中得到充分应用，通过相关教学资源了解轨道车辆行业的发展趋势、新技术、新理论、新观点。利用相关标准针对复杂的CRH3动车组结构的直线乘坐舒适性及曲线脱轨安全性进行动力学性能综合评价，并对关键参数（悬挂刚度、阻尼等）进行多方案对比研究，可以培养学生工程结构性能分析与评估能力，使其学会以团队形式完成课题任务。在团队实践过程中，根据相互关系进行任务分配，各成员工作间存在关联，锻炼了学生团队合作的能力。图1为CRH3高速动车组整车进行虚拟装配流程图。

2.高速动车组枕梁结构强度静力学仿真教学案例

仿真分析教学的多样性还体现在以CRH3动车组动力学仿真分析为研究基础的结构强度研究。基于动力学仿真获得枕梁结构的动载荷，通过有限元分析方法对枕梁关键部件的结构强度进行分析并针对现有结构进行轻量化设计与优化。采用计算机仿真分析技术能在短时间内模拟动车组结构实际运营过程中的物理性能行为及其演变过程，能够有效地降低设计成本，是目前比较先进的设计方法。这也使得计算机仿真分析技术成为提高行业竞争力的一个关键因素。数理模型、数值仿真与数字孪生是当今比较新的教学理念，本课程以与轨道车辆相关单位的科研项目相关数据与参数为基础，结合先进的数值仿真分析技术，对动车组结构的动力学及强度性能进行综合模拟与分析，培养学生对复杂工程问题的分析能力。

首先通过CRH3整车动力学模型的建立，使学生对动车组结构的总体、对动车组系统的传力路径及各部分的功能有比较清晰的认识。另外，选枕梁结构为代表，对单个关键部件的内部受力进行分析，基于有限元分析软件HyperMesh建立枕梁结构模型，根据动力学软件 ADAMS 仿真输出的载荷确定强度评估工况，对不同工况进行结构强度分析，并且对结构的受力变形和局部高应力区进行分析。根据应力云图，提出各自的

结构优化方案。

图2为动车组枕梁结构强度仿真应力云图。位于车体和转向架之间的枕梁，其作用是传递二者之间的载荷。该结构起了承上启下的作用，结构设计期间需要对该枕梁的强度及疲劳进行详细分析计算。枕梁结构复杂程度比较适中，适合于学生进行有限元建模与强度仿真分析。

CRH3动车组虚拟装配与动力学仿真分析，可以让学生对我国常用动车组结构和性能有比较全面的了解，然后针对枕梁结构做局部应力分析。通过从整体到局部实践课程教学模式设计，使学生能够较好地将理论与实际应用相结合，加深学生对结构设计的理解，也加强了学生毕业后从事结构设计工作的知识积累。

四、结论

综上所述，面对新时代的技术革命和学习革命，为了培养新一代创新型人才，轨道车辆专业学生在平常的科研和学习中要紧密联系工程实践，做到持续改进。本文以轨道车辆专业动车组方向学生的专业课程实践训练为例，提出融合现代虚拟仿真技术的实践教学模式，结合现有动车组基础数据资源，对动车组方向课程实践训练的教学内容和考核方式进行改革，通过多元化的教学手段，将虚拟仿真技术与轨道车辆行业的实际工程数据相结合，提出了一种新的实践训练课程教学模式，培养学生分析和解决复杂实际工程问题的能力，贯彻“以学生发展为中心，以创新思维为核心”的教育理念，依据轨道车辆专业课程特色，提升专业实践训练课程的教学品质，确保新时代高质量科技人才的培养。

参考文献：

［1］ 蒋变玲，陈琼，赵亮，等.“新工科”背景下高校工科专业实验课程教学改革探索［J］.农产品加工，2023（9）：98-100.

［2］ 樊劲辉，安国庆，郝崇清，等.新工科背景下地方高校人工智能专业建设与教学改革探索［J］.科技风，2023（23）：142-144.

［3］ 张波，邓万财，丁勋勤.基于“线上—线下”混合式教学的课程过程性考核改革与实践：以《城市轨道交通车辆构造》为例［J］.科学咨询（科技·管理），2020（8）：98-99.

［4］ 祁亚运，郑国峰，陈兆玮，等.轮轨接触力学教学与实践的改革探讨［J］.科技资讯，2021，19（12）：149-151.

［5］ 杨春辉，蒋益平，罗世民.面向智能制造的轨道车辆制造工艺课程教学设计：以轮轴制造工艺为例［J］.高教学刊，2023，9（16）：106-109.

◎编辑 尹 军