祁亚运 郑国锋 陈兆伟 崔晓璐
摘 要：轮轨接触是轨道交通车辆特有的接触形式，其相互作用具有复杂性。该文针对《轮轨接触力学》课程教学中的相关问题，更新教学内容，增加工程项目研究的相关内容;并对教学手段和方法进行探讨，采用问题导向和小项目驱动的方式，提高学生解决问题的能力，以及对于课程如何在新工科的要求下与实践结合进行探讨。希望进一步提升课程效果，加强学生对于轨道车辆实际运营中解决问题的能力。
关键词：力学 轮轨接触 教学实践 课程改革
中图分类号：U213 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（c）-0149-03
Reform of the Teaching and Practice of wheel-rail Contact Mechanics
QI Yayun ZHENG Guofeng CHEN Zhaowei CUI Xiaolu
（School of Mechatronics & Vehicle Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing， 400074 China）
Abstract： Wheel-rail contact is a unique form of contact in rail vehicles， and its interaction is complex. In order to address the relevant issues in the course of Wheel-Rail Contact Mechanics， the content of the course is updated， and the relevant content of engineering project research is added; the teaching methods and approaches are discussed， and the problem-oriented and small project-driven approach is adopted to improve students' problem-solving ability， as well as how the course can be combined with practice under the requirements of the new engineering disciplines. This will further enhance the effectiveness of the course and strengthen students' problem-solving skills in the actual operation of rail vehicles.
Key Words： Mechanics; Wheel-rail contact; Teaching practice; Curriculum reform
1 《轮轨接触力学》课程教改的初衷
随着我国高速列车和城市轨道交通的不断开行，轮轨接触相关的问题不断突出，并成为轨道交通运维的主要问题。轮轨磨耗、轮轨损伤等，使得我国轨道交通运维成本不断增加。轮轨接触力学这门课程主要是对于轮轨相互作用原理和接触关系理论介绍，为车辆轨道耦合计算提供依据。轨道车辆的生产制造和运营维护都需要对轮轨接触力学能够熟练掌握，对于轨道车辆的学生在就业后能够提高其解决实践问题的能力[1]。
《轮轨接触力学》作为一门给研究生开设的课程，要求学生在掌握了基本的轨道车辆构造的基础知识，同时还需要具备一定的力学知识，主要包括理论力学、材料力学和弹塑性力学，以及相应的数学知识，包括高等数学、线性代数、数值计算等。轮轨接触力学对于轨道车辆动力学研究、轮轨损伤研究和轮轨廓形的设计优化都具有重要的意义。这门课程是轨道车辆领域核心课程。但对于研究生而言，本科阶段不一定系统学习了力学课程，因而对于该课程理论推导不一定能够有效掌握，因此需要对教学内容和方法进行相应的改进。轮轨接触力学是轨道交通特有的接触，学习其相关知识一定是要建立在解决实践问题的基础之上，停留在公式和课堂教学是远远不够的。为了进一步提升学生的实践能力，通过仿真计算和试验验证，能够利用轮轨接触力学解决一些轨道车辆运营中的实际问题。对于轮轨接触关系和轮轨动力学这样复杂的问题如何运用有更深一步的认识，进而提高学生解决现场运维问题和设计制造的能力。
2 教学内容与方法的改进
2.1 教学内容改革
轮轨接触力学主要包括轮轨接触几何计算和力学计算，包括经典的法向接觸力计算模型和切向力计算模型。课程中主要以公式推导和理论分析为主，难度较大，学生不易听懂。对于轮轨接触力学这门课程的教学内容需要适当改革以达到教学培养目标。
首先，对于课程思政内容的引入，在介绍沈氏理论时，引入我国轮轨接触领域的奠基人沈志云院士的事迹。沈院士使得我国轮轨接触领域从落后到引领世界，创立了牵引动力国家重点实验室，奠定了我国高速铁路的发展，沈院士在科研中艰苦奋斗、求真务实、不断创新的精神以及培养学生扎根一线，不断奋斗和进取的精神值得大家学习。其次，需要对轮轨接触力学的教学内容进行调整，有一定的侧重点，培养学生的工程应用能力，冗余的公式推导并不能对其原理清楚掌握[2-3]。需要借助一些工程小案例来带动学生的学习兴趣，例如一些轮轨接触几何计算、等效锥度计算、钢轨打磨廓形的计算等，做到学以致用。要求学生做好课前预习和课后复习，在原理掌握的基础上利用Matlab程序编制相应的计算程序。对于经典的轮轨接触理论、法向理论和切向理论，法向理论中的Hertz接触理论和半Hertz接触理论，切向理论中的Kalker线性理论、Fastsim算法、Fastrip算法进行编程计算。对于工程实践中应用较多的多体动力学软件SIMPACK和UM进行介绍，演示如何利用商业软件进行轮轨接触计算和结果分析，提升学生解决实践问题的能力。UM中轮轨接触嵌入了CONTACT算法，可以使轮轨接触计算精度进一步提高;还可以分别建立高速列车模型和地铁车辆模型进行分析，包括接触斑大小、垂向力和横向力以及蠕滑率的计算。适当增加一些现场的工程案例进行拓展，针对我国地铁线路中存在的小曲线波磨、车辆轮缘磨耗等问题，让学生在动力学软件中仿真应用，对轮轨接触力学的应用进行拓展;并对这些进行课后反馈，培养学生自主解决问题的能力。
2.2 多种教学手段的运用
目前的教学方式主要是传统的PPT课程教学和板书公式推导，无法激发学习兴趣，感到枯燥，教学效果不佳[4-5]。基于OBE理念的学生培养模式，华盛顿协议指出需要培养学生解决复杂工程问题的能力，因此在实际教学需要利用多元化手段提高教学效果，不能仅仅依照之前按照学习成绩来评判，还要通过学生就业后的就业来评估专业以及教学成效。
首先，利用多元化的教学软件学习通、雨课堂等增加课堂和课后的互动交流，在课堂上增加一些小的测试。做好教学设计，能够对于学生的学习难点及时掌握，在下次课时能够补充说明。为了能够调动学生的积极性，利用翻转课堂这样的型式，进行研讨式教学，分组进行，布置相应的课堂任务，学生在课下查阅资料，现场调研，查阅文献。在课堂上通过学生的讲解可以有效发现问题，从而对于难点进行进一步的深化，课后布置相应的计算和仿真任务，使得每个人都能够参与进来，使得整个教学达成闭环。最后以大作业的形式布置一个小型课题进行自主分析和仿真计算。
其次，采用多体动力学软件SIMPACK和UM，使得研究生能够掌握相关理论的计算更加熟悉。不仅可以分析轮轨接触问题，还可以分析其他轨道车辆的动力学问题，以及稳定性、平稳性和安全性等。可以利用应用这些软件做一些科研项目，与自身的课题相结合做一些创新，并在此基础上可以书写论文。平常在查阅资料的过程中经常从知网下载论文进行查阅，能够有效地利用这些科研工具，对于平常的小作业也能进行深入研究。由于多体动力学软件的轮轨接触模块都是集成封装的，没办法查看具体的计算过程，可以采用Matlab或者Fortran编程语言对于轮轨接触理论进行编程计算，能够提升自身的科研能力和解决问题的能力。还可以利用有限元软件来仿真计算，提高自身学习的能力，在ANSYS中建立轮轨接触模型，可以与动力学软件结构进行相互验证和对比，树立严谨的科研作风。
最后，要以教学结果为导向[6-7]，对于学生的课堂和课后表现，建立评估体系，及时进行评估，并及时地对于教学内容和方法改进，做到持续改进，这样才能够对于每个人的学习情况能够掌握。对于原有的评价体系进行一定改革，不需要考试进行考核，同样是以编写程序和小论文的方式考核，根据学生的自身科研情况，可以引导学生发表一篇小文章作为对该门课程的考核。这样有利于学生在掌握所学知识的基础上，能够小有创新，前进一步，且增加了其学习兴趣，又能够有所成果。
3 教学实践改革
目前的教学实践主要问题在于缺乏相应的实践能力，尤其是解决实践问题的能力。只会仿真计算也是不行的，需要和实际问题相结合。轮轨接触关系是极其复杂的，轮轨接触影响着车辆动力学性能以及后期维护的成本，而车辆动力学性能也会影响轮轨接触关系。因此，在解决实际问题时需要全方位思考，不能单一地来考虑。对于复杂的轮轨体系是整个车辆动力学的核心内容，而很多问题也是在这里产生。教学过程中一定要结合现场实际工程问题展开，通过计算找到现场实际工程问题的产生机理，为解决问题提供有力的支撑。
在教学过程中需要去轨道交通部门实际查看和调研一些现场实际问题，通过将工程问题提升为学术问题，进行研究讨论，通过仿真计算提出相应的措施，这是一个典型的实践案例的过程。在教学时，根据不同的内容设置教学案例，让学生在实验室中能够参与进来，尽快地掌握相关理论知识。以专业认证的相关标准体系建立的教学实践，包括了教学过程实践和毕业论文的相关部分，该课程的相關学习可以直接毕业论文过程中进行实践检验。同时，在毕业以后从事轨道交通设计和维护时，分析车辆振动和轨道振动也离不开轮轨接触力学的相关知识。
4 结语
《轮轨接触力学》是轨道交通专业研究生的重要课程，该文通过对于《轮轨接触力学》目前教学当中的问题进行分析，从教学内容、教学方法、和教学实践3个方面对于这些问题及教学改革方案进行了探讨，主要是培养学生能力，增强与实际结合，提高实践能力。教学中不断更新内容，基于OBE理念，对于轮轨接触力学的教学内容不能只停留在公式推导，侧重应用介绍。改进教学方法，采用科研小项目的形式，同时利用新的教学软件加强与学生的作业交流和指导，进一步加强教学实践。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，才能培养新一代创新型人才。
参考文献
[1] 李佰洲，蔡兰蓉，刘瑛.研究生机械动力学课程翻转课堂初探[J].科技视界，2018（55）：96.
[2] 吴雪萍，袁李兰.美国研究型大学研究牛创新人才培养的基础、经验及其启示[J].高等教育研究，2019（6）：102-109.
[3] 周萌，曹政才，吴启迪.新工科背景下基于“五位一体”的机器人技术教学改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.
[4] 沈晓雨.美国一流大学教师教学发展研究[D].华中师范大学，2020.
[5] 何谐.工程技术人才产学合作的专业建设研究[J].科技创新导报，2020（20）：199-201.
[6] 冯建利.OBE理念及工程教育认证下强理论性专业基础课的教学改革研究[J].轻工科技，2020（12）：130-132.
[7] 石晶，段敏.OBE理念下汽车试验学课程教学设计[J].辽宁工业大学学报：社会科学版，2020（6）：109-112.
①基金项目：重庆交通大学高等教育教学改革研究课题“《轨道车辆设计理论》课程教学改革与创新”（项目编号：1903030）;重庆市高等教育教学改革研究项目《项目驱动与O2O融合的轨道车辆专业教学体系的改革与实践》（项目编号：203305）;重庆市研究生教育教学改革研究项目《“互联网+”背景下基于协同创新的轨道交通车辆专业研究生培养模式研究与实践》（项目编号：yjg203092）。
作者简介：祁亚运（1990—），男，博士，讲师，研究方向为车辆动力学与轮轨磨耗。
