產學研用融合理念下的土動力學教學改革初探*

唐亮 凌賢長 田爽 韓笑 孔祥勛

哈爾濱工業大學土木工程學院 哈爾濱 150090

0 引言

近年來，我國高速鐵路建設飛速發展，已成為世界上高鐵在建規模最大、運營里程最長、運營速度最快、集成能力最強的國家，“中國高鐵”在世界上的認知度逐步提升，成為我國面向世界的一張閃亮名片。隨著我國“一帶一路”倡議、“交通強國”戰略等的深入實施，急需一批具有扎實土動力學知識的應用創新型人才，然而，目前土動力學課程存在理論知識體系脫離工程實際，學生缺乏創新意識等問題。因此無論從國家發展層面，還是從社會人才需求層面，研究生培養機制向“產學研用”深度融合發展已是必然趨勢，且迫在眉睫。

本文依托加速推動時速400 公里級高速鐵路關鍵技術研發的時代背景，充分利用哈爾濱工業大學深耕土動力學領域數十年教學經驗、研究基礎與工程積累，聯合中國鐵道科學研究院集團有限公司、中國鐵建股份有限公司、中國中鐵股份有限公司、中國鐵路設計集團有限公司等知名研究單位、設計和施工企業，致力于提出土動力學研究生課程“產學研用”深度融合協同育人培養模式，探索具有中國特色的土動力學領域應用型人才培養路徑，對我國高速鐵路等重大基礎設施建設與運維無疑具有重要意義與廣闊應用前景。

1 土動力學課程存在的問題

1.1 未涵蓋軌道交通動力學相關知識

當前高校開設的土動力學課程涵蓋的知識體系主要包括土動力學基本理論、土的動力特性、砂土液化評價方法、土的動參數測試以及土工抗震等方面的基本理論知識。整體來看，課程的教學體系更側重于地震工程。地震工程中更關注砂土液化、地震響應等問題，而高鐵等軌道交通動力學更關注變形、振動；同時，地震荷載是短時低頻的，而高鐵荷載則是長期高頻的?，F有土動力學課程中基于抗震設計理論的知識點無法直接應用于快速軌道交通動力學中。因此，面向時速400 km/h 以上高速鐵路路基控制關鍵技術需求，對土動力學課程實施教學改革迫在眉睫。

1.2 未涉 及超高速鐵路路基控制問 題

高速鐵路提速至時速400 km/h 以上時，會給路基帶來嚴重的穩定性問題。超高速行駛會帶來諸多隱患，如高速鐵路列車運行速度接近或超過路基土體中波的傳播速度，列車運行產生的振動不能及時傳播出去，會引發激波現象和馬赫效應，導致路基產生過大振動和累積塑性變形，進而影響乘坐舒適性，甚至威脅行車安全。此外，列車在超高速行駛時，路基振動頻率若與路基固有頻率接近，就會產生共振；頻率越接近，單位時間內傳遞的能量越多，振動越劇烈，發生事故的概率越高。目前，土動力學課程尚未涉及高速鐵路路基控制問題。超高速列車運行帶來的問題在普速鐵路和現有的高速鐵路中不易見到，應將其引入土動力知識體系中，教學方法也應作出相應的改革，適當將數值仿真等方法引入課堂教學環節，使學生能更直觀地感受超高速鐵路的路基控制問題[1-3]。

1.3 未包含工程實踐教學環節

除教學體系中涵蓋的知識點有所欠缺外，目前土動力學課程授課多以課堂講授為主，少有試驗、工程實踐等實踐教學環節，課程實用性差。課程教學手段、教學形式的單一性，導致學生對高鐵提速后帶來的路基穩定性控制關鍵問題缺乏直觀的認知。應在傳統授課方式基礎上，增設以典型工程為依托的工程實踐環節、室內試驗環節，使學生有代入式的教學感受，這對學生領悟知識具有重要的作用，故將實踐教學融入土動力學課程也是一項有重大研究意義的舉措。

2 土動力學研究生課程改革措施

2.1 教學內容的改革與建議

面向時速400 km/h 以上高速鐵路路基控制關鍵技術需求，還需完善土動力學課程知識體系。補充軌道交通動力學相關教學內容，主要包括軌道交通線路動力學研究的內涵及意義、軌道交通的荷載特性、軌下基礎動力響應計算方法、軌道結構動力特性、土體動強度及動變形特性、車輛—軌道—路基耦合動力分析、軌道交通振動與噪聲控制等。通過增設相關內容，使學生在了解軌道交通動力學基本原理、軌道交通基礎設施動力基本特性的基礎上，掌握軌道交通路基動力學分析方法，為我國超高速列車路基控制關鍵技術的發展培養和輸送人才。

2.2 教學手段和教學方法的改革與建議

2.2.1 數值仿真

傳統土動力學課程教學在增設軌道交通動力學的同時，將數值仿真方法引入課堂，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到使學生切身感受工程問題的目的?；诖?，學生能夠更真實地模擬出高速列車荷載傳遞路線與規律、列車荷載引發的路基動力響應等，可在教學環節讓學生全方位、多層次地了解和掌握時速400 km/h 以上的高鐵路基穩定性控制關鍵技術，使學生對超高速下高鐵路基的振動有更直觀清晰的認知[4-6]。

2.2.2 教學實驗

教學實驗是指在教師的指導下，學生操作相關的設備及材料，從觀察現象的變化中加深對知識理解的教學環節。故基于增設的軌道交通動力學內容，土動力學課程應增加相應的實驗教學環節，帶領學生走進實驗室，通過開展三軸試驗、室內模型試驗等，讓學生對知識點有更為深刻的認識，進一步領略超高速列車行駛下路基可能出現的失穩問題及控制技術難題。

2.2.3 實踐教學

我國高鐵產業經歷了從無到有、從國內到國外的轉變，是“中國制造”走出國門的一張亮麗名片。高鐵行業健康蓬勃發展，為校企之間產教融合提供了健康發展的基礎，更是產業與教育協同發展、產教深度融合的著力點。對照《國家職業教育改革實施方案》要求，高校教學應緊密對接高鐵行業。面對高鐵面向時速400 公里級的行業和科研形勢，高校應建成調和聯動、多元共識的專業群內部治理體系，形成校企共建共享優質資源庫，實現社會職業培訓校企互融互通、服務發展校企互補互進的實踐效果，以期達到理論聯系實際的教學效果，讓學生對土動力學課程擁有更深入的認識[7-8]。

3 結束語

針對現有土動力學研究課程教學內容、教學手段和教學方法與我國推動時速400 公里級高速鐵路關鍵技術研發戰略背景不匹配的關鍵問題，本文提出的土動力學教學模式改革與創新能力培養教學實踐，為超高速鐵路路基工程的幾處教學實踐探索了一種新的模式。面向超高速鐵路路基控制關鍵技術的實踐教學與人才培養，通過教學改革，完善教學內容，豐富教學手段，深化軌道交通動力學理論教學，實現學生專業素質培養的科學化、工程化和實用化，是適應我國重大工程需求的教學實踐模式探索的有效途徑。