摘 要：針對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新形勢和新特點(diǎn)以及目前教學(xué)中存在的問題，對車輛相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)理論核心課《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》進(jìn)行教學(xué)改革探索。革新教學(xué)理念，更新知識(shí)體系和教學(xué)內(nèi)容，采用多元化的教學(xué)方法，優(yōu)化課程考核評價(jià)方式，為提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)掌握效果、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：車輛工程 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 教學(xué)改革

Abstract：In view of the new situation and new characteristics of the automobile industry and the current problems in teaching， the teaching reform and exploration of the core basic theory course "Vehicle System Dynamics"in vehicle-related majors is conducted. In practice， teaching concepts have been innovated， knowledge systems and teaching content have been updated， diversified teaching methods have been adopted， and course assessment methods have been optimized， which provides a beneficial reference for improving students' mastering effect of professional knowledge， engineering practice ability， and innovative ability.

Key words：vehicle engineering， vehicle system dynamics， teaching reform

1 引言

近年來，汽車電動(dòng)化和智能化快速發(fā)展，汽車的內(nèi)涵和外延發(fā)生了很大的變化，產(chǎn)業(yè)融合與學(xué)科交叉程度與日俱增，汽車行業(yè)對汽車人才的專業(yè)知識(shí)和技能需求發(fā)生了很大的改變。在研究生課程體系中，《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》是一門主要面向車輛工程、自動(dòng)駕駛、新能源汽車、交通運(yùn)輸工程等車輛相關(guān)專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)理論核心課。車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)作為一門學(xué)科，已經(jīng)有一百多年的發(fā)展歷史，它主要研究的是車輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與受力的關(guān)系，通過建立車輛的運(yùn)動(dòng)方程和數(shù)學(xué)模型，分析車輛的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其加速、制動(dòng)、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，并研究如何控制和改善性能。因此，無論是對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，還是對于新興的新能源汽車和自動(dòng)駕駛智能車輛，車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)都是其實(shí)現(xiàn)安全可靠可控運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。鑒于這門學(xué)科的重要性，國內(nèi)很多理工科院校都將《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程設(shè)置為一門重要的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，對于培養(yǎng)汽車行業(yè)急需的卓越工程人才起著關(guān)鍵的作用。但是，目前《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程教學(xué)還存在一些不足和問題，因此還需進(jìn)行教學(xué)改革以不斷完善和提高，使其能夠更好地服務(wù)于汽車人才的培養(yǎng)。本文從汽車電動(dòng)化和智能化發(fā)展引起的變革入手，對《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核評價(jià)方式、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行探討。

2 課程教學(xué)存在的問題

《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》是一門典型的多學(xué)科交叉與知識(shí)體系復(fù)雜的課程。汽車電動(dòng)化和智能化的快速發(fā)展，學(xué)生跨學(xué)科流動(dòng)性增大，智能手機(jī)對課堂教學(xué)的負(fù)面影響等，給《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》的教學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)，結(jié)合這門課程的特點(diǎn)，總結(jié)出如下問題：

2.1 課程內(nèi)容更新速度慢，落后于汽車新技術(shù)的應(yīng)用

汽車產(chǎn)量大、經(jīng)濟(jì)附加值高、市場規(guī)模大，是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)率先應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域，因此汽車行業(yè)的新產(chǎn)品多，更新?lián)Q代速度快。例如，汽車縱向動(dòng)力學(xué)電控系統(tǒng)在較短的時(shí)間內(nèi)就經(jīng)歷了電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)（EBV）、防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子差速鎖止系統(tǒng)（EDS）、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)（ASR）、電子穩(wěn)定程序（ESP）、線控制動(dòng)系統(tǒng)（BBW）等階段的發(fā)展。目前，車輛動(dòng)力學(xué)相關(guān)的教材主要編著于上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初，后續(xù)雖有修訂，但是更新內(nèi)容比例較小?，F(xiàn)在國內(nèi)高校的《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程大都基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。需要注意的是，電動(dòng)汽車的系統(tǒng)組成、底盤布局跟內(nèi)燃機(jī)汽車差異明顯。例如，這兩類車在進(jìn)行縱向動(dòng)力學(xué)建模時(shí)的動(dòng)力供應(yīng)計(jì)算方法就不一樣，車輛沿前進(jìn)方向的動(dòng)力供求平衡方程顯然也不一樣。因此，以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力學(xué)理論為主體的課程內(nèi)容，已經(jīng)不能滿足學(xué)生的興趣和人才培養(yǎng)的需求，急需更新。

2.2 課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容龐雜，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

車輛是一個(gè)由多個(gè)機(jī)械、液壓、電子、信息等子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，這門課程涉及知識(shí)面廣，需要學(xué)生在掌握數(shù)學(xué)分析、矩陣?yán)碚摗⑵嚇?gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、理論力學(xué)、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論等學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行學(xué)習(xí)。教學(xué)內(nèi)容多，為了在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，課程的講授速度一般較快，教學(xué)內(nèi)容難以面面俱到，對部分內(nèi)容點(diǎn)到為止。課程中的公式、模型非常多，推導(dǎo)公式需要耗費(fèi)大量的教學(xué)時(shí)間，對于公式的推導(dǎo)，學(xué)生興趣不高，而且容易忘記，即使記住了公式和模型，學(xué)生也難與具體的工程問題聯(lián)系起來，運(yùn)用時(shí)還是一頭霧水。此外，在智能手機(jī)豐富的軟件和強(qiáng)大的娛樂功能影響下，課程知識(shí)的吸引力日漸減小，學(xué)生的學(xué)習(xí)精力難以集中。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更容易地理解和掌握專業(yè)知識(shí)，是本課程教學(xué)面臨的一個(gè)難題。

2.3 教學(xué)方法和考核評價(jià)模式單一

目前一些高校中，這門課程的教學(xué)方法還是以演示文稿和板書為主，對學(xué)生進(jìn)行灌輸式單向教學(xué)，加上理論多，內(nèi)容枯燥，課堂氣氛不活躍，缺乏互動(dòng)。另外，受教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)條件和課時(shí)所限，無法開展實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，理論與實(shí)踐結(jié)合不足。傳統(tǒng)的課程評價(jià)方法仍然是平時(shí)作業(yè)加期末閉卷考試的形式，缺乏對知識(shí)實(shí)際運(yùn)用的考核。如何面向解決復(fù)雜工程問題的能力提升為教學(xué)目標(biāo)，改變傳統(tǒng)考核方式，真正通過課程考核評價(jià)引導(dǎo)學(xué)生從知識(shí)學(xué)習(xí)向能力提升轉(zhuǎn)變，是這門課程面臨的另一個(gè)問題。

3 課程教學(xué)改革的思路

面對汽車人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)，為了取得更好的教學(xué)效果，國內(nèi)外的教育專家和工作者進(jìn)行了很多嘗試和探索[1-5]。例如，北京理工大學(xué)的魏超和劉輝從革新教學(xué)觀念、重塑教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、完善考核評價(jià)體系四個(gè)方面提出了車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)改革思路，并提出課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)具有核心專業(yè)能力、多信息綜合分析能力、快速學(xué)習(xí)與分析解決問題能力的高水平人才[6]。華東交通大學(xué)的蔣益平等以卓越工程師教育培養(yǎng)為背景，整合和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，將教學(xué)內(nèi)容分為基本理論模塊、專業(yè)關(guān)聯(lián)模塊、理論拓展模塊、創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)模塊等幾大塊，模塊劃分細(xì)化到每一章節(jié);注重前后課程的內(nèi)容關(guān)聯(lián)，將先導(dǎo)課程知識(shí)與本課程知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，增加專業(yè)背景知識(shí)介紹，注重前后課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)和鞏固;加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合[7]。德國、美國等汽車工業(yè)強(qiáng)國和地區(qū)，也在探索傳統(tǒng)車輛學(xué)科在汽車技術(shù)和產(chǎn)品快速發(fā)展時(shí)代的教育改革[8，9]。例如，德國一些高校的車輛動(dòng)力學(xué)（Dynamik der Kraftfahrzeuge）教材中包含了汽車?yán)碚摗⑵囋O(shè)計(jì)、汽車動(dòng)力學(xué)等課程的內(nèi)容，將三門課融為一體，課時(shí)多，講解系統(tǒng)，同時(shí)邀請有經(jīng)驗(yàn)的工程師參與教學(xué)，理論與實(shí)踐結(jié)合;美國亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）嘗試把對汽車感興趣的學(xué)生和有10年以上經(jīng)驗(yàn)的工程師混編為一個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)課程班，并使用了基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方法（Project Based Learning， PBL），學(xué)生的精力集中程度和理解程度顯著提高，取得了較好的教學(xué)效果[10]。

借鑒國內(nèi)外同行的教學(xué)成果，結(jié)合本校的教學(xué)特色，從以下幾個(gè)方面開展教改工作：（1）緊盯汽車發(fā)展趨勢和新技術(shù)的動(dòng)態(tài)，尤其是汽車電動(dòng)化和智能化的發(fā)展，在充分的調(diào)研基礎(chǔ)上，完善和更新課程內(nèi)容;（2）革新教學(xué)理念，改進(jìn)教學(xué)方法，在課堂上多使用易懂和可視化程度高的教學(xué)手段，加強(qiáng)與實(shí)踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際工程問題，活學(xué)活用;（3）制作基于實(shí)例和項(xiàng)目的教案，從應(yīng)用實(shí)例引出理論和原理，進(jìn)行系統(tǒng)地講授，然后再引導(dǎo)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于其他方面，以實(shí)現(xiàn)觸類旁通;（4）加強(qiáng)對先修知識(shí)和內(nèi)容的解釋和補(bǔ)充，以利于基礎(chǔ)薄弱的本專業(yè)學(xué)生和跨專業(yè)學(xué)生對課程知識(shí)的理解和掌握?！盾囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程教學(xué)改革的大體思路如圖1所示。

4 課程教學(xué)實(shí)踐

4.1 更新課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)講義

補(bǔ)充電動(dòng)汽車和智能駕駛相關(guān)的內(nèi)容，例如，在車輛縱向動(dòng)力學(xué)教學(xué)中補(bǔ)充電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等內(nèi)容，在車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)教學(xué)中補(bǔ)充線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)等內(nèi)容，在車輛垂向動(dòng)力學(xué)教學(xué)中補(bǔ)充了懸架系統(tǒng)仿真、主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制等內(nèi)容。針對專業(yè)流動(dòng)性增大，跨專業(yè)學(xué)生增加等情況，在課程講義中補(bǔ)充了汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摗⒆詣?dòng)控制等先修課程的知識(shí)點(diǎn)小貼士，以幫助學(xué)生能夠更好地理解和掌握本課程內(nèi)容。例如，在汽車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)部分，補(bǔ)充了汽車制動(dòng)系統(tǒng)組成和工作原理的內(nèi)容。在講解汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，補(bǔ)充了PID控制的知識(shí)等。為了增進(jìn)課程內(nèi)容與工程實(shí)踐之間的關(guān)系，編寫多個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例教案，包含運(yùn)動(dòng)模型物理描述、數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)特性分析、系統(tǒng)指標(biāo)確定、仿真模型或程序、結(jié)果分析等內(nèi)容，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論的用途和如何運(yùn)用。

4.2 綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法，提高教學(xué)效果

與文字相比，圖片、動(dòng)畫、視頻等更加直觀，也更易被理解。因此，本課程教學(xué)前收集和整理了很多汽車動(dòng)力學(xué)理論、原理和汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的圖片、動(dòng)畫、視頻等素材，加入到教學(xué)的PPT中，形成多媒體的展示材料，通過可視化的多媒體教學(xué)手段，輔助運(yùn)用仿真軟件，使學(xué)生更加容易地理解和記憶理論、公式和原理。采用啟發(fā)式和問題導(dǎo)向教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生站位轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)工程師等角色，進(jìn)行啟發(fā)性提問，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)式學(xué)習(xí)。采用討論式教學(xué)方法，例如，針對目前一些配備輔助駕駛功能的電動(dòng)汽車出現(xiàn)制動(dòng)失效的問題，從汽車驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)動(dòng)力學(xué)、電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)差異、線控制動(dòng)的控制策略、冗余設(shè)計(jì)等多個(gè)角度，與學(xué)生進(jìn)行討論。制作多個(gè)貼近工程實(shí)際的教學(xué)案例，進(jìn)行案例式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用知識(shí)解決工程實(shí)際問題。

4.3 優(yōu)化課程考核評價(jià)方式，以評促學(xué)

課程考核是教學(xué)中的重要一環(huán)，具有導(dǎo)向功能、反饋功能、評價(jià)功能等作用，對學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和效果具有重要影響，也是考查課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)情況最有效的手段。本課程的考核目標(biāo)是客觀真實(shí)地反映學(xué)生對知識(shí)的理解、掌握和運(yùn)用情況，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考、創(chuàng)新思維、提出問題、分析問題和解決問題，將傳統(tǒng)的閉卷考試考核方式改為考查制。課程成績由平時(shí)表現(xiàn)、案例實(shí)踐、課程論文、期末答辯四部分組成。平時(shí)表現(xiàn)主要考查學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)表現(xiàn)、問題回答參與情況等;案例實(shí)踐與課程論文是由學(xué)生自選或與教師討論后選取一個(gè)車輛動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的工程問題，采用仿真、實(shí)驗(yàn)、理論分析中的一種或兩種方法對問題進(jìn)行分析和討論，并形成一篇課程論文，教師從工作量、難度、創(chuàng)新性、完成程度等多方面進(jìn)行評定;期末答辯是學(xué)生使用PPT對自己完成的工程問題分析案例和課程論文進(jìn)行答辯，根據(jù)答辯時(shí)的表現(xiàn)進(jìn)行成績評定。這種綜合的考核評價(jià)方式，能夠?qū)W生的知識(shí)運(yùn)用、創(chuàng)新和實(shí)踐能力，還可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，縮短學(xué)校教育與工程實(shí)踐之間的距離，取得了較好的效果。

5 總結(jié)

以電動(dòng)化和智能化為顯著特征的汽車科技革命和產(chǎn)業(yè)變革快速推進(jìn)，汽車行業(yè)對人才專業(yè)知識(shí)和技能的需求發(fā)生了很大變化。針對新形勢、新技術(shù)和新工科建設(shè)的要求，在調(diào)研和分析目前課程內(nèi)容和教學(xué)上存在的問題的基礎(chǔ)上，開展《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程的教學(xué)改革探索和實(shí)踐。革新教學(xué)理念，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)講義，補(bǔ)充電動(dòng)汽車和智能駕駛相關(guān)的內(nèi)容，針對跨專業(yè)學(xué)生增加了先修課程知識(shí)點(diǎn)小貼士;綜合運(yùn)用多媒體素材、啟發(fā)式教學(xué)、案例式教學(xué)等方法;優(yōu)化課程考核評價(jià)方式，以評促學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考問題。通過課程教學(xué)改革實(shí)踐，學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握效果提升明顯，對學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維培養(yǎng)起到了積極的作用，可以為卓越的車輛工程技術(shù)和科學(xué)研究人才培養(yǎng)提供參考。

基金項(xiàng)目：北航研究生教育與發(fā)展研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目“汽車電動(dòng)化和智能化背景下《車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)》課程教學(xué)探索與實(shí)踐”;北航教改項(xiàng)目“汽車產(chǎn)業(yè)變革背景下車輛工程新工科人才培養(yǎng)模式研究”;北航一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目。

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作者簡介

李立軍：男，博士，北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠囕p量化和智能化。