牛禮民　賈豐源　張國濤　李明麗

［摘 要］為適應(yīng)新形勢下新工科建設(shè)對車輛專業(yè)人才培養(yǎng)的新需求，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，文章從課程內(nèi)容、案例教學(xué)、課程評價機(jī)制等方面出發(fā)，對車輛系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)模式提出改進(jìn)策略，即完善車輛動力學(xué)、傳動、制動、轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)實(shí)驗課程內(nèi)容，針對車輛系統(tǒng)復(fù)雜工程問題求解開發(fā)相應(yīng)的案例庫模型，結(jié)合線上線下混合教學(xué)模式，融入課程思政元素，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系，以促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的全面深度融合，探索提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的車輛系統(tǒng)建模與仿真教學(xué)新模式。

［關(guān)鍵詞］車輛系統(tǒng)；建模與仿真；教學(xué)模式；課程案例

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）18-0045-04

車輛系統(tǒng)建模與仿真是車輛工程專業(yè)重要的選修課程，也是車輛工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中畢業(yè)要求達(dá)成的關(guān)鍵支撐課程，主要講述車輛各系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建與模擬，直接關(guān)系到后續(xù)車輛專業(yè)畢業(yè)設(shè)計實(shí)踐教育效果和合格汽車工程師的培養(yǎng)。然而，隨著汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展的日新月異，現(xiàn)代汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理方面發(fā)生了很大變化，原有課程教學(xué)內(nèi)容無法滿足車輛工程教育新工科建設(shè)要求，且車輛工程專業(yè)認(rèn)證也把學(xué)生解決復(fù)雜工程問題作為重要的畢業(yè)要求，因此，傳統(tǒng)人才培養(yǎng)方式難以適應(yīng)新形勢下多元化人才培養(yǎng)需求，也不利于車輛工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。本文依托現(xiàn)代信息技術(shù)，利用MATLAB/Simulink軟件工具，以車輛平順性仿真教學(xué)為案例，融入課程思政元素，探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實(shí)驗教學(xué)新模式，使學(xué)生學(xué)會對車輛平順性能進(jìn)行仿真模擬與分析，進(jìn)一步提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，以適應(yīng)新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證對車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

一、目前課程教學(xué)中的若干問題

（一）課程內(nèi)容方面

車輛系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)可以縮短汽車新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，已然成為車輛工程專業(yè)高年級本科生必須掌握的專業(yè)技能。新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)使得現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生了很大變化，比如，汽車底盤懸架系統(tǒng)已經(jīng)從過去的被動懸架發(fā)展到目前的半主動懸架，還在繼續(xù)向主動懸架技術(shù)方向發(fā)展，這就對車輛平順性建模與仿真教學(xué)內(nèi)容提出了新的要求。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)已由過去的液壓助力轉(zhuǎn)向發(fā)展為當(dāng)下的電動助力轉(zhuǎn)向，再向線控轉(zhuǎn)向技術(shù)挺進(jìn)，相應(yīng)的車輛操縱穩(wěn)定性建模與仿真教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)隨之更新。新能源汽車技術(shù)的出現(xiàn)、電動汽車的等效燃油消耗評價指標(biāo)的制定等，都對傳統(tǒng)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性建模與仿真教學(xué)內(nèi)容提出了新的挑戰(zhàn)，而數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景對制造業(yè)人才協(xié)同培育提出了更高的要求[2]。新形勢下，車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容的數(shù)字化設(shè)計是當(dāng)前迫切需要探究的問題。

（二）教學(xué)過程方面

在前期的理論教學(xué)課堂上，教師首先提出學(xué)習(xí)內(nèi)容，以汽車?yán)碚撜n程知識為基礎(chǔ)分析車輛性能評價指標(biāo)和建模過程，結(jié)合案例教授學(xué)生學(xué)習(xí)車輛系統(tǒng)建模過程；后期的實(shí)驗教學(xué)是讓學(xué)生在機(jī)房電腦上學(xué)習(xí)編程操作，重現(xiàn)案例實(shí)施過程，目的是讓他們加深對汽車組成系統(tǒng)、部件結(jié)構(gòu)、工作原理的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力。目前部分高校的汽車構(gòu)造實(shí)驗大都只是一些演示性實(shí)驗或簡單的拆裝實(shí)驗，與車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合得不緊密，加上學(xué)時有限，使得實(shí)驗課程學(xué)習(xí)過程如走馬觀花，學(xué)生難以將公式、模型與具體工程問題聯(lián)系起來[3-4]，教學(xué)過程的形成性評價方面有所欠缺，不能很好地達(dá)到課程的教學(xué)要求。

（三）教學(xué)效果方面

從該課程的教學(xué)效果來看，由于課程教學(xué)方法單一，多以灌輸式單向教學(xué)為主，車輛模型構(gòu)建表達(dá)式極為抽象，無法調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，案例教學(xué)僅為學(xué)生對教師授課內(nèi)容的簡單再現(xiàn)，缺乏解決復(fù)雜工程問題的思路和創(chuàng)新。傳統(tǒng)的課程評價方法采用平時作業(yè)成績與期末考試成績結(jié)合的方式，缺少對知識實(shí)際運(yùn)用的考核，無法做到對課程教與學(xué)的客觀實(shí)際評價，教學(xué)效果評價難以適應(yīng)新形勢下多元化人才培養(yǎng)的需求，迫切需要在課程教學(xué)模式上進(jìn)行新的探索。

二、課程教學(xué)模式的有益探索

針對上述問題，課程教學(xué)團(tuán)隊對車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)模式進(jìn)行了有益探索。

（一）課程教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向

根據(jù)新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證要求，安徽工業(yè)大學(xué)圍繞自身辦學(xué)特色，進(jìn)一步完善其車輛工程專業(yè)的課程教學(xué)總目標(biāo)。該課程以培養(yǎng)學(xué)生成為具有人文社會科學(xué)素養(yǎng)、社會責(zé)任感、職業(yè)道德和團(tuán)隊意識的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)骨干為目標(biāo)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代汽車工程領(lǐng)域的基本理論、專業(yè)知識和基礎(chǔ)技能，熟練運(yùn)用現(xiàn)代分析工具和管理技術(shù)，能勝任本專業(yè)實(shí)踐領(lǐng)域的工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、經(jīng)營管理以及工程科學(xué)研究等工作，熟練運(yùn)用所掌握的知識去解決復(fù)雜工程實(shí)際問題，服務(wù)于車輛工程相關(guān)行業(yè)且具有一定的國際視野和創(chuàng)新精神；使學(xué)生在探究復(fù)雜車輛工程問題的同時，通過基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)掌握汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造及底盤各組成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，了解車輛工程專業(yè)技術(shù)人才應(yīng)具備的工程能力和專業(yè)素養(yǎng)，進(jìn)而完善自身以獲得社會和用人單位的認(rèn)可。

（二）教學(xué)內(nèi)容時新設(shè)計

車輛系統(tǒng)建模與仿真課程在專業(yè)培養(yǎng)方案中與其他課程間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

該課程屬于專業(yè)選修課，只有以先期課程車輛專業(yè)導(dǎo)論、汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計為基礎(chǔ)，學(xué)生才有可能學(xué)好本門課。同時，該課程又為后續(xù)的畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提供專業(yè)知識技能基礎(chǔ)。作為聯(lián)系專業(yè)基礎(chǔ)課與實(shí)踐教學(xué)的中間環(huán)節(jié)，其重要性不言而喻。在汽車技術(shù)飛躍和新工科建設(shè)的新形勢下，該課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計需與時俱進(jìn)。

在教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)，問題導(dǎo)向的內(nèi)容教學(xué)設(shè)計有助于調(diào)動學(xué)生思考和學(xué)習(xí)的熱情。在汽車平順性建模與仿真教學(xué)過程中，教師提出“駕車通過校園路面相同的減速帶，為什么不同車輛乘坐的舒適性不一樣”“為什么乘坐自行車后座比乘坐電動車后座感覺更顛簸”這些與學(xué)生生活密切相關(guān)的問題，很容易激發(fā)學(xué)生思考懸架系統(tǒng)對舒適性的作用、車輛平順性的影響因素等問題。之后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生主動探尋平順性的評價指標(biāo)等問題，通過牛頓第二定律建立1/4汽車行駛動力學(xué)模型、1/2汽車行駛動力學(xué)模型，由易到難直至建立整車行駛動力學(xué)模型，模擬仿真車輛通過減速帶時的平順性能?？梢?，設(shè)計良好的教學(xué)問題可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)課堂互動和教學(xué)效果。

（三）虛擬仿真技術(shù)案例應(yīng)用

新形勢下，車輛新技術(shù)、新材料、新工藝層出不窮，虛擬仿真技術(shù)利用計算機(jī)設(shè)備對車輛系統(tǒng)進(jìn)行性能模擬，具有開發(fā)周期短、教學(xué)成本低、試驗安全性高、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，是緊跟新工科建設(shè)要求的重要教學(xué)手段。車輛系統(tǒng)建模與虛擬仿真案例庫的開發(fā)，使不具備的實(shí)驗條件轉(zhuǎn)變成可能，極大地拓展了車輛實(shí)驗課程體系的內(nèi)容[5]。學(xué)生在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)驗，演示性實(shí)驗變成了學(xué)生自己動手的實(shí)踐，這樣能有效解決教學(xué)過程中學(xué)生動手難的問題[6]。另外，還可以教學(xué)內(nèi)容漸進(jìn)性為主線、以模塊化思想為指導(dǎo)，設(shè)計車輛系統(tǒng)建模的虛擬仿真實(shí)驗案例，包括汽車連續(xù)換擋加速性能仿真案例、汽車爬坡能力仿真計算案例、汽車制動性能仿真案例、轉(zhuǎn)向梯形仿真計算與優(yōu)化案例、汽車行駛速度控制仿真案例等。

圖2為汽車平順性仿真案例設(shè)計中的懸架示意圖，在此二自由度的懸架模型構(gòu)建過程中，將輪胎等模型抽象成彈簧、阻尼模型，與實(shí)物模型一一對應(yīng)，可使懸架主要零部件的作用一目了然。仿真過程中，車身垂直加速度信息采用動畫屏顯，在不同路面激勵下的動態(tài)跳動使學(xué)生仿佛身臨其境，感受到來自路面的顛簸沖擊，這對車輛平順性的表征、模擬均起到案例教學(xué)應(yīng)有的作用。

（四）創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)體系探索

課程教學(xué)改革要始終堅持立德樹人根本任務(wù)，因此，教師要融入課程思政元素，對學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)體系進(jìn)行有益探索。汽車行業(yè)正在經(jīng)歷由人工智能、物聯(lián)網(wǎng)帶來的變革，需要與時俱進(jìn)、不斷挖掘教學(xué)內(nèi)容中的思政元素，找到融合更加緊密自然的知識點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)課程與思政元素更有效的銜接。車輛系統(tǒng)建模與仿真課程可以把中國汽車發(fā)展歷史、汽車文化等融入課程思政教育，將課程思政建設(shè)與中國汽車人的使命相結(jié)合，這既為課程思政建設(shè)提供了堅實(shí)的素材來源，也為汽車類的課程思政建設(shè)增加了新載體、新途徑。課程教學(xué)改革研究將思政板塊與知識板塊相結(jié)合，深挖教學(xué)知識點(diǎn)中的思政元素，提取思政映射點(diǎn)，為課程思政找到落腳處，以期解決專業(yè)教育與思政教育“兩張皮”的問題。弘揚(yáng)中國汽車人精神，激勵學(xué)生參加各項科技創(chuàng)新實(shí)踐活動，以課外科技創(chuàng)新團(tuán)隊的組織形式引導(dǎo)學(xué)生投身科技創(chuàng)新實(shí)踐活動，從工程認(rèn)知、工程訓(xùn)練到工程創(chuàng)新的細(xì)節(jié)上，引領(lǐng)學(xué)生樹立“大工程”觀、建立宏思維。通過創(chuàng)新實(shí)踐能力的綜合培養(yǎng)，使學(xué)生鞏固所學(xué)知識，把在創(chuàng)新實(shí)踐中所學(xué)到的理論知識靈活地應(yīng)用于車輛系統(tǒng)建模與仿真學(xué)習(xí)中，提高他們解決復(fù)雜車輛工程問題的能力，使其養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，達(dá)到新形勢下工程教育對車輛專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求。

三、教學(xué)效果評價機(jī)制的持續(xù)改進(jìn)

傳統(tǒng)課程考核方式普遍采用平時成績+卷面成績的模式，而對學(xué)生解決復(fù)雜車輛工程問題能力的考核未能得到有效體現(xiàn)。課程建設(shè)中，課程教學(xué)團(tuán)隊將畢業(yè)要求達(dá)成度細(xì)化為多項能力指標(biāo)點(diǎn)，以課程考核材料作為評價依據(jù)，細(xì)化量化過程考核指標(biāo)、合理分配標(biāo)準(zhǔn)的評價權(quán)重系數(shù)，建立了一套課程考核評價體系，構(gòu)建了教學(xué)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)、課程支撐內(nèi)容與權(quán)重系數(shù)的關(guān)系矩陣，對包括實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在內(nèi)的所有課程畢業(yè)要求達(dá)成情況進(jìn)行評價；根據(jù)每門課程達(dá)成度評價結(jié)果，最終計算出畢業(yè)要求達(dá)成度評價結(jié)果?？荚u體系構(gòu)建具體如下：

第一，任課教師在所授課程首節(jié)課即告知學(xué)生本案例教學(xué)內(nèi)容（如布置課前小任務(wù)——運(yùn)用Simulink學(xué)習(xí)車輛平順性仿真），明確課程教學(xué)目標(biāo)、課程教學(xué)方法、課程形成性評價方案等，以保證案例教學(xué)結(jié)束時收集資料的完整性和合理性。

第二，在課程教學(xué)過程中，任課教師依據(jù)課程形成性評價方案，采取多種形式收集學(xué)生平時學(xué)習(xí)情況作為過程性考核與評價的原始資料，如考勤簽到、課后作業(yè)、課堂研討、期中考核等。

第三，在課堂測試過程中，學(xué)生既可以采用比例積分微分策略，又可以采用模糊控制策略，運(yùn)用MATLAB/Simulink 軟件對車輛懸架模型進(jìn)行模擬控制。虛擬仿真技術(shù)帶給學(xué)生直觀、身臨其境的感受，通過分析仿真結(jié)果驗證控制策略的有效性，學(xué)生學(xué)會了車輛平順性的分析方法。案例課堂結(jié)束時，任課教師以課堂測試的方式考核學(xué)生對仿真案例的掌握情況，通過反饋信息對教學(xué)過程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

第四，課程結(jié)束后，授課教師按教學(xué)大綱要求，以期末考試或課程大作業(yè)等形式對學(xué)生進(jìn)行全面考核。授課教師對課程目標(biāo)達(dá)成資料進(jìn)行整理：對于定量資料，依據(jù)課程達(dá)成度計算方法，計算課程目標(biāo)達(dá)成值，完成達(dá)成情況分析與評價報告；對于非定量資料，依據(jù)設(shè)計的評價方法分析評價課程目標(biāo)達(dá)成情況。

第五，結(jié)合車輛工程專業(yè)認(rèn)證要求，將車輛系統(tǒng)建模與仿真課程目標(biāo)達(dá)成分析與評價報告作為教學(xué)資料歸檔，其內(nèi)容包括課程目標(biāo)達(dá)成度計算、評價結(jié)果、持續(xù)改進(jìn)措施等。此外，還需提交課程小結(jié)，內(nèi)容包含課程的試卷分析、本學(xué)期課程教學(xué)總結(jié)與下學(xué)期工作設(shè)想（教學(xué)方法改革、教學(xué)效果、學(xué)風(fēng)情況、課程考核、存在問題、改進(jìn)措施、改革設(shè)想等）等。

目前，本課程教學(xué)效果評價機(jī)制已在實(shí)際教學(xué)過程中得到應(yīng)用。授課教師采取考勤、作業(yè)、課堂測試、研討、期中考核等多種形式對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行形成性評價，按專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)達(dá)成度要求分析課程目標(biāo)達(dá)成情況，在課程教學(xué)總結(jié)中增加存在問題、改進(jìn)措施、改革設(shè)想等內(nèi)容，為新一輪授課教學(xué)提供參考。該課程考評體系的應(yīng)用進(jìn)一步完善了對專業(yè)課程目標(biāo)達(dá)成度的評價。

四、結(jié)語

新形勢下，通過對車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容的問題導(dǎo)向設(shè)計，輔以案例教學(xué)手段，持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)效果評價機(jī)制，可對傳統(tǒng)車輛工程實(shí)驗教學(xué)起到延伸和拓展的作用，改變課堂教學(xué)過程中過分講授導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不高、認(rèn)知參與度不足等問題。課程教學(xué)改革過程中，為使學(xué)生更好地掌握車輛系統(tǒng)建模與仿真知識，課程教學(xué)團(tuán)隊將課程思政元素融入教學(xué)中，鼓勵學(xué)生圍繞工程訓(xùn)練項目，結(jié)合生活實(shí)際積極參加科技創(chuàng)新活動。近年來，該課程教師指導(dǎo)學(xué)生獲批數(shù)十項國家級、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，指導(dǎo)學(xué)生公開發(fā)表多篇科技創(chuàng)新論文，獲得實(shí)用新型專利多項授權(quán)以及中國TRIZ杯大學(xué)生創(chuàng)新方法大賽獎項等，這些成果的取得很大程度上有賴于專業(yè)課程培養(yǎng)體系的落實(shí)。該課程教學(xué)改革研究為新形勢下工科學(xué)生創(chuàng)新能力的培育提供了新思路。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 張國濤，王孝義，牛禮民.汽車液壓與液力傳動課程學(xué)生國際化視野培養(yǎng)探究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2021，38（4）：78-79.

[2] 石嘉婧，雷金英.數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下制造業(yè)人才協(xié)同培育研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2023，16（5）：431-438.

[3] 李立軍.“車輛系統(tǒng)動力學(xué)”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].時代汽車，2022（2）：66-68.

[4] 牛禮民，張國濤，賈豐源.新工科背景下車輛工程專業(yè)虛擬仿真課程教學(xué)模式的探索[J].教育現(xiàn)代化，2021，8（84）：38-40.

[5] 王家政.構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)課程體系[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2019（3）：82-83.

[6] 潘公宇.雙一流建設(shè)背景下專業(yè)碩士核心課程的教學(xué)改革與實(shí)踐：以《車輛系統(tǒng)動力學(xué)》課程為例[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（23）：15-18.

［責(zé)任編輯：劉鳳華］