改進汽車理論教學方法的思考

吳明翔

摘要：針對汽車理論教學過程中的重難點，以上海理工大學的實際教學條件、教學內容要求和考核要求以及以往教學效果為參考，通過分析如何堅持與優化傳統教學方法、如何將動力學仿真技術有效引入教學、如何針對改進后的教學方法進行學時和考核安排來確保教學質量等問題，來深入系統地探討汽車理論課程的教學改進方法，以確保工程實踐創新導向的卓越工程師教育培養質量。

關鍵詞：汽車理論；傳統教學改進；仿真技術教學；考核改進

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0169-04

《汽車理論》課程是一門通過高度有機綜合工程數學、工程力學與汽車構造等專業知識體系來提高學生對汽車動力性、燃油經濟性、制動性、操縱穩定性、平順性和通過性等重要汽車使用性能指標進行定量化分析并研究相應的優化設計方案的能力的專業基礎課程[1，2]。在筆者的教學過程中，通過課堂調研與作業信息反饋，發現學生在學習過程中普遍對基本概念與定義的理解不夠深入，從而導致他們所分析出的各類具體工況下汽車的性能表現缺乏實際的物理依據這一問題，進而反過來更加阻礙學生對基本概念與定義的充分理解和吸收，最終形成惡性循環，極大地挫傷了學生的學習積極性。從每年期末考試的情況來看，汽車理論的平均分與及格率均低于汽車構造、發動機原理、汽車設計等其他專業主干課程。如何在已有教學水平和教學資源的基礎上深化改革教學方法，提升學生的學習動力，培養學生對專業技術研究開發關鍵核心問題的敏銳嗅覺與快速解決能力，是值得每一位《汽車理論》課程教師深思的問題。

傳統的《汽車理論》課程教學分為理論教學和實踐教學兩部分，課堂理論教學一般在課時分配上占有絕對主導權地位。而從考核與成績評價方式上來講，也是傳統的期末考試成績具有絕對話語權。這樣的設計原則上合理，但是過于依賴課堂教學與期末考試在專業能力培養與考核上的作用。在課程學習階段的學生早已不是剛入校的高中畢業生，而是有一定專業知識素養并充滿專業實踐創新基礎與渴求的大三學生。教學方式和考核方式的過于單一，在很大程度上會降低學生的學習興趣和對專業前景的光明預期，最終影響培養質量。為此，本文將重點分析如何在堅持傳統教學方法精髓的基礎上進行教學考核方法的創新，從而為培養具有高度理論素養和強大實踐創新能力的學生提供可靠保障。

文中提到的教材均為清華大學余志生撰寫的汽車理論各版教材，主要以第五版為主。

一、傳統教學方法的堅持與優化

傳統教學方法即教師PPT講授+板書詳細剖析關鍵知識難點+師生問答互動+評閱學生作業。對于汽車理論這門理論課程，堅持該方法無疑是以保證學生理解掌握完整理論體系與普遍分析方法為出發點，但在實踐過程中，我們可以嘗試進行以下優化：

1.第一章。改變常規的授課思路，以汽車坡道行駛驅動動力學建模理論、方法、過程與模型在動力性評價與優化設計中的應用為基本講授綱要和思路。有了對模型的系統理論認識，就很方便教師給學生講授理論研究與實驗中發動機轉速特性、滾動阻力系數、空氣阻力系數、坡度與加速阻力系數、附著率的由來及其在模型理論分析中的地位與作用。按此思路優化第一章教學，可以強化培養學生以系統動力學的微分方程建模來對汽車驅動性能進行研究和設計開發的工程學研發思路，促進同學們對在先修的理論力學、高等數學等課程中自己認識較淺的知識盲點進行深化具體認識。此外，通過本章開始的課程學習所逐步培養的這種能力也有助于培養學生學習其他機械工程領域的專業技術基礎課程的自學能力，從而使學生在將來的就業與深造中具有廣泛的適應性與極強的自主性。

2.第二章。以發動機萬有特性為基本出發點，引出等速、等加速與等減速工況燃油消耗量的分析方法以及影響燃油消耗量的主要因素。由于發動機萬有特性通常屬于學生認識不深入的基本知識點，那么，結合本課程的一個重要培養目標——對專業技術研究開發關鍵核心問題的敏銳嗅覺與快速解決能力，將由基于萬有特性的發動機最小燃油消耗特性所確定的最佳無級變速器調速特性原理對無級變速器的結構功能設計的理論指導作用作為本章的重要研討性學習內容來開展教學工作，教學過程可采用案例研討、以小組為單位的課程設計作業、課程設計作業答辯等方式靈活進行。而且，鑒于萬有特性理論的重要性和相關應用的重要工程意義，無級變速調速理論的研討性學習是本章的教學重點。

對于電動汽車部分，屬于目前的主流新技術。為了給學生強化工程創新實踐意識，本節的教學可以以在理論講解的基礎上結合主流動力性燃油經濟性仿真分析軟件——Cruise、Advisor在具體車型設計方案評估中的應用來開展[3，4]。教學過程可采用案例研討、以小組為單位的課程設計作業、課程設計作業答辯等方式靈活進行。如何將仿真技術與教學有機結合將在本文后面相關部分闡述。

3.第三章。第三章講授的內容是對前兩章所學內容的進一步深化，更側重于檔位的設計、匹配對汽車燃油經濟性和動力性的綜合影響。傳統授課方式能保證學生吸收大部分核心知識點。本章的教學重點在傳動系檔數和各檔傳動比的選擇上。學生普遍反映教材相關內容過于抽象，學習過程中感覺不貼合實際。為此，教師在精確傳授教材內容的同時，應該結合自己在企業的實際工作經驗給學生直觀形象解釋清楚幾何速比級差與漸變速比級差在改善汽車動力性上的顯著差異，方有助于理解。

4.第四章和第五章。第四章和第五章是本課程的又一教學重難點。由于第四章涉及的制動動力學與第五章涉及的汽車操穩系統動力學存在相互耦合關系，且都同時直接對整車的行駛操縱穩定性有最直接的影響，所以筆者設想在遵循傳統教學理念方法的同時，將兩章的內容系統整合在一起進行講授。一來期望提高學生綜合分析解決問題的能力；二來教學內容會更貼近汽車行駛的主動安全性這一前沿尖端技術，在興趣的指引下能有效提高學生的學習興趣。

因為現在的學生數理基礎都比較扎實，同時理論力學也學得比較深入，所以在分析制動方向穩定性和操穩性時，除了通過動力學模型的推導使學生獲得精準的理論認知外，建議以MATLAB/Simulink軟件為切入口，教會學生將教材上重點討論的模型轉化為仿真模型并通過仿真來形象理解制動和轉向控制對汽車操穩性的綜合影響。進行相關教學時可采用案例研討、以小組為單位的課程設計作業、課程設計作業答辯等方式靈活進行。

此外，這兩章有幾個知識點聯系非常密切。在傳統的教學進度安排中是分開講授的，學生感覺比較抽象難懂。但如果結合在一起講授，預期效果會比較好。這兩個知識點是第四章中考慮側偏時的制動力系數、側向力系數與滑動率的特性關系以及第五章中的輪胎側偏特性與附著橢圓。每年的期末考試涉及到這兩個知識點的分析論述題失分非常嚴重。說明學生理解不扎實。綜合講解這兩個知識點時，最終目的是使學生通過綜合分析制動力驅動力側向力系數隨滑動率和側偏角的變化而變化的相關特性曲線，結合輪胎側偏特性，來理解附著橢圓的生成過程以及它在理論分析和設計中的指導意義。由于附著橢圓生成過程中涉及的因素有側偏角對驅動力制動力——滑動率特性的影響，還有滑動率對側偏剛度特性的影響[5]，其教學難度至少和理想制動力分配曲線組的生成過程相當。如果還要進一步探討如何根據附著橢圓來合理進行滑動率、側偏角的匹配工作，那么其教學難度應該至少和利用f、r線組與β線組來研究車輪在某一附著系數路面的抱死順序相當。因此，這一內容的PPT制作時應充分利用動畫功能來層次清晰地展示橢圓的生成過程。

在教學中，還應注意的一點是，在分析前后輪不同的抱死順序對汽車運動穩定性影響時，教材中沒分析前后輪同時抱死時對汽車運動穩定性的影響。作為啟發式教學的經典案例，可以通過課堂討論并抽學生回答問題的方式來開展啟發式教學。

5.第六章。本章的內容理論相對較深，在教學過程中，改進的方向依然應該是引入MATLAB/Simulink進行仿真教學。通過仿真分析直觀地體會懸架剛度、阻尼、動行程等關鍵參數的改變對車身、車輪等部件的振動位移、振動加速度的時頻響應特性的影響，并可以針對不同的振動控制目標提出不同的參數優化方案。

在教學過程，可以采用案例研討、以小組為單位的課程設計作業、課程設計作業答辯等方式靈活進行。由于本章內容理論體系較復雜，故可以在期末的筆試中略微減小本章的權重，而將本章內容的考核重點放在平時的課程作業答辯環節。

6.第七章。一般來說，本章不是本門課程的教學重點。采用常規的教學方法即可進行授課。當然，在涉及到牽引通過性計算和汽車越過臺階、壕溝能力的分析計算時，可以引入MSC ADAMS軟件從可視化動力學仿真的角度來讓學生驗證教材上相關理論的正確性。這樣，學生就會對教材上理論分析的結果有一個感性化認識，這又反過來促進了他們進一步探求教材上理論分析的更深層理論假設出發點以及細究邏輯推理演繹過程的興趣。

在教學過程，可以采用案例研討、以小組為單位的課程設計作業、課程設計作業答辯等方式靈活進行。由于本章內容理論體系較復雜，故可以在期末的筆試中略微減小本章的權重，而將本章內容的考核重點放在平時的課程作業答辯環節。

二、動力學仿真技術在汽車理論教學過程中的應用

以上分析了在傳統的理論教學過程中如何進行教學改進與優化。在理論教學的同時，實驗教學不可或缺。實驗教學存在具體形象、生動有趣、學生認知積極性高等優點，這有助于夯實學生的理論認知水平。

就目前各大學的平均實驗條件而言，汽車理論實驗的內容一般集中在動力性、制動性和平順性這三大塊上[6]。由于操穩性涉及綜合性能要求最高的整車系統，而燃油經濟性要求各種復雜的實車行駛工況，所以實驗開設的難度比較大。同時，由于現在學生人數很多，實驗場地又相對有限，所以實驗教學方式也出現了局部與傳統課堂教學方式趨同的趨勢。具體而言，教師現場講解學生認識了解的時間增加了，而學生親自動手做實驗的時間減少了。

為了在有限的實驗條件下使學生直觀形象地領會汽車動力性、經濟性、制動性、操穩性、平順性等經典工程實例的理論精髓，需要把動力學仿真技術引入到實驗教學環節中來。這就要求學生先期掌握基本的仿真技術，同時也要求教師先期完成各類性能經典工程實例的仿真平臺構建與程序調試工作。

1.第一章。汽車的驅動動力學方程本質上講是基于牛頓第二定律的線性微分方程，非常便于利用MATLAB/Simulink的基本編程功能來對行駛過程進行模擬。只要將相應的作用在汽車上的各類驅動力和行駛阻力進行函數編譯形成計算子模塊后，再利用Simulink強大的可視化編程功能，非常便于學生直觀理解汽車的驅動力——行駛阻力平衡機理與方程式。在此基礎上，學生通過軟件操作，即可驗證教材上的案例分析結果，從而形象直觀地加深他們對理論的理解深度，靈活掌握汽車動力性三大指標的工程設計與評價意義。在完成仿真計算分析的過程中，在編譯作為仿真基本單元的各類驅動力與行駛阻力函數模塊時，學生可以進一步復習各種力的計算方法，并深入領會各類驅動力和阻力的生成機理及物理含義。

2.第二章和第三章。本章的燃油經濟性分析與混合動力汽車部分宜大規模采用仿真教學。教學過程中，建議以汽車的檔位設計與燃油經濟性動力性的綜合優化匹配設計為核心教學目標，開展教學任務設計與執行工作。教學軟件可以采用ADVISOR或AVL/Cruise。由于這些軟件能對模型和源代碼進行開放式設計，具有優秀的模塊化的展示與人機界面交互式仿真設計操作功能，再加之能與其他多種軟件進行聯合仿真，仿真結果直觀可信度高，所以利用該軟件即可快速完成不同車型動力總成的傳動比等參數設計并直接在各類典型循環工況（NEDC、UDDS、1015、ECE-EUDC）下進行快速仿真測試檢驗這些參數設計對燃油經濟性和動力性的改善效果。對于混合動力汽車部分，由于絕大部分學生之前沒有任何工程實踐經驗，而教材的論述又過于理論化，所以在教學過程中可以利用上述軟件給學生講解車身、車輪、電機、傳動系、動力電池、發動機模型的基本仿真原理并引導學生按教材的內容搭建串聯式、并聯式和混聯式的動力性與經濟性仿真模型。完成模型構建后，可以再結合模型給學生講解不同構型的模式切換過程及仿真方法，最后可通過布置仿真作業讓學生理解不同構型的模式切換控制在動力性和燃油經濟性方面有哪些具體的性能表現差異。

3.第四章和第五章。由于討論制動方向穩定性與二自由度汽車操穩動力學特性時都是建立的簡明易懂的常微分方程模型，所以它們的分析都可以利用MATLAB/Simulink的可視化編程與仿真功能來實現。由于在第一章的學習過程中學生已經能針對系統受力編寫函數子模塊，加之動力學方程簡明易懂能直接用Statespace模塊表達，所以學生可課后自行完成上述性能的分析工作。基于汽車二自由度操穩動力學模型的穩態響應與瞬態響應的仿真分析結果可直接和教材上的結果進行對比，一來起到檢查模型正確性的作用，二來使學生能夠更扎實地領會操穩性分析的理論基礎。對于ABS的仿真教學，由于其模型是非線性的，所以建模難度稍大，不過也沒有本質區別。由于教材上提供了完整的動力學模型，故只要教會學生利用m文件編譯出ABS的非線性動力學模型并將其作為和Statespace子模塊具有相同功用的模塊嵌入Simulink仿真文件的動力學部分模擬部分即可。

對于更復雜的實車操穩性試驗，如蛇形試驗、轉向盤角階躍輸入試驗、轉向盤角脈沖試驗、轉向回正性能試驗、轉向輕便性試驗、穩態回轉試驗6個國標試驗，如利用MATLAB/Simulink軟件進行建模仿真和結果分析，對來說本科生難度會比較大。故在此可將MSC/ADAMS或CarSim軟件引入仿真教學中。由于國標中的參數是公開的，所以學生可以將國標規定的車輛動力學與試驗路況關鍵參數直接輸入軟件相應菜單欄進行可視化仿真，并在仿真結束后采集數據分析時域和頻域的動力學響應特性，繼而對操穩性進行評價。

4.第六章。本章仿真教學的意義在于使學生能將教材上的懸架振動動力學理論轉化為形象直觀的仿真模型來深化對懸架振動動力學的理解。由于懸架之間的本質差異體現在剛度、阻尼等關鍵結構參數的設計要求上，所以如果本章內容直接進行實驗教學，那么需要在實驗現場裝配各類不同剛度阻尼的懸架系統，以使學生能通過對不同參數懸架的一系列試驗結果來分析懸架參數對振動時頻響應特性的影響靈敏度，并和教材上理論分析的結果進行對比。顯而易見，這導致了實驗成本高、實驗耗時長等諸多問題。如果將實驗教學的大部分內容改為由仿真來完成，那么顯而易見的好處是一來學生通過仿真建模深化了對懸架振動動力學理論的認識；二來由于仿真時調整設置參數非常容易，那么相應的教學耗時與教學成本均會大幅下降，而教學效果起碼和實驗教學相同。

由于教材中闡述的懸架動力學模型是線性的，所以學生根據前面學習的基礎，可以自己在MATLAB/Simulink中搭建1/4和1/2汽車的懸架振動動力學模型并進行仿真，繼而獲取懸架關鍵部件的振動時域頻域響應特性。由于仿真時所設置的剛度、阻尼等關鍵參數來自教材，那么將通過仿真得到的時域頻域響應特性動力學特性與教材上給出的特性進行對比，學生便能檢驗自己建模的正確性并找出建模中的問題所在，從而使學生更扎實地掌握授課內容。

5.第七章。由于本章不是課程的教學重難點所在，且本章的難點輪-地動力學理論需要學生在研究生階段進行系統深入掌握，所以在學時安排上建議以理論教學為主。如果學生對相應的仿真內容感興趣，可以參見我國各著名高校在月球車、裝甲車、坦克等高技術特種車輛領域的通過性仿真研究論文，從中學習通過性仿真建模的理論基礎、工具、參數設置方法等技術細節，為將來的工作和深造奠定基本的理論基礎。

三、改進后的學時安排與考核方法

前面論述了傳統教學方法的改進和仿真教學的實施重點。由于教學改進的目的是貫徹扎實理論素養+工程實踐創新導向的卓越工程師培養方針，那么，相應的學時安排和考核方法也必須進行改進，以確保教學過程的高效進行和教學質量的真實可信。

在學時安排上，對于前述傳統教學優化的部分，由于只是圍繞重難點對授課內容進行系統協調整合，所以這部分改進不影響原有的學時安排計劃。對于仿真教學部分需要增加學時并進行重新分配。需要注意的是，雖然后面提到的考核方式中增加了平時作業答辯和仿真論文作業答辯兩大環節，但是這兩個環節不占用學時，由教研組在實施過程中另選時間進行。

改進后的學時安排如表1所示。

在考核方法的改進上，除了原有的出勤、平時教材作業、期末筆試考核外，需要增加教材作業答辯考核、仿真論文作業答辯考核這兩個環節。答辯考核屬于師生雙向互動教學相長的一個環節，它能有效防止學生相互抄襲，督促學生重視平時學習的過程，防止期末抱佛腳而導致的專業知識掌握不扎實等一系列目前教學中存在的問題，從而最大限度保證平時教學質量與學生工程實踐創新能力的培養質量。

四、結語

探討了汽車理論傳統教學方式的改進與優化思路，論述了將動力學仿真技術引入教學的可行性與執行措施。為了落實這些教學改進措施，繼而分析制定了相應的學時安排要求與考核評價方法。下一步即可以此為基本綱要進行教學改進實踐探索，以不斷完善基本改進綱要，最終形成一套能有效培養卓越工程師的汽車理論課程教學體系，并期望促進課程的更深層次教學改革。

參考文獻：

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