計算機模擬在《汽車理論》教學中的應用

徐哲　路世青　陳瑩瑩　黃澤好

摘? ?要：《汽車理論》課程理論性較強，傳統教學過程顯得枯燥乏味。圍繞計算機模擬教學方法的類型、學生的參與、與理論教學、試驗教學的關系，以及存在的困難四個問題進行分析探討，結果表明計算機模擬教學方法可以增加汽車理論教學的直觀性，提高學生的學習興趣。

關鍵詞：教學? 汽車理論? 計算機模擬教學? 學生參與

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0205-02

Abstract：The vehicle theory is difficult to learn because of its heavy logicalization. The traditional teaching method looks like boring. The simulation teaching method can show directly， so it looks like actively. There are four discussed parts as follow ： the type of the simulation teaching method， the involved of the students during the teaching process， the relationship among simulation teaching， the pure theory teaching and the experiment? teaching and the difficult in the simulation teaching. It shows that the simulation teaching can improve the visualization of the vehicle theory and the students interest.

Key Words：Teaching; Vehicle theory; Simulation teaching; Involved of the students

汽車理論是理論性比較強的課程，其中涉及到大量的公式推導，這使得學生對這門課感覺比較枯燥和乏味[1]。同時由于汽車的動態響應通常采用微分方程表達，其計算結果往往是一條曲線，很難與車輛的實際運行狀態聯系起來，學生難以直觀地感受車輛的狀態變化。如何既讓學生掌握汽車理論中的研究問題、研究方法，同時又將結果更直觀地展示出來，是汽車理論教學中較難解決的問題。

計算機模擬是汽車理論研究的重要方法之一，汽車理論研究中涉及到的大量運算，可以借助計算機的高速計算得到結果[2]。在汽車開發中，采用計算機模擬方法可以方便地改變模型或外界條件參數，這些結果可以作為實際試驗的參考，因此，現在一些汽車研究機構已將計算機模擬作為人才招聘的必備技能之一[3]。所以在汽車理論教學中很有必要將計算機模擬方式引入進來[4]。現在很多與車輛有關的仿真軟件通過多媒體技術可以直觀地展示給學生，可以有效地提高理論教學的直觀性和生動性[5]。

1? 計算機模擬教學方法的類型

汽車理論教學中采用的計算機教學方法主要分為三種類型，一是采用ADAMS軟件進行教學，二是采用Carsim軟件進行，三是采用MATLAB進行仿真計算。

其中ADAMS軟件屬于多體動力學軟件，該軟件需要建立車輛的實際機械結構模型，由于車輛的結構非常復雜，這對系統的實時仿真造成了很大的問題。而且汽車理論中往往將汽車的某些參數集中考慮，并不是機械尺寸或者機械參數。比如側偏剛度，這些參數難以在ADAMS軟件中直觀地體現出來，因此該軟件通常只用來展示某些汽車試驗的響應。

另外一種方式是使用MATLAB軟件進行模擬，MATLAB軟件是研究工作中最常用的仿真軟件，它屬于編程語言仿真軟件。這種編程語言類的模擬方式，可以與課程中的理論推導結合起來。比如汽車操縱穩定性教學中的對汽車轉向特性的研究，在根據理論推導出車輛的二自由度模型后，可以采用MATLAB編程計算得到車輛的響應曲線。在進一步需要對其中的參數如輪胎側偏剛度的影響進行分析時，由于這些參數是直接包含在模型中的，所以可以方便地進行更改。采用MATLAB軟件可以方便地以曲線的形式展示汽車理論課程中的計算結果，并進行直接對比。

但MATLAB軟件得到的結果只能是曲線軌跡，對學生來講仍然是抽象的。為了降低學生的理解難度，需要在操縱穩定性方面給學生更為直觀的感受，這就需要動畫演示。動畫演示的實現一方面可以使用前述的ADAMS軟件進行，另外也可以采用Carsim軟件進行。Carsim軟件中集成了車輛動力學模型，該模型與汽車理論中得到的模型最為接近。汽車理論中的穩態轉向、過度轉向等問題，可以采用Carsim軟件進行仿真并動畫演示，通過直觀地展示車輛的響應結果，能夠使學生獲得更深的理解。在教學中，還可以更改模型中的參數，獲得不同車輛的動態響應。作為專業的車輛動力學軟件，Carsim還可以模擬汽車的多種實驗，如對開路面ABS效果試驗、轉彎制動試驗、雙移線試驗等。甚至在軟件中可以增加駕駛員環節，在車輛穩定性研究涉及到的試驗中，就可以通過設置不同的轉向輸入進行比較。這些試驗使得汽車理論教學中視覺上的解釋更為明顯，也更能喚起學生的興趣。

2? 計算機模擬教學中學生的參與

傳統的教學模式下，教學過程包括教師、學生和教材三個主要要素。學生只能被動地接受老師的理論灌輸，缺少主動性。計算機模擬教學，一方面可以由老師在課堂上來進行模擬，給學生進行展示，另一方面也可以由學生參與完成，通過學生的上機操作，自己獲得車輛的動態展示。

由于計算機模擬相對于實際試驗操作更為簡便，所以，在教學中可實施性更強，學生可以人手一臺電腦進行實際操作。在該環節中，由于學生屬于主動參與且結果顯示比較生動，所以大部分對此比較感興趣。同時由于在計算機上模擬車輛響應可以實施考核，因此也可給學生提出硬性指標，讓學生實際操作，加深學生對汽車理論的理解。

3? 計算機模擬教學和理論教學、試驗教學的關系

把計算機模擬穿插到傳統的教學模式中也是在實際教學中需要重點關注的問題。計算機模擬教學方式由于其固有的特點無法完全替代傳統的理論教學和試驗教學。理論教學更多的是教給學生分析問題的方法，并要學生掌握其中的邏輯性。而試驗教學則是學生學習與汽車理論相關的試驗方法，是工科學生的必備環節。即使如此，計算機模擬教學依然可以提高學生在這兩方面的理解程度，比如在理論推導獲得系統的微分方程后，計算機模擬可以幫助學生直接獲得計算結果，加深學生對車輛響應的理解。

而計算機模擬教學對試驗教學的促進作用則主要表現在，實際試驗中有些條件是很難去改變的，但計算機模擬可以設置不同的試驗環境，做更多的不同條件下的試驗，其中包括做很多實際中無法進行的試驗，并給學生直觀的感受。

4? 計算機模擬教學存在的一些問題

計算機教學中存在的主要問題是需要學生學習模擬軟件，這對大三的學生來講，稍微有些困難。解決的方法是在教學中減少軟件的學習量。在前述部分，介紹了三種軟件進行計算機模擬教學，但實際上學生只要掌握其中一個軟件就已經比較吃力了，所以教學中只能最低限度地要求學生掌握一種軟件，比如僅僅學習能夠進行動畫展示的Carsim軟件，而不去專門學習MATLAB軟件。

另外一種解決方法是在車輛相關專業的本科生培養方案中增加計算機仿真課程，主要講授MATLAB軟件的使用方法。對于本科生而言，已經接觸了C語言等計算機編程的基礎知識，學習MATLAB語言，并不是很難。同時在汽車理論教學中，可以通過提供示例程序等，降低學生的學習難度。

除此以外，可以考慮在車輛相關專業中專門增加汽車仿真課程，該課程給學生講授諸如Carsim等的專業仿真軟件，在專業內完成仿真課程的教學，

5? 結語

計算機模擬教學可以以直觀的方式展示給學生，還可提高學生的參與程度，通過與傳統理論教學和實驗教學相結合，可以有效地激發學生對該理論課的學習興趣，加深對汽車理論的理解。但在教學中需要注意學生學習軟件時的困難，在實際教學中需要降低軟件學習的要求。

參考文獻

[1] 隗寒冰，李軍.基于AVL/Cruise仿真平臺的汽車理論實驗教學改革研究[J].科技信息，2010，29（10）：584-585.

[2] 包凡彪.《汽車理論》課程實踐教學改革研究[J].價值工程， 2011（33）：227-229.

[3] 杜峰， 關志偉，劉春輝.軟件仿真技術在汽車理論教學中的應用實踐[J].天津職業技術師范大學學報，2015，25（2）： 58-62.

[4] 魯力群.項目驅動下的汽車理論課程改革及實踐[J].大學教育，2013（16）：86-87，118.

[5] 李玉芳，翁建生，趙萬忠.研究生專業知識體系基礎構建方法[J].科技信息，2009（15）： 503.