新工科和虛擬實驗下汽車設計課程教學改革＊

安曉東，李亞麗，候軍興，張華陽

（鄭州航空工業管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046）

前言

汽車設計課程是車輛工程專業核心課程之一，包括汽車總體布局設計、汽車零部件設計和汽車外觀設計等三方面內容，傳統汽車設計課程主要講授前兩部分內容[1]。車輛工程專業學生通過本課程學習，能夠合理地選擇汽車結構方案、確定設計系統的主要特征參數和評價參數等[2]，同時基于相關輸入特征參數和邊界約束條件，進一步進行結構優化設計和動力學校核。然而，學生在學習過程中普遍感到汽車設計課程抽象且難以理解，從而打擊了學生的學習積極性，達不到預期的教學目的。隨著中國制造2025以及新工科課程建設和產學研創四位一體規劃的提出，針對社會對汽車設計課程的實際需求，相關學者不斷對汽車設計課程教學模式和實驗方法進行方法創新。王豐元等[3]設計了模塊化教學模式，通過模塊化方式實現教學的組織和師資組合，獲得教學效果的提高。傅楚青等[4]針對汽車設計實踐成本和效率，在高校新能源車輛工程專業采用虛擬仿真試驗軟件，進行實驗教學應用分析，取得了較好的效果。劉西等[5]結合汽車設計課程的特點和問題，提出了汽車全流程設計的內容教學，課外大作業和研討式教學的教學改革措施，在提高教學和人才培養質量方面取得了較好的效果。汽車設計課程的部分理論內容與汽車構造課程和汽車理論課程等存在重疊的特點，張璘等[6]探討了汽車設計課程教學新式教學理念，相互整合不同專業課間進行講授，使學生積極性和能力得到提高，解決授課課時較少的問題。喻厚宇等[7]等針對汽車設計課程實踐性強的特點，結合汽車企業采用的汽車產品開發流程，將模擬汽車產品開發的研討式大作業應用于實踐教學，從而提高學生對汽車設計課程的學習興趣和對理論知識的掌握程度。以上文獻分別從技術應用、成本、知識模塊化、學生參與及專業課整合等角度針對汽車設計課程進行了相關探索，提高了教學效果。然而，由于不同高校間車輛工程專業的師資人員、實驗設備數量和學生構成等情況區別較大，以上改革方法很難實現全面推廣。因此，針對汽車設計課程的探索還需要不斷進一步完善和發展。

本論文基于科研創新和現階段對車輛工程專業學生設計技能需求，對汽車設計課程教學進行模式探索，開展以下內容研究：1）汽車設計課程目前存在的問題分析；2）新工科對汽車設計課程的要求；3）面向產學研創的教學模式改革在汽車設計課程中的實踐和應用，提出基于虛擬仿真實驗和動力學分析為教學目標的交叉融合培養方案。通過以上研究，最終實現滿足學校、車輛企業和研究機構對汽車設計課程內容、方法及學生基本技能素質等要求的融合。

1 新工科下汽車設計課程要求

OBE（Outcomes-based Education）理念要求工程類專業人才的培養以學生為主體，遵循成果導向，以學生培養質量結果評價專業辦學水平，以行業需求確定培養目標，以崗位需求確定畢業要求，以畢業要求確定實踐教學體系的教學目標和內容，培養具有創新創業能力和綜合素質高的各類交叉復合型卓越工程人才[8]。因此，針對汽車設計課程的改革要遵從OBE專業認證理念，從知識、能力、素質三個層次對教學內容、課程目標、教學方法和組織形式等進行設計構思，培養學生具備在汽車設計工程領域從事設計和研究開發的能力。

2 課程目前存在的問題

2.1 課程內容涉及面廣且理論性強

汽車設計內容包括汽車的總體設計、離合器設計、機械變速器設計、萬向傳動軸設計、驅動橋設計、懸架系統設計、轉向系統設計、制動系統設計等8個章節內容。每一章節內容都對應不同的結構分類、結構工作原理以及設計和校核計算方法等，從而造成學習內容專業跨度大、理論性、綜合性強和經驗公式多等特點。

2.2 學生獲得的技能與社會需求不一致

目前汽車設計內容仍然以公式計算和校核為主，且內容多年未更新，與現代汽車行業的飛速發展矛盾突出。當前汽車設計更多是基于三維實體建模、CAE應力應變分析、有限元動態力學分析等技術手段進行汽車相關結構和系統設計。因此，當前汽車設計課程內容培養目標與社會實際需求中存在不同步問題。

2.3 考核方式與OBE課程體系要求不符

現階段汽車設計教學方式仍以講授為主，考試方式一般采用試卷考試方式，考核方法單一。另外，學生考試需要花費較多時間熟記概念和公式，造成培養效果差，并不能體現汽車設計實際的技能要求。

3 新工科下汽車設計課程教學改革

3.1 理論部分采用多模式相結合

多媒體教學技術可以將文字、圖片和動畫融為一體，現場教學的方法可以使學生對知識點的理解比較直觀, 更能激發學生的學習興趣。針對汽車設計中理論部分的講解，采用現場教學和多媒體等方式開展，同時在實驗室中認識系統不同的結構特征、工作原理并對案例進行分析等，實現理論與實踐融為一體的教學過程。

3.2 作業和知識點采用網絡教學模式

由于釘釘、泛雅等在線網絡教學形式靈活性強，相對傳統教學的模式是一種較好的補充，學生可以隨時隨地完成作業提交和復習等。另外，針對汽車設計的復習資料、相關知識點、視頻資料等相關文件，老師上課前將其上傳至網絡教學平臺，學生通過網絡教學平臺進行預習，從而提高上課效果。

3.3 結構設計和校核采用虛擬仿真技術方式

虛擬仿真技術在汽車設計教學環節中的應用，能夠增強理論教學的直觀性[9]，正被廣泛應用。在車輛初期設計過程中，無法通過試驗方法提前獲取車輛系統部件準確的設計參數和動力學參數變化，并預測疲勞壽命和疲勞危險點的位置，依據經驗的設計方法往往容易造成過載設計或不足設計。隨著計算機運算能力的提高，福特、沃爾沃、和京汽車等研發機構，在汽車開發早期采用虛擬仿真技術，計算獲取系統結構動態載荷，指導零部件設計開發，縮短后期試驗周期，降低開發成本。

3.4 合理安排考核方式

學生的最終成績由理試考試成績、虛擬仿真項目成績和平時成績等按比例組成，使對學生的考核評價更趨于合理化。理論考試主要針對汽車設計8個章節的理論知識進行試卷考試，本部分分值占比30%；虛擬仿真實驗項目考試主要針對不同的結構設計計算進行上級虛擬試驗項目考試，每個學生根據抽中的仿真項目進行三維建模和有限元計算，并最終給出分析結果，成績評定按照學生完成的步驟評分，本部分分值占比40%；平時成績主要根據授課老師根據課程表現和出勤情況，給出每個學生的平時成績，本部分分值占比30%。

4 教學改革實施

根據對汽車設計課程改革的設想，并結合汽車設計課程內容和OBE專業認證要求，對汽車設計課程每章節內容進行分類，主要分為理論講解部分和設計校核計算等兩部分內容，并針對每部分內容重點采取對應的教學方式，如圖1所示。

圖1 教學模式

為了更好地提升學生對理論知識和結構設計計算等技能的掌握程度，針對考核方式進行相關變化，針對理論部分采取試卷考試，結構設計和計算部分采取虛擬仿真實驗進行，具體如圖2所示。

圖2 考核方式

為了驗證以上教學模式和考核模式變化對教學效果的影響，選擇鄭州航空工業管理學院2017級車輛工程專業79名學生進行教學改革效果驗證，并結合汽車設計實際的需求進行虛擬仿真項目的設計，最終理論考試成績和虛擬仿真考核等效果顯示較好，學生的積極性較高。

5 結論

結合新工科的要求對汽車設計課程進行教學改革，獲得了以下結論：1）課程的設計符合OBE新工科的要求；2）基于產學研創和虛擬仿真實驗的模式探索是對產學研創較好的一次嘗試，學生展現了較高的興趣，獲得的汽車設計方面技能符合社會實際需求。