“內燃機設計”課程的思政建設與探索

郭鵬江，劉瑞祥

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博）

“內燃機設計”課程是能源與動力工程專業（內燃機方向）的一門重要的專業教育課程，每年能源與動力工程專業的本科生學習這門課，48學時。從內燃機的工作需求、設計要求和設計指標入手，綜合考慮材料、工藝、承載件的機械載荷和熱載荷、運動件潤滑與密封、內燃機節能與環保等問題，學習內燃機的總體結構設計方法和主要零部件的結構設計和校核方法，學習內燃機輔助系統的選型設計方法，通過該課程的學習，使學生樹立辯證的工程技術思維，能夠應用各門知識進行問題的綜合分析，初步具有內燃機結構設計和改進的能力，為從事內燃機的設計、生產和技術管理等工程奠定專業基礎。從該課程教育目的出發，結合教學改革與實踐，從教學內容、教學過程的組織以及教學實踐等方面都要有較大的突破，不僅在課堂上講授課程的主要內容和章節，將GT-SUITE軟件引入本課程中，完成某些零部件的設計，加強山東理工大學的網絡教學平臺建設和使用[1]，在課上和課下借助于學校購買的超星名師講壇等來實現“內燃機設計”課程的混合式教學改革，而且要引入思政元素，切實把思想政治工作貫穿教育教學的始終，推動形成全員育人、全程育人、全方位育人的教育格局；培育學生一絲不茍、精益求精、吃苦耐勞、勤奮認真的工匠精神，培養學生腳踏實地、勇于探索、協調創新、追求卓越等優秀品質，成長為心系社會并有時代擔當的技術人才[2]。

一 “內燃機設計”的課程目標

1.能夠根據內燃機的工作需求和設計要求，按照總體設計的方法進行內燃機的選型，并確定內燃機的主要結構參數。

2.能夠根據內燃機零部件的設計要求，完成零部件的基本設計，在此基礎上，綜合考慮材料、工承載件機械負荷和熱負荷、運動件的潤滑等問題，進行零部件的結構方法設計。應用材料力學或有限元知識進行零件的強度和剛度校核，判斷零件的安全性，并提出改進方案。

3.能夠培養學生在設計中主動考慮相關的節能、降噪和環保的政策法規，根據設計要求，可以進行內燃機配氣機構和輔助系統的初步選擇、布置和匹配計算。培養學生遵守行業的技術標準和良好的工程職業道德和規范，嚴謹敬業的工作作風。為今后的研究生學習和企業的工程設計開發打下堅實基礎。

4.能夠培養學生緊跟時代脈搏，與時俱進，掌握行業發展的動向，使學生今后不斷學習，提高自身的工程技術水平。

本課程分別在2014年和2019年列入了課程負責人支持計劃和混合式教學改革項目，根據“內燃機設計”課程特點[3-6]，教學過程中教師以現場課的形式進行講授，運用講練結合、案例教學、慕課、信息化計算機仿真等教學方法，促進師生之間的交流和互動。在教學設計中突出學生的主體地位，調動學生學習的積極性，全面培養學生分析問題和解決問題的能力，提高學生綜合素質。“內燃機設計”課程結束后有2周的內燃機課程設計，學生進一步運用內燃機設計的理論知識，對發動機典型零部件進行設計，培養團隊合作精神，達成“行合一”的學習效果。

二 該課程思政教育的融入點

思想政治工作貫穿本課程的教學全過程，列舉思政教育的幾個典型的融入點：

1.發動機平衡，所對應的哲學觀點為：局部與整體的關系，局部影響整體。本課程的第三章是內燃機平衡，包括內平衡和外平衡。外平衡主要是平衡掉整個曲軸的旋轉慣性力和旋轉慣性力矩、一階往復慣性力和力矩，二階往復慣性力和力矩等。平衡旋轉慣性力和力矩主要是加平衡塊；平衡往復慣性力和力矩主要是加雙軸平衡。

以四缸機為例，為了平衡二階往復慣性力需要加雙軸來平衡，如圖1所示。主要的教學方法是借助于發動機圖片和課堂PPT講解的力學分析方法。

圖1 雙軸平衡機構[7]（此圖片來自《內燃機設計》第三版教材與PPT，袁兆成主編）

2.發動機的氣門升程，所對應的哲學觀點為：分析-歸納-總結。發動機的氣門升程屬于本課程第五章的內容。先設計出整體的配氣機構形式，確定每個結構的尺寸，其中主要是配氣凸輪軸的型線設計，然后構造配氣機構單質量動力學模型，通過求解微分方程，可以計算出氣門的動態位移、速度和加速度，還能夠計算機構彈性變形、判斷飛脫、落座速度等，如圖2所示。

圖2 配氣機構單質量動力學模型[7]

3.曲軸的應力集中，對應的思想政治教育：培養學生一絲不茍、精益求精。在設計曲軸的過程中，避免曲軸圓角與油孔的應力集中，所以在設計時，要合理地選取曲軸的圓角半徑和油孔圓角半徑。

三 教育方法和載體途徑

（一） 發動機的平衡

一門課程的課程設計在教學中占重要的地位，貫穿課堂教學的始終。下面以單拐和三拐曲軸旋轉慣性力和力矩的平衡為例，講述課程設計的課中環節的一段。

1.知識點導入。讓學生觀察單缸機曲軸的形狀，包括主軸頸、連桿軸徑、平衡塊布置等（圖3）。通過展示曲軸的結構，引入新課，思考平衡塊的布置方案和尺寸設計。

圖3 單拐曲軸

圖4 單拐曲軸旋轉慣性力的平衡

3.學生思考環節。如何來平衡旋轉慣性力矩呢？圖4的單缸機旋轉慣性力矩是否平衡了呢？

4.學生慕課環節。通過老師對單缸機的旋轉慣性力的平衡分析和講解，讓學生思考四沖程三拐曲軸旋轉慣性力的平衡。主要通過慕課方式來學習。在線觀看超星爾雅教學視頻，如圖5所示，學習三拐曲軸的旋轉慣性力和力矩的平衡方法，得出平衡塊的質徑積。

圖5 三拐曲軸的平衡視頻截圖

5.學生作業環節。作業要求學生在網絡教學平臺上完成，具體的網絡平臺的功能在參考文獻[1]中已經進行了詳細的介紹和說明，這里不再敘述。通過課堂慕課和老師的總結，學習了四沖程發動機的往復慣性力和力矩的平衡，課后通過作業的方式學習了四沖程發動機的往復慣性力和力矩的平衡。如圖6所示。

圖6 網絡教學平臺作業截圖

（二） 發動機的氣門升程

在教學中，講述基本理論的同時，借助于GTSUITE發動機性能仿真軟件來求解氣門的動態位移、速度和加速度。如圖7所示。圖7（a）是利用GT-SUITE軟件設計，根據凸輪的工作角、凸輪升程、緩沖段的高度、氣門開啟時的速度和加速度等參數，設計凸輪型線。根據發動機配氣機構的具體形式，在軟件中輸入結構參數，如圖7（b）所示。然后離散化，根據轉化后的零件map圖，如圖7（c）所示，計算氣門升程、氣門落座時的速度、氣門的瞬時速度和加速度曲線等，在實際的氣門運動中，考慮了機構的彈性變形和慣性力，得到了氣門的實際運動規律曲線。

圖7 GT-SUITE軟件求解氣門升程

（三） 曲軸的應力集中

曲軸圓角處和油孔處的應力集中嚴重，是校核的重點。利用工程有限元軟件計算對曲軸的彎曲應力、扭轉應力，避免曲軸的壓力集中。

四 課程建設與保障

1.整個課程有很好的教學團隊，教師有很好的授課經驗，并且已經取得了多項教學成果。

2.學校圖書館已經購買了“內燃機設計”這門課的超星名師講壇，為學生們提供了方便。

3.交通學院幾年前已經購買了GT-SUITE發動機仿真軟件，并且在畢設環節應用，取得了很好的效果。

4.發動機零部件齊備。

5.目前“內燃機設計”課程的教學完全按照工程教育認證要求進行。

6.“內燃機設計”這門課已經完成了項目負責人建設和混合式教學教改項目[8]。

五 結語

具體的建設采用教堂教學、超星名師講壇、軟件虛擬等手段來建設。預計在2021年下半年的課堂教學中融入思政建設，并且把軟件虛擬引入到課堂中去，模擬配氣機構，課后觀看相關的名師講壇。預計打算以后每屆都在正常的教學環節中引入思政建設，切實把思想政治工作貫穿教學的整個過程，培育學生求真務實、踏實嚴謹、精益求精的工匠精神，成長為心系社會并有時代擔當的技術性人才。