高水平大學混合動力汽車課程改革與探索

曾小華 黃鈺峰

吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室 吉林省長春市 130025

1 引言

隨著科技、工業的不斷進步，人民的生活質量不斷提高，環境污染、能源短缺日益成為我國重點關注并攻堅的難題。為打贏“碳達峰，碳中和”的綠色轉型攻堅戰，汽車產業當仁不讓、首當其沖。2020年10 月中國汽車工程學會頒布《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，技術路線圖2.0指出，至 2035 年，新能源汽車市場占比將超過50%，節能汽車將全面實現混合動力化，即混動新車占傳統能源車100%，汽車產業將實現電動化轉型。因此，為服務經濟、社會發展，實現汽車產業“100%”目標，高校應充分發揮人才培養、學科建設、基礎研究等方面的優勢，為汽車能源綠色轉型發展做出更大的貢獻。

當下，汽車節能技術是整車性能的主要研究內容之一，是汽車設計開發的關鍵技術。其中混合動力汽車技術在節能與新能源汽車工業中是發展最快，也是成熟度更高且市場競爭力更強的一項綜合技術。通過使學生在研究生階段對混合動力汽車技術課程進行學習，可以使研究生更系統地掌握現代混合動力汽車節能新技術發展方向和技術特點、設計理論和控制方法。隨著節能與新能源汽車戰略的提出，為培養混合動力汽車關鍵技術人才，目前，國內很多高校相繼開展混合動力汽車技術研究生課程。例如，清華大學《車輛新型驅動系統》，武漢理工大學《新能源汽車系統分析與設計》，青島理工大學《汽車電子控制與電動汽車技術》，同濟大學《汽車電子控制技術》，以及北京理工大學劉輝教授團隊所開設研究生精品課程《車輛性能數字仿真技術》將混合動力技術的相關建模、設計、仿真、分析等內容總結成教學案例，使學生掌握車輛性能相關前沿技術的基本理論，具備獨立進行車輛性能相關技術仿真和分析的能力。除了我國，國外諸多知名高校也相繼在研究生課程中開設混合動力課程，例如，密歇根大學、克萊姆林大學、俄亥俄州立大學、加州大學戴維斯分校、德州大學等等，但大部分高校僅僅是針對電力電子控制，電機控制進行講授，只有極少擁有汽車研究背景的高校才會從汽車宏觀整體角度出發設計課程內容。

吉林大學作為國家“雙一流”、“211工程”、“985 工程”重點建設高校，其車輛工程專業依托汽車仿真與控制國家重點實驗室具備國家特色的專業背景，應該充分利用自己行業背景、學科優勢，站在服務汽車能源綠色轉型的高度，進一步凝練學科方向，優化學科布局，形成低碳優勢學科。為助力全面實現節能汽車混動化，滿足汽車行業對節能與新能源汽車技術人才的需求，筆者所在研究團隊結合團隊多年的研究積累，自2008 年起向吉林大學汽車工程學院研究生開設《混合動力汽車設計與控制》課程。但事實上，為加快中國汽車能源綠色轉型，高校傳統的教學內容和授課方式已經滿足不了汽車行業自主創新對于新工科應用型人才培養的需求，新能源汽車方向的課程必須通過不斷改革才能保障向當下汽車行業源源不斷輸入的人才的質量，實現行業急需人才和高端創新人才的精準培養。因此，本文以筆者多年的教學實踐為基礎，通過對《混合動力汽車設計與控制》課程內容與授課方式進行討論，為新能源方向課程的改革提供新的思路。

2 教學內容

《混合動力汽車設計與控制》課程面向吉林大學汽車工程學院車輛工程專業研究生開設，旨在讓研究相關方向或具有相關研究背景的學生對汽車節能技術之一的混合動力技術有系統而全面的認識。常見的混合動力汽車區別于傳統燃油車最大的差異在于增加了電驅系統，相應地也增加了電池、電機和電控即“三大電”的核心技術，同時發動機與電機的相對位置不同增加了混合動力結構的多樣性和復雜性，給混合動力系統的控制增添不小難度。因此，該課程要求學生能夠掌握和了解混合動力汽車技術的發展方向、動態及趨勢的同時，也能夠熟悉混合動力汽車基本構型、工作原理，進一步地能夠掌握混合動力汽車技術的基本應用，主要包括設計技術、控制技術及仿真技術，并對混合動力汽車技術發展的國內外前沿技術有所了解。故而，在筆者教授的《混合動力汽車設計與控制》課程中，共分為如下九個章節：第1章，混合動力汽車概述；第2 章，混合動力汽車的基本結構與原理；第3 章，車用驅動電機及其控制；第4 章，車用動力電池及其能量管理；第5 章，混合動力汽車設計基礎；第6 章，混合動力汽車控制與開發流程；第7 章，增程器及燃料電池汽車構型及控制方法；第8 章，制動能量回收系統；第9 章，混合動力系統仿真。

3 課程教學存在的問題及分析

3.1 學科交叉性強

作為傳統燃油車輛發展至純電動車輛的中間過渡產物，混合動力汽車涉及學科類型更多，故而對授課老師的學科背景要求也更為苛刻。《混合動力汽車設計與控制》課程的教學內容涉及面廣，車輛工程學科作為機械工程學科下的二級學科，首先要求授課教師具備機械工程學科背景，其次，課程所授動力電池部分涉及材料科學、電化學專業知識，驅動電機部分涉及電氣工程、機械工程專業知識，而對混合動力汽車的整車控制及能量管理則需授課教師能夠熟練掌握控制工程學科專業知識。此外，隨著計算機技術、通信技術對工業產品革命的不斷推動，人們對機械、電子產品功能的需求也在不斷攀升，相應地，汽車產品功能在不斷增多的過程中也加快了汽車功能集成化的發展，這也要求混合動力汽車相關課程的授課教師具備學科知識更廣，專業涉獵更全。另外，市面鮮有以混合動力汽車為主體對象的專業書籍，多學科交叉特性也導致單一的專業書籍無法精準涵蓋課程要求的教學內容，同時，相關技術和產品在各國政策和市場需求的推動下發展迅速，課程理論推陳出新，其均為教材的選擇帶來不小難度。

3.2 實踐平臺欠缺

傳統燃油汽車的教學在各大高校專業教育體系中沉淀多年，早已具備完善的教學與實踐平臺，基本能夠實現產學研互相結合，形成了一套適用于傳統車輛工程專業學生培養的教育體系。然而，新能源汽車特別是混合動力汽車方向相關課程的理論性更為復雜，涉及學科面更廣，其工程性也相應更強，從電機控制及整車控制層面考慮，混合動力汽車相較于傳統燃油汽車更具教學可實踐性，學生個體也理應有更加豐富的課堂實踐來幫助對所學復雜專業知識進行理解、消化和吸收，因此向學生提供《混合動力汽車設計與控制》課程實踐平臺具有重要意義。然而，因國內混合動力汽車發展時間較短，具備完整混合動力技術開發及混合動力車輛生產能力的企業并不多，而相關企業自主研發技術與生產設備很難向高校師生開放，同時大多高校并不具備混合動力汽車研發與試驗平臺。課程缺乏配套的實踐平臺，學生缺乏合理的實踐環節，混合動力汽車相關課程教學體系不夠完善。

3.3 教學手段單一

現高校專業課程大多仍為大班式教學，且沿用傳統的面授式、“填鴨”式教學方式。《混合動力汽車設計與控制》作為一門研究生專業課程，其授課內容本枯燥而復雜，在傳統單一授課方式下，學生課堂注意力集中困難，知識理解程度低下，且課堂、課后與專業老師均無法得到有效的交流。學生缺乏學習興趣，課程缺乏教學質量。另外，隨著國內新冠病毒疫情的影響，高校教學受到直面沖擊，在當下盡量減少近距離接觸、減少聚集的號召下，傳統的教學方式顯然無法滿足后疫情時代教學需求。

3.4 考核方式片面

現高校專業課程大多仍沿用“平時成績（30%）+期末考試成績（70%）”的考核方式，《混合動力汽車設計與控制》課程也不例外。本門課程作為研究生必修科目，期末考試方式為閉卷考核，內容以客觀知識考核為主，因此往往出現學生在考試前一周臨時抱佛腳的不合理備考方式，以及僅靠死記硬背便能取得理想成績的不合理評價體系。所以，傳統的考核方式完全忽略了對平時學習、過程學習和實踐學習的考核和評估，對學生學習的差異性無法有效區分。

4 課程教學過程的優化探索與實踐

4.1 優化學科授課體系

針對《混合動力汽車設計與控制》課程存在的多學科交叉特性，及單一授課教師學科涉獵不足特點，筆者及所在教學團隊提出并實踐了采用多學科背景、多研究方向、多工程類型教師聯合授課的教學方式。按照國內高校人才培養方法，授課教師研究方向涉及專業門類往往較窄，很難多學科全覆蓋，而對于跨學科的專業知識很難在較短時間內熟練掌握并有所精通，因此采用不同學科背景，不同領域精通的教師進行本門課程的教學工作是基于現有條件的最有效的解決方式之一。自2008年課程開設以來，筆者及所在教學團隊廣泛吸納相關基礎課程教學優秀人才加入課程教學隊伍，目前教育團隊博士學位全覆蓋，擁有核心成員6 名，其中教授5 名，副教授1 名，且大部分教師擁有出國經歷，了解最前沿混合動力國際研究動態，教師隊伍可持續發展。此外，在《混合動力汽車設計與控制》課程教學中，實現了由不同學科背景教師教授不同課程內容，例如，第3 章車用驅動電機及其控制課程內容由專門從事電機控制研究的王偉華教授負責講授；第8 章制動能量回收系統課程內容由專門從事再生制動控制研究的初亮教授負責講授；而本門課程前期較基礎的第1、2 章節和涉及混合動力汽車設計的第5 章節由自1999 年開始持續研究混合動力汽車設計與控制的曾小華教授負責講授……因此，在授課團隊不斷優化的過程中，《混合動力汽車設計與控制》課程專業性、授課質量得到了有效的保障。

針對《混合動力汽車設計與控制》課程存在的教材選用困難特點，同時考慮到現有專業書籍無法完全涵蓋并貼合課程既定教學大綱和教學內容，筆者以多年教學實踐為基礎，結合研究團隊在混合動力汽車設計和控制領域的長期研究成果，編撰了由王慶年、曾小華著，化學工業出版社出版的《新能源汽車關鍵技術》2017，由曾小華、楊南南著，機械工業出版社出版的《商用車混合動力系統關鍵技術》2019，以及與北京理工大學何洪文教授（曾小華為副主編）合著，由機械工業出版社出版的《電動汽車工程手冊第2 卷——混合動力電動汽車整車設計》2020，完全實現了課程教材自編，充分保障了選用教材的強針對性，同時所撰教材因結合長期課程教學實踐故具有更加廣泛的適應性和受眾群體，在全國其他高校得到了一定程度的應用；制作與教材配套的PPT 和課程講義，教學團隊相關負責教師可根據當前技術背景及時更新PPT 及講義內容，以充分保障選用教材的靈活性、適應性。此外，《混合動力汽車設計與控制》課程除使用自編教材外，針對特定課程內容還為學生提供了筆者及所在研究團隊編撰的由北京理工大學出版社出版的《混合動力耦合系統構型與耦合裝置分析設計方法》及由機械工業出版社出版的《ADVISOR 2002 電動汽車仿真與再開發應用》作為相關技術的課外參考書目，特別是后者是本門課仿真技術的重要參考書目，也是對本門課的教學與仿真實踐的良好的補充教材。

4.2 構建實踐教學平臺

針對《混合動力汽車設計與控制》課程存在的實踐環節、實踐平臺欠缺特點，同時考慮企業向高校師生直接開放研發、生產流程作為實踐平臺存在困難，筆者基于吉林大學汽車工程學院及汽車仿真與控制國家重點實驗室平臺條件，從混合動力汽車理論認知、系統“V 流程”開發技術實現兩方面出發，提出“課堂講授演示+開發實現”的混合實踐教學模式。

“課堂講授演示”實踐環節旨在以更加形象、直觀的方式加深學生對混合動力系統及其關鍵部件的理解和認識。例如，課程的第二章教學內容涉及混聯型混合動力汽車基本結構與原理的教學，為加深學生對其中功率分流構型關鍵部件行星排的理解，筆者在課堂創新性地引入實車用行星排作為課堂教學用具，使得理論與應用得到了較好的結合。此外，筆者及教學團隊依托實驗室研究及工程項目背景，形成了較豐富的混合動力汽車開發與測試平臺，課堂教學演示環節將為學生適時開放實驗室研究平臺，使得學生能夠更加清晰、系統地認識混合動力汽車開發與測試過程。當然，理論教學結合簡單的課堂演示實踐仍不足以使得學生對混合動力汽車相較于傳統燃油汽車的差異有直觀而系統的辨識，為此，筆者及所在教學團隊計劃利用自身產學研工程合作背景，類比傳統燃油汽車及發動機拆裝試驗演示，搭建混合動力汽車實車拆裝教學演示平臺，進而為《混合動力汽車設計與控制》課程提供更加豐富的教學實踐環境。

“開發實現”實踐環節是在遵循混合動力汽車開發“V”流程的基礎上，筆者及所在教學團隊結合自身實驗室條件為學生提供符合課程學時要求的混合動力汽車開發關鍵技術的教學實踐。例如，受課時要求可個性化地讓學生自主選擇開發實踐項目類型，包括依托教學團隊現有dSpace的Midsize Simulator 模擬器及快速控制原型TTC200 或華海控制器U2 等控制器設備對整車控制策略的硬件在環（HIL, Hardware In the Loop）測試進行簡單實現，或依托現有直流電機臺架實現對直流電機的控制過程實踐等。

4.3 豐富課程教學手段

傳統的專業課程教學存在教學手段單一的問題，學生往往只能被動地接受知識，而非主動汲取知識，學生學習參與度較低，學習效果欠佳。為解決所述問題，同時充分發揮學生在學習上的主觀能動性，筆者基于多年教學實踐提出如下改進方法。

融合多種教學方法。多種教學方法具體包括代入式教學、啟發式教學及案例式教學方法。代入式教學，如可在課堂中提出混合動力節能技術發展歷程相關問題，進而引導學生通過小組討論或文獻調研等方式主動解決實際問題，進一步地，可激發學生主動查閱和思考科學問題的能力，充分發揮學生主觀能動性，同時使得學生在發現并主動解決問題的過程中體會學科的交叉、碰撞和融合。啟發式教學，如可在課堂上提出混合動力汽車的技術優勢及對傳統汽車的沖擊和挑戰，激發學生學習和研究興趣，引導學生對關鍵技術進行更加深入的探究，或鼓勵學生自由探索，進而激發學生探究汽車產業發展需求的積極性和解決科學問題的主動性，進一步地，可培養學生對待學術的批判性思維，幫助其養成嚴謹的研究態度。案例式教學，如可準備多個簡單到復雜的混合動力汽車設計與控制的實際案例，通過對典型案例的深入分析和詳細闡述，引出理論學習所涉及的工程原理與企業實際開發流程，最后再由學生分組完成案例的過程分析，加強學生對理論知識實際應用的理解。

發展混合教學模式。隨著“后疫情時代”到來，傳統的線下教學模式仍然無法應對復雜多變的國內疫情形勢，而在疫情期間積累的線上教學的寶貴經驗與教訓，都可成為探索線下線上混合教學模式的積累和基礎，從而形成特殊時期、特殊時代背景下的最有利于學生及教師專業化發展目標實現的混合教學模式，即采用“線下課堂+ 線上課堂+ 授課視頻錄制”的多模式混合授課方式。在減少近距離接觸、減少聚集的前提下，小規模的線下課堂仍可滿足學生與授課教師直面交流的需要，授課教師也可直接通過學生課堂表現反饋獲得學生學習狀態和課堂疑問，進而適時地、有針對性地修正課堂教學方式。此外，為適應疫情防護需要，在滿足無法返回線下課堂學生的專業知識教學基本要求的基礎上，利用線上教學平臺還可豐富專業知識教學方式，以學生喜愛、擅長的方式實施教學可提升學生課堂趣味性和參與度，采用“線下課堂+ 線上課堂”混合教學模式，可有效彌補傳統線下課堂學生參與度較低的不足。以筆者線上教學經驗挖掘混合教學模式優勢，即利用“微信群通知”、“騰訊會議”、“雨課堂”、“釘釘”等線上網絡平臺，可實現通過線上平臺發布課前任務、學習資源和在線測試等，進而可提高學生自主學習度；利用線上學習平臺可發布實時投票、在線搶答、隨機抽查等課堂活動，另外，線上評論區的開放使得學生可在不打擾課堂秩序的情況下進行實時地學術交流和討論，也可有效避免線下課堂集體交流環節的冷場現象，在為枯燥乏味的專業課程課堂增添趣味性的同時，也大大提高了學生課堂參與度；利用線上教學平臺還可發布課后作業、課后自測及拓展學習等教學任務，幫助學生鞏固所學課程內容。“線下課堂+ 線上課堂+ 授課視頻錄制”混合教學模式還引入了授課視頻錄制的方式，即由對應授課教師錄制完整授課視頻同時上傳至中國MOOC 網，供受疫情影響在校外無條件或因網絡問題無法正常參與完整課堂學生的專業知識自主學習，也可實現差異化教學即考慮不同基礎、不同能力學生對于實時課堂的接受速度和理解程度，供學生課后查缺補漏，進而保障“后疫情時代”專業課程教學質量。

引入課堂反饋機制。豐富的教學模式可在一定程度上打破師生天然交流壁壘，以學生熟悉的形式即通過線上教學平臺可加強學生與老師的交流，通過線上教學平臺可在課程結束后以對課程打分、問卷調研或意見收集的方式直接獲取學生對于當堂教學的直觀反饋，以便授課教師對課程內容及授課方式進行及時改進，進而在滿足大部分學生教學質量的同時，也能夠盡量兼顧個別學生的特殊需求，實現個性化課堂定制。

4.4 人性化考核方式

針對《混合動力汽車設計與控制》課程存在的考核方式片面特點，筆者提出“平時成績+ 調研報告/ 實踐成績+ 期末考試成績”的人性化考核方式。“平時成績”部分主要以學生到課率、課堂表現和線上或線下課后作業為依據，其中，無故缺課給負分；課堂表現不以學生回答問題是否正確為依據，主要考察學生是否積極主動思考問題；課后作業不以答案是否正確為唯一依據，更重要的是考察學生分析問題的思路和方法，獨立完成作業的能力等。調研報告即可針對相關技術前沿完成開放性探索，報告題目予以推薦但不予以限制，學生可根據自己興趣方向進行調研，如可針對混合動力汽車相關熱點問題、關鍵技術或泛化領域展開文獻調研，同時結合本門課程知識，提出個人分析和見解等。對于期末考試，授課老師將成立命題組，在不斷擴大試題庫的同時實時更新過時題目，增加開放性試題比例，在考察學生對所學知識的理解和掌握的同時也可考察學生對知識的吸收、轉化和實際應用能力。因此，該人性化考核方式相較于傳統考核方式能夠更全面地區分學生學習差異性，具備實踐意義。

5 結語

本文以吉林大學《混合動力汽車設計與控制》課程教學存在的問題為基礎，結合筆者及所在教學團隊多年的教學實踐和經驗，對《混合動力汽車設計與控制》課程授課體系、實踐教學、教學手段及考核方式進行了改革和探索。通過近兩年的教學改革實踐能夠發現，《混合動力汽車設計與控制》課堂上學生積極性和專注度明顯提高，課堂、課后主動與授課教師交流的學生人數和交流頻次也顯著增加；學生對于實踐課程興趣尤為濃厚，動手與實際操作能力顯著增強；作為研究生自選專業必修課程，選報《混合動力汽車設計與控制》課程的人數連年增長，學生課堂缺勤率連年下降；此外，在課程教學的不斷改革下，本門課程的學生平均成績每一學年均有一定程度的提升。因此筆者認為，高校只有對專業課程不斷改革創新才能為行業源源不斷地培養出企業急需人才和高端創新人才。本文以吉林大學《混合動力汽車設計與控制》課程教學改革與探索為實例，希望能夠為高水平大學新能源方向課程的改革提供新的思路。