基于教學(xué)案例法的汽車設(shè)計(jì)教學(xué)體系構(gòu)建

任立海，黃 江，郭 棟，黃澤好

（重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

《汽車設(shè)計(jì)》是以高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、材料等前述專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)講授汽車總體及零部件設(shè)計(jì)與計(jì)算方法的重要專業(yè)核心課程；同時(shí)，《汽車設(shè)計(jì)》也是支撐“綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)解決汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題”這一重要人才培養(yǎng)畢業(yè)要求的關(guān)鍵課程。

然而《汽車設(shè)計(jì)》在課程內(nèi)容以及教學(xué)方式方面存在的問題難以支撐當(dāng)前學(xué)生畢業(yè)要求，更難以滿足汽車行業(yè)當(dāng)前對(duì)高素質(zhì)綜合型應(yīng)用人才的需求。在課程內(nèi)容上，當(dāng)前課程內(nèi)容仍以傳統(tǒng)的商用車底盤設(shè)計(jì)為，且內(nèi)容陳舊，與乘用車等現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)需求嚴(yán)重脫節(jié)。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，由于課程內(nèi)容過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的完整性，內(nèi)容臃腫不堪，傳統(tǒng)的理論知識(shí)講授已經(jīng)占據(jù)全部課時(shí)，導(dǎo)致無法引入先進(jìn)教學(xué)方式。

因此，本文擬以現(xiàn)代乘用車開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)際案例為對(duì)象，引入行業(yè)最新的汽車設(shè)計(jì)流程和體系，在更新教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)以案例實(shí)踐教學(xué)為引領(lǐng)的課堂翻轉(zhuǎn)，踐行理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化人才培養(yǎng)理念。本課程的改革成果將有助于車輛工程專業(yè)學(xué)生掌握與行業(yè)無縫銜接的實(shí)際工程開發(fā)設(shè)計(jì)理念、思路、方法以及工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的強(qiáng)有力支撐。同時(shí)，課程改革經(jīng)驗(yàn)也具備向本專業(yè)其他課程以及學(xué)校其他專業(yè)推廣的實(shí)際意義和價(jià)值。

1 專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀

以重慶理工大學(xué)（后文簡(jiǎn)稱“我校”）現(xiàn)階段《汽車設(shè)計(jì)》課程教學(xué)為例，主要問題集中表現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式上。

1.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊

當(dāng)前課程內(nèi)容仍以傳統(tǒng)的商用車底盤設(shè)計(jì)為主、內(nèi)容陳舊，與乘用車等現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)需求嚴(yán)重脫節(jié)，對(duì)我校高素質(zhì)綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的支撐乏力。教學(xué)內(nèi)容與汽車行業(yè)對(duì)人才需求的相匹配是本項(xiàng)目擬解決的首要教學(xué)問題。

1.2 教學(xué)方式單一

由于當(dāng)前課程內(nèi)容過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的完整性，內(nèi)容臃腫不堪，教學(xué)方式主要理論講授為主，教學(xué)方式單一，不利于學(xué)生工程問題分析與解決能力的培養(yǎng)。如何以案例教學(xué)為引領(lǐng)，落實(shí)理實(shí)一體化教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方式，提升教學(xué)效果，是本文解決的另一個(gè)教學(xué)問題。

1.3 學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性

以上兩類問題也在一定程度上影響了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣和課堂積極性。當(dāng)前教學(xué)主要以老師為中心，課堂的內(nèi)容就是老師單方面地進(jìn)行灌輸知識(shí)。學(xué)生的任務(wù)只是完成正常考勤和期末測(cè)試，整個(gè)過程都是被動(dòng)的,學(xué)生完全調(diào)動(dòng)不起積極性；另外一方面在于學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，表現(xiàn)在學(xué)習(xí)對(duì)課堂知識(shí)理解不夠通透，根據(jù)資料不加以分析，盲目模仿甚至抄襲，在大作業(yè)的完成質(zhì)量上也有所欠缺[1]。

因此，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式現(xiàn)狀，實(shí)施課堂改革將有利于學(xué)生更好地接受知識(shí)，同時(shí)不再限制學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提供一個(gè)平臺(tái)給予互動(dòng)展示，豐富學(xué)生所學(xué)知識(shí)并舉一反三，來培養(yǎng)出更多的專業(yè)領(lǐng)域人才。

2 案例教學(xué)構(gòu)建理念和優(yōu)勢(shì)

2.1 案例選取與應(yīng)用

針對(duì)現(xiàn)階段的教學(xué)內(nèi)容陳舊，脫節(jié)的問題，本文提出基于工程開發(fā)實(shí)例的課程案例進(jìn)行教學(xué)。工程開發(fā)案例的選取依據(jù)整車開發(fā)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程，依托我校車輛工程學(xué)院和汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)下的科研合作項(xiàng)目，選取了整車開發(fā)階段的關(guān)鍵和典型設(shè)計(jì)案例；工程開發(fā)實(shí)例的教學(xué)案例開發(fā)依據(jù)工程開發(fā)實(shí)際的性能要求、載荷與邊界條件、設(shè)計(jì)分析流程，設(shè)定教學(xué)案例分析的設(shè)計(jì)目標(biāo)、輸入條件、評(píng)價(jià)指標(biāo)及參考方法流程等，形成規(guī)范化的教學(xué)案例庫。

以案例“雙橫臂獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)”分析為例，汽車懸架是連接車架和車橋的結(jié)構(gòu)分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架，其主要作用是緩沖地面沖擊減輕振動(dòng)以提高車內(nèi)舒適性。雙橫臂獨(dú)立懸架作為獨(dú)立懸架中的一種，有著不錯(cuò)的性能且被廣泛應(yīng)用于轎車的前輪上。雙橫臂獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)在教學(xué)中可以分為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

圖1 雙橫臂獨(dú)立懸架簡(jiǎn)圖

雙橫臂懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)又包括布置方案、參數(shù)設(shè)計(jì)和上下橫臂長度設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。其中雙橫臂獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置方案主要分為三類：縱向布置、橫向布置、水平布置；布置參數(shù)主要有側(cè)傾中心、側(cè)傾軸線、縱傾中心等；上下橫臂的長度設(shè)計(jì)需要考慮其布置形式可分為等長與不等長結(jié)構(gòu)，等長結(jié)構(gòu)在車輛行駛過程中，車輪上下跳動(dòng)的情況下可以保持主銷傾角不變，但是輪距會(huì)產(chǎn)生變化。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，最終根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)布置以及搭載主要承載構(gòu)件后的受力分析進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)核算。該案例還采用 CAD/CAE模型進(jìn)行教學(xué)，更加直觀地展現(xiàn)了設(shè)計(jì)部件在車輛中的位置和結(jié)構(gòu)形式，能夠使學(xué)生對(duì)雙橫臂懸架有更清楚的認(rèn)識(shí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)也能讓學(xué)生對(duì)案例的制作步驟有一定的了解。

2.2 案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

基于整車開發(fā)實(shí)際工程案例，開發(fā)面向?qū)嵻囬_發(fā)的《汽車設(shè)計(jì)》教學(xué)案例庫，構(gòu)建基于工程開發(fā)實(shí)例的課程案例教學(xué)體系：一方面，全面更新了與行業(yè)需求的課程教學(xué)內(nèi)容；另一方面有利于提升教學(xué)過程的生成性，突顯學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生解決復(fù)雜實(shí)際工程問題能力的高質(zhì)量培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與行業(yè)人才需求的無縫銜接。

3 教學(xué)方式的選擇

基于現(xiàn)代乘用車開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)際案例，在更新教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，本文還設(shè)計(jì)以案例實(shí)踐教學(xué)為領(lǐng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式開展工程實(shí)例的案例教學(xué)，將形成可面向工科類專業(yè)大范圍推廣的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和全新授課模式。

傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師給出預(yù)設(shè)的任務(wù)，學(xué)生按照既定任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，缺乏對(duì)設(shè)計(jì)原理和結(jié)果分析的認(rèn)識(shí)與思考[2]。對(duì)于《汽車設(shè)計(jì)》這樣的工科類專業(yè)性強(qiáng)的課程，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式能夠讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到自己在哪些相關(guān)知識(shí)上有遺漏。同時(shí)在制作案例到課堂分享的過程中，學(xué)生也能夠展示自己在專業(yè)領(lǐng)域的興趣愛好并鍛煉自己的語言表達(dá)能力。最后通過問答環(huán)節(jié)使得師生、生生互動(dòng)得以加強(qiáng)進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性[3]。

進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)在我校《汽車設(shè)計(jì)》課程教學(xué)也有過取得不錯(cuò)效果的嘗試前例。在“萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)”章節(jié)中，講師設(shè)計(jì)了涵蓋零件建模、虛擬裝配、基于運(yùn)動(dòng)仿真的萬向傳動(dòng)速度特性分析、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度有限元仿真分析的貼近工程實(shí)際的零部件設(shè)計(jì)分析案例。學(xué)生通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式完成零部件設(shè)計(jì)與性能仿真分析，取得了良好的教學(xué)效果和我校教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)專家的認(rèn)可。可見翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式有助于讓學(xué)生在課堂前將知識(shí)內(nèi)化；課堂中理解老師所講授知識(shí)點(diǎn)并演講PPT積極互動(dòng)；課堂后查閱資料，整理消化所學(xué)內(nèi)容[4]。

4 考核評(píng)價(jià)制定

案例教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂的引進(jìn)使得學(xué)生能夠?qū)ζ嚨拈_發(fā)設(shè)計(jì)案例有一定程度上的認(rèn)知，并能通過課堂這個(gè)舞臺(tái)充分展示自身所學(xué)。因此考慮將考核中考試環(huán)節(jié)的比重交接到案例制作和課堂展示上，根據(jù)課程實(shí)際考核內(nèi)容，暫定課程目標(biāo)僅有考察環(huán)節(jié)，并將考查環(huán)節(jié)分為平時(shí)成績(jī)、課堂表現(xiàn)、案例制作和課堂展示四個(gè)部分。

平時(shí)成績(jī)和課堂表現(xiàn)根據(jù)學(xué)生真實(shí)情況教師進(jìn)行合理的打分評(píng)價(jià)，也是傳統(tǒng)課程中的必需部分；在案例制作的過程中，學(xué)生能夠自主查閱資料整理收集案例，自主學(xué)習(xí)和拓展相關(guān)專業(yè)知識(shí)。在這一環(huán)節(jié)的考核目標(biāo)是學(xué)生能夠以課堂上涉及的教學(xué)案例為導(dǎo)向查閱資料，自主進(jìn)行學(xué)習(xí)；課堂展示是學(xué)生表達(dá)能力和知識(shí)運(yùn)用的綜合考察，指在學(xué)生能夠清晰、流暢以及準(zhǔn)確的進(jìn)行案例制作成果的匯報(bào)與展示，并能夠就專業(yè)問題與老師和同學(xué)進(jìn)行交流，討論。通過實(shí)施該教學(xué)模式體系，學(xué)生也能夠提升自己對(duì)于汽車設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用的能力：能夠通過自主學(xué)習(xí)，理解、歸納、總結(jié)設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題；能夠依據(jù)汽車設(shè)計(jì)總體要求，確定汽車基本設(shè)計(jì)流程和方法，并運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，分析影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素；能夠就設(shè)計(jì)中的專業(yè)問題有效的溝通、交流，通過設(shè)計(jì)說明書、工程圖紙、陳述發(fā)言等準(zhǔn)確表達(dá)、描述設(shè)計(jì)方案；能夠掌握合適的開發(fā)工具或手段，進(jìn)行系統(tǒng)總成及零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與校核，并能夠針對(duì)現(xiàn)代汽車的需求進(jìn)行關(guān)鍵總成、零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；能夠在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中，獨(dú)立完成個(gè)人設(shè)計(jì)任務(wù)，協(xié)作完成團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)。為后續(xù)汽車設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、總布置設(shè)計(jì)和圖紙繪制打下基礎(chǔ)。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果以及學(xué)生的參與程度和任務(wù)完成情況，教師可以對(duì)達(dá)成度低或是學(xué)生參與熱情不足的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析探討，進(jìn)一步對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行優(yōu)化，以形成最合適的教學(xué)體系[5]。

5 結(jié)語

本文以重慶理工大學(xué)專業(yè)課程《汽車設(shè)計(jì)》為對(duì)象，介紹了以案例教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂為主的教學(xué)體系，根據(jù)課程改革的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，構(gòu)建了新的考核內(nèi)容和評(píng)價(jià)。教學(xué)案例法的實(shí)踐，對(duì)于《汽車設(shè)計(jì)》課程來說，不僅能夠解決所學(xué)專業(yè)知識(shí)與應(yīng)用的脫節(jié)問題，也能夠改善傳統(tǒng)的教學(xué)方式調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。