基于工程開發實例的汽車設計課程理實一體化教學改革與實踐

任立海 黃江 郭棟 黃澤好

重慶理工大學車輛工程學院 重慶市 400054

國家創新驅動發展戰略的提出，以現代化戰略性需求帶動新一輪的科技和產業變革，為今后實施好創新驅動戰略進行了全面的部署。這一戰略方針的提出，為全國各大高校科技工作和教育事業發展方向提出了明確的指導。同時，隨著2019 年《中國教育現代化2035》中“加大應用型、復合型、技術型人才培養比重”方針的提出，表明了應用型本科人才培養已成為了我國高等教育發展的重要戰略目標。現代汽車行業的不斷發展對汽車設計課程提出了更高的要求，只有對教學課程更新改革才能適應當下行業對人才的需求[1]。提高課程創新性、先進性、實時性，培養復合型創新人才，貼合企業需求，提高學生綜合素質與創新性能力是助力汽車產業發展與輸送高水平人才的必要條件。

1 汽車設計課程傳統教學存在的問題

汽車設計課程是以高等數學、力學、機械、材料等前述專業知識為基礎，系統講授汽車總體及零部件設計與計算方法的重要專業核心課程；是車輛工程專業教學體系中對學生工作就業有較強指導作用的一門主干課程[2]；同時，汽車設計課程也是支撐“綜合運用專業基礎知識和專業知識解決汽車設計領域實際工程問題”這一重要人才培養畢業要求的關鍵課程。然而，相較于汽車行業的飛速發展與技術領域的日益革新，傳統的汽車設計課程教學方式與內容方面已明顯落后于目前的行業要求與工程需求[3]。汽車設計課程教學體系存在的諸多問題，難以支撐當前學生的畢業要求，更難以滿足汽車行業當前對高素質綜合型應用人才的需求。該課程在教學方法與過程中存在的不足主要體現在以下幾個方面。

1.1 課程內容陳舊

當前汽車設計課程在內容上仍以傳統的商用車底盤設計為主，內容陳舊，同時涉及到的設計方法等都較為傳統，缺少現代化汽車設計的新技術。這一傳統的教學方式，使得學生所汲取的知識與乘用車等現代化汽車設計需求嚴重脫節，對高素質綜合應用型人才培養支撐乏力，與汽車行業對人才的需求不匹配。

1.2 教學方式單一

由于課程內容過于強調知識體系的完整性而導致內容臃腫不堪。且在課程教學方面，當前采取的授課方式主要為理論講授，教學方式單一，學生無法高效率、高質量地吸收相關知識。另外由于知識面太廣，傳統的理論知識講授已經占據全部課時，無法引入先進的教學方式，不利于學生工程問題分析與解決能力的培養。

2 基于工程開發實例的教學改革

教學改革是在傳統教學方式的基礎上，保留有益于教學發展，能適應新時代發展與社會需求的同時，摒棄部分不合理、不充分、不健全的陳舊教學方式。

2.1 基于工程開發實例的教學目標

針對目前教學方式存在的不足之處，從課程內容和授課方式兩方面進行優化改進。

鑒于汽車設計課程內容過于陳舊且繁雜臃腫的問題，弱化冗余的大面積覆蓋的理論知識內容，調整繁雜的教學體系，側重于培養學生的工程邏輯思維以及對于實際工程問題的解決能力。

授課方式以現代乘用車設計開發的實際工程案例為對象，引入行業最新的汽車設計流程和體系，在更新教學內容的同時，實現以工程實例教學為引領的課堂翻轉模式，旨在加強學生的自主學習能力，培養學生的設計創新思維，鞏固學生的基礎理論知識，提高學生的主動學習熱情，從學生的思想、行為和素養等多方面引領，切實提高高素質綜合應用型人才培養的質量。

2.2 工程開發實例與教學體系相結合的必要性

與重點培養學生理論知識與社會研究的文科類教育不同，工科生教育應側重于培養學生良好的專業實踐能力，同時兼并扎實的基礎理論知識，以培養高層次的應用型人才為主。引入實際工程開發實例，能夠提高教學質量和學生的工程思維。

2.2.1 工程開發實例可以提高工程思維的培養

通過工程開發實例的學習，學生可以參與到汽車設計相關案例的實踐中去，親身體驗學習能夠與行業無縫銜接的實際工程開發設計理念、思路、方法及工具，充分理解汽車設計理論。彌補缺乏實際工程經歷而欠缺的實踐環節，減少理論知識與工程實踐的脫節現象，提高學生思考問題，解決問題的能力。讓學生知其然，并且知其所以然，強化實際工程設計能力，切實提高工程思維水平。

2.2.2 工程開發實例有利于教學體系的理論與實踐相結合

引入工程開發實例為基礎的課程教學方式，一方面能夠讓學生通過實際案例了解工程開發實際的性能要求、載荷與邊界條件、設計分析流程等現代化汽車設計理論和工程開發方法，另一方面能夠讓學生親身感受工程實際的實驗和實踐環節，強化理論基礎與工程背景的關聯，切實可行地加強對學生工程實踐能力的培養。引入工程案例，通過理論指導實踐，通過實踐學習理論，從根本上落實理實一體化的教學培養模式。

圖1 理論教學、工程實例與實踐教學的關聯機制

3 汽車設計課程理實一體化教學內容

課程教學以精準詳細的基礎理論知識講解為基礎，以培養學生工程思維與解決實際工程問題的能力為前提，以滿足現代化汽車設計需求的工程實例為核心，切實可行地改善理論知識學習，強化實踐教學環節，緊扣理實一體化教學理念。

教學內容依據工程開發實際的性能要求、載荷與邊界條件、設計分析流程，設定教學案例分析的設計目標、輸入條件、評價指標及參考方法流程等，形成規范化的教學體系。

3.1 教學改革內容

引入工程實例為課程基礎，從教學內容與教學方式兩方面改善教學現狀。結合工科教育應注重實踐教學與綜合能力培養的基本原則，主要從以下兩個方面對教學內容進行改革與設計。

3.1.1 轉變學習方式

引領學生在課前進行課程預習與相關知識點的學習，讓學生提前對教學內容有所了解。較為簡單的知識課前自學，課程難點保留思考，并在之后的課堂上進行交流式互相學習。老師授課不再局限于大量的理論知識陳述，通過一系列的問題進行引導式授課，引導學生獨立思考與相互交流，把課前學習知識與課堂授課內容相結合，更高效、高質地學習課程內容。

3.1.2 工程實例與理論教學相結合

做到汽車設計課程的核心理論知識與相關的典型案例相結合，對工程實例的真實開發條件與流程進行多角度、全方位剖析，做到案例與理論相結合，提高學生的學習積極性與學習效率，增加學生對于實際工程開發的認知與解決問題的能力。

3.2 課程教學模式

傳統教學是以教師為中心的教師授課、學生聽講的的教學模式[4]。這種模式下學生處于被動學習狀態，限制了學生的學習欲望與主動性。引入翻轉課堂教學模式，強化課堂學習效率，促進師生產生深層次溝通，從主觀上改變學生的思維方式與學習效能。傳統教學模式與翻轉課堂教學模式比較情況如圖2。

圖2 傳統教學模式與翻轉課堂教學模式比較

翻轉課堂就是把傳統的教學模式進行顛倒，從教師課上講-學生課后完成功課的模式變為學生課前學習-課堂教師引導學習的模式，有助于學生主動思考，互相交流解決問題[5]。汽車設計課程引入翻轉課堂教學模式，結合工程實例，引導學生完成零部件等的開發設計與性能驗證，對學生的學習能力、工程思維培養有著積極意義。

3.3 工程實例來源途徑

汽車設計課程引入的工程案例是教學內容的核心部分，選取具有實際工程意義，符合現代汽車設計理念，貼合先進技術需求的案例是教學改革得以實現理實一體化的重要環節。課程所引入的工程案例以工程開發實例為來源，將車型研發設計及性能驗證中的實際工程轉化為課程教學案例，符合實際工程情況。符合教學改革目標的工程實例主要通過以下途徑獲取與選擇。

在教學過程中，依據整車開發設計與驗證流程，依托本校車輛工程學院和汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗的產學研合作平臺下的科研合作項目，制定工程實例選取準則、案例載荷與邊界條件規范、理實一體化教學內容，選取開發階段的關鍵和典型設計案例。

3.4 工程實例在汽車設計課程中應用的內容設計

實際工程案例引入課程教學主要以運用高精度CAE 模擬技術的方法，依據工程設計方案開發流程的載荷與邊界、性能要求等實際條件，建設與工程實例相結合的仿真教學模式，讓學生學以致用，深入思考，學習相關的工程實踐環節與設計理念。主要包括了汽車懸架仿真前處理、汽車懸架虛擬仿真、汽車懸架仿真后處理一系列教學模塊。

圖3 懸架幾何模型

3.4.1 汽車懸架仿真前處理

前處理模塊包括了幾何清理與網格劃分兩個部分。懸架結構由實體部件與薄板結構組成，且由于模型小特征較多，故通常需要對模型進行適當的簡化處理，另外網格劃分時在接觸位置與應力集中位置也需要相對較密的網格。通過前處理學習，掌握面對復雜零件時的合理化簡化模型與幾何清理技術，以及殼單元與實體單元的網格劃分技術。

3.4.2 汽車懸架仿真分析

仿真分析包括了材料參數設置、邊界條件設置兩部分。在材料參數設置部分，熟悉常用材料的力學特性，考慮懸架的實際運轉過程，掌握高強度金屬材料與彈塑性材料的設置。邊界條件部分，根據實際工況運轉構建有限元模型，完成對懸架的各部件鏈接與簡化工作，如設置軸承連接與球形連接，減震器中氣動裝置的簡化和彈簧單元的創建方法，并進一步掌握剛性體與柔性體之間的連接方式。

3.4.3 汽車懸架仿真后處理

本模塊主要包括對懸架結構剛度分析，關鍵曲線數據分析和結果評估部分。通過仿真結果對懸架撓度，彈性元件剛度，導向機構強度和減震機構效能進行評估，分析和總結該懸架在剛度和減震方面存在的問題，為學生在懸架設計與針對不同工況的優化提供理論基礎和實踐經驗。

4 結語

汽車行業飛速發展與變革的今天，引入實際工程開發實例與汽車設計課程內容相結合的教學改革是迎合新工科建設發展的必由之路。基于工程實例的課程教學模式改善了以大量理論授課為主而缺少實際工程開發訓練這一情況的不足之處，切實可行地把理論知識與工程實踐進行了良好的銜接。通過這一教學改革，促進了師生相互溝通、學生相互交流的優質學習平臺的建立，全面推進了理論與實踐一體化的教學模式，對提高學習積極性，鍛煉自主學習能力，培養學生工程思維與強化學生解決實際工程問題的能力具有積極的促進作用。