新形勢下車輛系統建模與仿真課程的教學改革研究

牛禮民　賈豐源　張國濤　李明麗

［摘 要］為適應新形勢下新工科建設對車輛專業人才培養的新需求，提高學生解決復雜工程問題的能力，文章從課程內容、案例教學、課程評價機制等方面出發，對車輛系統建模與仿真課程的教學模式提出改進策略，即完善車輛動力學、傳動、制動、轉向等子系統實驗課程內容，針對車輛系統復雜工程問題求解開發相應的案例庫模型，結合線上線下混合教學模式，融入課程思政元素，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系，以促進信息技術與教育教學的全面深度融合，探索提高學生工程實踐能力和創新能力的車輛系統建模與仿真教學新模式。

［關鍵詞］車輛系統；建模與仿真；教學模式；課程案例

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）18-0045-04

車輛系統建模與仿真是車輛工程專業重要的選修課程，也是車輛工程專業認證標準中畢業要求達成的關鍵支撐課程，主要講述車輛各系統仿真模型的構建與模擬，直接關系到后續車輛專業畢業設計實踐教育效果和合格汽車工程師的培養。然而，隨著汽車行業技術發展的日新月異，現代汽車在結構和工作原理方面發生了很大變化，原有課程教學內容無法滿足車輛工程教育新工科建設要求，且車輛工程專業認證也把學生解決復雜工程問題作為重要的畢業要求，因此，傳統人才培養方式難以適應新形勢下多元化人才培養需求，也不利于車輛工程專業人才創新能力的培養[1]。本文依托現代信息技術，利用MATLAB/Simulink軟件工具，以車輛平順性仿真教學為案例，融入課程思政元素，探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，使學生學會對車輛平順性能進行仿真模擬與分析，進一步提高學生解決復雜工程問題的能力，以適應新工科建設和專業認證對車輛工程專業人才培養的要求。

一、目前課程教學中的若干問題

（一）課程內容方面

車輛系統建模與仿真技術可以縮短汽車新產品開發周期，降低生產成本，已然成為車輛工程專業高年級本科生必須掌握的專業技能。新技術、新材料的出現使得現代汽車結構與性能發生了很大變化，比如，汽車底盤懸架系統已經從過去的被動懸架發展到目前的半主動懸架，還在繼續向主動懸架技術方向發展，這就對車輛平順性建模與仿真教學內容提出了新的要求。汽車轉向系統技術已由過去的液壓助力轉向發展為當下的電動助力轉向，再向線控轉向技術挺進，相應的車輛操縱穩定性建模與仿真教學內容也應隨之更新。新能源汽車技術的出現、電動汽車的等效燃油消耗評價指標的制定等，都對傳統車輛燃油經濟性建模與仿真教學內容提出了新的挑戰，而數字化轉型背景對制造業人才協同培育提出了更高的要求[2]。新形勢下，車輛系統建模與仿真課程教學內容的數字化設計是當前迫切需要探究的問題。

（二）教學過程方面

在前期的理論教學課堂上，教師首先提出學習內容，以汽車理論課程知識為基礎分析車輛性能評價指標和建模過程，結合案例教授學生學習車輛系統建模過程；后期的實驗教學是讓學生在機房電腦上學習編程操作，重現案例實施過程，目的是讓他們加深對汽車組成系統、部件結構、工作原理的認識和理解，培養學生的實踐動手能力。目前部分高校的汽車構造實驗大都只是一些演示性實驗或簡單的拆裝實驗，與車輛系統建模與仿真課程教學內容結合得不緊密，加上學時有限，使得實驗課程學習過程如走馬觀花，學生難以將公式、模型與具體工程問題聯系起來[3-4]，教學過程的形成性評價方面有所欠缺，不能很好地達到課程的教學要求。

（三）教學效果方面

從該課程的教學效果來看，由于課程教學方法單一，多以灌輸式單向教學為主，車輛模型構建表達式極為抽象，無法調動學生課堂學習的積極性，案例教學僅為學生對教師授課內容的簡單再現，缺乏解決復雜工程問題的思路和創新。傳統的課程評價方法采用平時作業成績與期末考試成績結合的方式，缺少對知識實際運用的考核，無法做到對課程教與學的客觀實際評價，教學效果評價難以適應新形勢下多元化人才培養的需求，迫切需要在課程教學模式上進行新的探索。

二、課程教學模式的有益探索

針對上述問題，課程教學團隊對車輛系統建模與仿真課程教學模式進行了有益探索。

（一）課程教學目標導向

根據新工科建設和專業認證要求，安徽工業大學圍繞自身辦學特色，進一步完善其車輛工程專業的課程教學總目標。該課程以培養學生成為具有人文社會科學素養、社會責任感、職業道德和團隊意識的應用型專業技術骨干為目標，使學生掌握現代汽車工程領域的基本理論、專業知識和基礎技能，熟練運用現代分析工具和管理技術，能勝任本專業實踐領域的工程設計、技術開發、經營管理以及工程科學研究等工作，熟練運用所掌握的知識去解決復雜工程實際問題，服務于車輛工程相關行業且具有一定的國際視野和創新精神；使學生在探究復雜車輛工程問題的同時，通過基礎課程和專業課程的學習掌握汽車發動機構造及底盤各組成系統的基本結構和工作原理，了解車輛工程專業技術人才應具備的工程能力和專業素養，進而完善自身以獲得社會和用人單位的認可。

（二）教學內容時新設計

車輛系統建模與仿真課程在專業培養方案中與其他課程間的邏輯關系如圖1所示。

該課程屬于專業選修課，只有以先期課程車輛專業導論、汽車構造、汽車理論、汽車設計為基礎，學生才有可能學好本門課。同時，該課程又為后續的畢業實習和畢業設計等實踐教學環節提供專業知識技能基礎。作為聯系專業基礎課與實踐教學的中間環節，其重要性不言而喻。在汽車技術飛躍和新工科建設的新形勢下，該課程教學內容的設計需與時俱進。

在教學過程中我們發現，問題導向的內容教學設計有助于調動學生思考和學習的熱情。在汽車平順性建模與仿真教學過程中，教師提出“駕車通過校園路面相同的減速帶，為什么不同車輛乘坐的舒適性不一樣”“為什么乘坐自行車后座比乘坐電動車后座感覺更顛簸”這些與學生生活密切相關的問題，很容易激發學生思考懸架系統對舒適性的作用、車輛平順性的影響因素等問題。之后，教師進一步引導學生主動探尋平順性的評價指標等問題，通過牛頓第二定律建立1/4汽車行駛動力學模型、1/2汽車行駛動力學模型，由易到難直至建立整車行駛動力學模型，模擬仿真車輛通過減速帶時的平順性能。可見，設計良好的教學問題可有效激發學生的學習興趣，增強課堂互動和教學效果。

（三）虛擬仿真技術案例應用

新形勢下，車輛新技術、新材料、新工藝層出不窮，虛擬仿真技術利用計算機設備對車輛系統進行性能模擬，具有開發周期短、教學成本低、試驗安全性高、靈活性好的優點，是緊跟新工科建設要求的重要教學手段。車輛系統建模與虛擬仿真案例庫的開發，使不具備的實驗條件轉變成可能，極大地拓展了車輛實驗課程體系的內容[5]。學生在虛擬環境中模擬實驗，演示性實驗變成了學生自己動手的實踐，這樣能有效解決教學過程中學生動手難的問題[6]。另外，還可以教學內容漸進性為主線、以模塊化思想為指導，設計車輛系統建模的虛擬仿真實驗案例，包括汽車連續換擋加速性能仿真案例、汽車爬坡能力仿真計算案例、汽車制動性能仿真案例、轉向梯形仿真計算與優化案例、汽車行駛速度控制仿真案例等。

圖2為汽車平順性仿真案例設計中的懸架示意圖，在此二自由度的懸架模型構建過程中，將輪胎等模型抽象成彈簧、阻尼模型，與實物模型一一對應，可使懸架主要零部件的作用一目了然。仿真過程中，車身垂直加速度信息采用動畫屏顯，在不同路面激勵下的動態跳動使學生仿佛身臨其境，感受到來自路面的顛簸沖擊，這對車輛平順性的表征、模擬均起到案例教學應有的作用。

（四）創新實踐能力培養體系探索

課程教學改革要始終堅持立德樹人根本任務，因此，教師要融入課程思政元素，對學生創新實踐能力的培養體系進行有益探索。汽車行業正在經歷由人工智能、物聯網帶來的變革，需要與時俱進、不斷挖掘教學內容中的思政元素，找到融合更加緊密自然的知識點，實現課程與思政元素更有效的銜接。車輛系統建模與仿真課程可以把中國汽車發展歷史、汽車文化等融入課程思政教育，將課程思政建設與中國汽車人的使命相結合，這既為課程思政建設提供了堅實的素材來源，也為汽車類的課程思政建設增加了新載體、新途徑。課程教學改革研究將思政板塊與知識板塊相結合，深挖教學知識點中的思政元素，提取思政映射點，為課程思政找到落腳處，以期解決專業教育與思政教育“兩張皮”的問題。弘揚中國汽車人精神，激勵學生參加各項科技創新實踐活動，以課外科技創新團隊的組織形式引導學生投身科技創新實踐活動，從工程認知、工程訓練到工程創新的細節上，引領學生樹立“大工程”觀、建立宏思維。通過創新實踐能力的綜合培養，使學生鞏固所學知識，把在創新實踐中所學到的理論知識靈活地應用于車輛系統建模與仿真學習中，提高他們解決復雜車輛工程問題的能力，使其養成終身學習的習慣，達到新形勢下工程教育對車輛專業學生的培養要求。

三、教學效果評價機制的持續改進

傳統課程考核方式普遍采用平時成績+卷面成績的模式，而對學生解決復雜車輛工程問題能力的考核未能得到有效體現。課程建設中，課程教學團隊將畢業要求達成度細化為多項能力指標點，以課程考核材料作為評價依據，細化量化過程考核指標、合理分配標準的評價權重系數，建立了一套課程考核評價體系，構建了教學目標、畢業要求指標點、課程支撐內容與權重系數的關系矩陣，對包括實踐教學環節在內的所有課程畢業要求達成情況進行評價；根據每門課程達成度評價結果，最終計算出畢業要求達成度評價結果。考評體系構建具體如下：

第一，任課教師在所授課程首節課即告知學生本案例教學內容（如布置課前小任務——運用Simulink學習車輛平順性仿真），明確課程教學目標、課程教學方法、課程形成性評價方案等，以保證案例教學結束時收集資料的完整性和合理性。

第二，在課程教學過程中，任課教師依據課程形成性評價方案，采取多種形式收集學生平時學習情況作為過程性考核與評價的原始資料，如考勤簽到、課后作業、課堂研討、期中考核等。

第三，在課堂測試過程中，學生既可以采用比例積分微分策略，又可以采用模糊控制策略，運用MATLAB/Simulink 軟件對車輛懸架模型進行模擬控制。虛擬仿真技術帶給學生直觀、身臨其境的感受，通過分析仿真結果驗證控制策略的有效性，學生學會了車輛平順性的分析方法。案例課堂結束時，任課教師以課堂測試的方式考核學生對仿真案例的掌握情況，通過反饋信息對教學過程進行持續改進。

第四，課程結束后，授課教師按教學大綱要求，以期末考試或課程大作業等形式對學生進行全面考核。授課教師對課程目標達成資料進行整理：對于定量資料，依據課程達成度計算方法，計算課程目標達成值，完成達成情況分析與評價報告；對于非定量資料，依據設計的評價方法分析評價課程目標達成情況。

第五，結合車輛工程專業認證要求，將車輛系統建模與仿真課程目標達成分析與評價報告作為教學資料歸檔，其內容包括課程目標達成度計算、評價結果、持續改進措施等。此外，還需提交課程小結，內容包含課程的試卷分析、本學期課程教學總結與下學期工作設想（教學方法改革、教學效果、學風情況、課程考核、存在問題、改進措施、改革設想等）等。

目前，本課程教學效果評價機制已在實際教學過程中得到應用。授課教師采取考勤、作業、課堂測試、研討、期中考核等多種形式對學生學習情況進行形成性評價，按專業認證畢業達成度要求分析課程目標達成情況，在課程教學總結中增加存在問題、改進措施、改革設想等內容，為新一輪授課教學提供參考。該課程考評體系的應用進一步完善了對專業課程目標達成度的評價。

四、結語

新形勢下，通過對車輛系統建模與仿真課程教學內容的問題導向設計，輔以案例教學手段，持續改進課程教學效果評價機制，可對傳統車輛工程實驗教學起到延伸和拓展的作用，改變課堂教學過程中過分講授導致學生學習主動性不高、認知參與度不足等問題。課程教學改革過程中，為使學生更好地掌握車輛系統建模與仿真知識，課程教學團隊將課程思政元素融入教學中，鼓勵學生圍繞工程訓練項目，結合生活實際積極參加科技創新活動。近年來，該課程教師指導學生獲批數十項國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目，指導學生公開發表多篇科技創新論文，獲得實用新型專利多項授權以及中國TRIZ杯大學生創新方法大賽獎項等，這些成果的取得很大程度上有賴于專業課程培養體系的落實。該課程教學改革研究為新形勢下工科學生創新能力的培育提供了新思路。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 張國濤，王孝義，牛禮民.汽車液壓與液力傳動課程學生國際化視野培養探究[J].安徽工業大學學報（社會科學版），2021，38（4）：78-79.

[2] 石嘉婧，雷金英.數字化轉型背景下制造業人才協同培育研究[J].沈陽工業大學學報（社會科學版），2023，16（5）：431-438.

[3] 李立軍.“車輛系統動力學”課程教學改革探索與實踐[J].時代汽車，2022（2）：66-68.

[4] 牛禮民，張國濤，賈豐源.新工科背景下車輛工程專業虛擬仿真課程教學模式的探索[J].教育現代化，2021，8（84）：38-40.

[5] 王家政.構建虛實結合大學物理實驗教學課程體系[J].當代教育實踐與教學研究，2019（3）：82-83.

[6] 潘公宇.雙一流建設背景下專業碩士核心課程的教學改革與實踐：以《車輛系統動力學》課程為例[J].教育現代化，2020，7（23）：15-18.

［責任編輯：劉鳳華］