車輛系統建模虛擬仿真課程的案例教學研究

摘 要：新工科建設對車輛工程專業人才培養提出了全方位、全過程、全要素的要求，為適應“互聯網+高等教育”和“智能+高等教育”的現代信息技術新形態，加快建設虛擬仿真實驗等新形態教學資源，對車輛系統建模與仿真課程的案例教學進行了有益探索，開發出車輛系統動力性、操縱穩定性、平順性等模型案例。通過實施線上線下結合的教學模式，融入課程思政元素，形成多類型、多樣化的教學內容與教學方式，進一步提高學生解決車輛系統復雜工程問題的能力，有力促進了信息技術與高等教育的深度融合。

關鍵詞：車輛工程；案例教學；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1671-9247（2024）03-0081-02

Research on Case Teaching of Vehicle System Modeling and Simulation Course

NIU Limin，ZHANG Guotao，JIA Fengyuan，LI Mingli

（School of Mechanical Engineering， AHUT， Ma’anshan 243032， Anhui， China）

Abstract：The construction of new engineering discipline has put forward the requirements of all-round， whole process and allelements for the training of vehicle engineering professionals. In order to adapt to the new form of modern information technologyof “Internet plus higher education” and “intelligence plus higher education”， and accelerate the construction of new forms ofteaching resources such as virtual simulation experiments， we have conducted a beneficial exploration of case teaching of vehiclesystem modeling and simulation courses， and developed model cases for vehicle system dynamics， handling stability， and smooth-ness， combined with a hybrid online and offline teaching mode， integrated ideological and political elements into the curriculum，formed a variety of teaching content and methods， further improved students’ ability to solve complex engineering problems in ve-hicle systems， and effectively promoted the deep integration of information technology and higher education.

Key words：vehicle engineering；case teaching；virtual simulation

隨著互聯網、大數據、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術加速突破，汽車與能源、交通、信息通信等領域加速融合，造車理念高端化、智能化、綠色化、網聯化、共享化成為汽車產業發展的主流和趨勢。教育部明確提出了“加強綠色低碳教育，推動專業轉型升級，加快急需緊缺人才培養，深化產教融合協同育人”的重點任務，新時代對車輛工程專業人才培養提出了新的要求[1]。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。隨著汽車新技術的不斷發展，現代汽車在結構和工作原理上發生了很大變化，傳統課程內容和培養方式已難以適應新形勢下多元化人才培養需求，不利于車輛工程專業人才創新能力的培養[2]。本文依托現代信息技術，探討利用MATLAB/Simulink軟件工具，開發出車輛系統動力性、操縱穩定性、平順性等模型案例，融入課程思政元素，結合線上線下混合教學模 式展開車輛系統建模與仿真課程的案例教學。

一、車輛系統建模與仿真課程建設要求

新工科建設是我國高等工程教育主動應對新一輪科技革命與產業革命的戰略行動，根據新工科建設和專業認證要求，我校車輛工程專業以培養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，要求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，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。學生通過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，獲得車輛工程專業技術人才應具備的工程能力和專業素養。在汽車產業快速發展的背景下，用人單位對車輛工程專業人才提出了新的知識需求。目前車輛工程專業中，汽車構造、汽車理論和汽車設計三大專業課程內容繁多，但是實際學時有限，汽車構造實驗大都僅進行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不緊密；以汽車理論課程知識為基礎的整車動力性分析多以燃油發動機為主，不適合新能源汽車的動力性分析和經濟性分析；日新月異的汽車新技術更是對汽車設計課程內容的實時性提出了新的挑戰，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[3]，迫切需要探究車輛系統建模與仿真課程教學內容的數字化 設計。

二、虛擬仿真教學平臺構建與案例開發

為適應新工科建設要求，培養車輛工程專業學生實踐能力和創新精神，依托現代信息技術，利用MAT-AB/Simulink軟件開發了車輛系統虛擬仿真教學平臺。

（一）平臺功能與使用流程構建

以汽車理論知識為基礎對需仿真的車輛子系統模型進行理論分析，在MATLAB中構建Simulink模型或M文件，協同ADVISOR或CarSim軟件設置仿真工況與設計要求，進行聯合仿真，后續對模型進行優化改進，圖1所示為車輛系統建模與仿真平臺開發流程及功能。在此平臺上，學生通過手機或個人電腦終端登錄系統，根據教學內容選擇相應仿真案例，完成子模型分析、子系統構建、聯合仿真、優化改進等功能。

（二）課程案例設計及教學探索

實體車輛臺架實驗、道路實驗存在能耗高、成本高的問題，導致部分實驗難以開展。教師通過開發車輛系統仿真案例庫，可極大拓展車輛實驗課程內容。以車輛系統建模與仿真課程教學內容漸進性為主線、以模塊化思想為指導，設計了車輛系統虛擬仿真實驗案例，包括車輛差速器齒輪設計案例、汽車連續換檔加速性能仿真案例、車輛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、汽車行駛速度控制的仿真案例等，涵蓋了車輛動力性、經濟性、制動性、操縱穩定性和平順性等內容。

在案例設計與教學過程中，融入了課程思政元素，如貫穿所有案例使用的MATLAB軟件簡介教學中，通過美國取消國內“國防七子”院校使用MATLAB軟件正版授權的事件，引導學生認識到西方國家試圖通過卡脖子手段阻礙我國科技的發展，從而感受到學好車輛仿真建模課程對我國汽車工業發展的重要意義。案例結合現實情境，學生感受到了自身擔負的中國汽車人使命，激發出對課程高昂的學習熱情。

車輛懸架系統振動仿真及優化案例，在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，學生可進行整套汽車懸架及測試系統的虛擬裝配，直觀模擬路面激勵和運行工況，創建設計變量（如減振器阻尼和彈簧剛度）并進行仿真優化。案例設計了三個知識點：利用懸架系統微分方程創建仿真模型、經典PID控制策略的實現、現代模糊邏輯控制策略的運用。授課教師圍繞知識點用問題啟發學生思考問題：為什么不同車輛乘坐的舒適性不一樣？車輛行駛平順性有哪些評價指標？模糊思想為什么與我們的日常生活息息相關？通過理論聯系實際，引導學生集中討論和分析，由淺入深逐步認識、理解和掌握車輛懸架基本結構及其控制方法與技能，提高了學生對本案例內容的學習興趣。通過四課時將三個知識點逐層組織：首先根據懸架系統微分方程建立仿真模型，其次采用PID控制模塊加以控制，最后運用模糊控制策略，進一步對比不同控制策略、不同控制參數對車輛平順性的影響。

建模過程中，利用MATLAB/Simulink豐富的信號源模擬不同路面對懸架系統的激勵，完成了傳統實驗教學無法實現的操作，很大程度上解決了傳統理論課程中控制策略抽象化、車輛性能難理解的問題，實現了對傳統的實驗教學模式在時間、成本、效果等多方面的拓展。模型測試時，發揮了現代信息技術在案例教學情境制作中的優勢，利用三維軟件把不同信號源的激勵構造成現實路面環境，以仿真模擬車輛懸架在當前工況下的動態響應。通過編寫現代控制策略，可以培養學生面對應用場景綜合設計解決復雜問題的能力和高級思維。仿真過程中，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，有效解決教學過程中動手難的問題[4]。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，現代信息技術在MATLAB/Simulink上的有效應用，幫助學生感受到懸架系統來自路面的顛簸沖擊，對車輛平順性的表征、模擬均起到良好的案例教學作用。

在車輛系統建模虛擬仿真課程的教學實踐過程中，在虛擬仿真建設公認原則“虛實結合、能實不虛、互相補充”指導下，教學內容緊抓汽車動力性、燃油經濟性、制動性、操縱穩定性、平順性等理論知識主線，輔以各案例知識點導學問題的設計，構造案例情境，逐步引導學生探究知行合一，達到課程教學目標，取得良好教學效果。

（三）平臺案例教學效果評估

車輛系統建模與仿真案例平臺將畢業要求達成度細化為專業課程多項能力指標點，以課程考核過程作為評價依據，細化了過程考核指標，完備導學資料和參考網站資料，幫助學生做好案例實驗前的準備工作，記錄他們參加案例實驗的全過程，提供建模過程指導和性能分析指導，平臺能客觀公平地評價學生預習效果、建模過程以及案例分析過程。在教學過程中平臺還增加了案例存在的問題、改進措施、改革設想等內容，收集和統計學生對案例教學方面的建議與評價，為改進和完善車輛系統案例庫建設提供參考。該案例平臺的應用進一步完善了對專業課程目標達成度的評價，提 高了學生解決復雜工程問題的創新能力和思考能力。

三、線上線下混合式課程案例教學

教學過程中發現，以課程案例為驅動，融合線上線下混合式教學，可以有效解決課程學時不足的問題。我校車輛工程專業是省級一流本科專業，車輛專業課程基本實驗教學需適應線上實驗教學要求，遵循“虛實結合、能實不虛、互相補充”的建設原則，構建出車輛系統建模與仿真案例虛擬線上線下混合式案例教學平臺。

混合式教學過程中，教師先對案例相關內容進行任務分解，構建案例出現的情境，提出案例涉及的問題，課前預先布置分組任務，學生線下自學本期案例教學相關汽車理論知識，查閱資料并設計問題解決方案，這一過程能有效提高學生的自學能力。依托線上教學平臺，在線下案例導學中引入適當的車輛前沿技術，對具體案例對象（如車輛平順性）分析學習內容，展開程序代碼講解、模型實踐操作，引導學生自主解決復雜車輛工程問題，驗證問題解決方案可行性，增強工程意識。在混合式教學過程中注重融入課程思政元素，采用問題教學法，啟發學生結合自身體驗反思科技發展過程中可能存在的正面價值和負面影響，鼓勵他們發表不同的見解，從不同的角度思考問題，加強對學生的科學精神培養和批判性反思能力培養，發 揮正確的價值引領和導向作用。

四、結語

車輛虛擬仿真教學平臺以仿真案例為依托，采用三維建模、數據庫、人機交互等技術把學習內容直觀地在案例中表現出來，對車輛工程專業課程實驗教學時間和空間起到了延伸和拓展作用，有效提高了學生的學習興趣。案例教學引導學生思考車輛性能與相關結構參數之間的聯系，從實踐角度鉆研車輛性能及其影響因素，使學生主動學習的積極性得到有效調動。為使學生更好地掌握車輛建模與仿真知識，課程案例教學過程中還融入了課程思政元素，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，取得了顯著的教學效果，指導車輛專業學生順利完成省級創新創業項目“多能源動力總成試驗臺架的優化設計”的結題和驗收工作，公開發表多篇學術論文，學生在多項賽事中獲獎，學生創新實踐能力得到了有力提升。本課程的案例教學研究為新形勢下工科學生創新能力的培育提供了積極思路，為其他課程教學提供了有益參考。

參考文獻：

［1］ 袁亮. 支撐中國式現代化建設的高素質人才培養探索與實踐[J]. 中國煤炭，2022，48（12）：1-8.

［2］ 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.

［3］ 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（5）：431-438.

［4］ 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（23）：15-18.