基于“設(shè)計師式”思維的車輛動力學軟件教學改革

摘 "要：隨著我國高速鐵路的發(fā)展，車輛動力學成為車輛工程專業(yè)學生的必修課之一。該文以車輛動力學軟件原理與應用課程為例，介紹前期課堂中的教學內(nèi)容及存在的問題與不足。并進一步根據(jù)不足之處進行教學改革，制定改革目標，提出以“設(shè)計師式”思維為中心的改革思路與完整的改革措施，使原理、軟件與工程應用相結(jié)合。最后制定階段性的課堂教學計劃，以提高學生的理論與實踐能力。

關(guān)鍵詞：教學改革；課程改革；教育；設(shè)計師；車輛動力學軟件

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）07-0155-04

Abstract： With the development of China's high-speed railroad， vehicle dynamics has become one of the required courses for vehicle engineering students. This paper took the course Principles and Applications of Vehicle Dynamics Software as an example of what was taught in the pre-classroom with problems and deficiencies. And further pedagogical reforms were conducted and reform objectives were established. The reform idea of \"designer\" concept and complete measures were proposed to combine principles， software， and engineering applications. Finally， a phased classroom program was developed to improve students' theoretical and practical skills.

Keywords： pedagogical reform; curriculum reform; education; designer; vehicle dynamics software

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的研究方法已經(jīng)無法高效地解決車輛系統(tǒng)動力學[1]復雜問題，動力學仿真成為一種經(jīng)濟高效的可行方法。Simpack軟件[2]基于德國宇航中心20多年的輪/軌接觸模擬經(jīng)驗，擁有自身開發(fā)和非常靈活的建模概念，可以支持任何設(shè)計思路，在軌道交通動力學仿真領(lǐng)域已成為一種重要工具。

車輛動力學軟件原理與應用課程是一門偏應用性質(zhì)的課程，屬于車輛動力學的仿真實驗重要組成部分。該課程基于Simpack仿真軟件進行講授，教學內(nèi)容與手段與其他課程相比有很大區(qū)別，是以軟件練習和操作為主，理論講述為輔[3-5]。通過學習讓學生掌握車輛動力學的基礎(chǔ)知識和軟件操作方法，具備進行軌道車輛的振動規(guī)律分析和車輛動力學性能評價的基本能力。本課程的學習，可以使枯燥的車輛動力學相關(guān)理論變得生動形象，是較好的輔助分析學習的仿真工具。同時，Simpack軟件在軌道交通方面的強大應用[6]，可以幫助老師和學生以其為基礎(chǔ)進行試驗、分析，既可節(jié)省大量經(jīng)費又可改善該學科在試驗方面的不足。在學生實際課程學習中，如何讓學生做到學好理論的同時，還可以利用該理論解決實際問題是軟件應用類課程十分重要也十分現(xiàn)實的問題。

根據(jù)作者多年的教學經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在目前的車輛動力學軟件原理與應用教學過程中存在下列問題亟需解決：①學生在該課程學習中思維方式單一。部分學生在軟件類課程學習中，很容易成為軟件的操作者，只是按部就班根據(jù)操作流程進行建模學習，不能很好地將車輛動力學相關(guān)理論、工程師式的設(shè)計思維以及仿真軟件的應用建立起聯(lián)系。學習興趣不足，更多的是被動式軟件操作，沒有思考和討論的意識，缺乏獨立思考和創(chuàng)新設(shè)計的能力；②缺少實際工程案例講解。教學內(nèi)容以簡化的整車模型及其車輛動力學指標評價為主，簡化模型以及相關(guān)分析與工程實例相差較大，缺乏對實際工程背景以及應用的良好理解，無法培養(yǎng)學生綜合分析車輛動力學相關(guān)工程問題的能力；③課程考核評價方式不全面。課程考核評價方式中注重軟件實操、團隊協(xié)作能力、相關(guān)技術(shù)文獻檢索能力的考核，但對個人綜合運用多學科理論以及相關(guān)軟件應用能力的考核相對薄弱，個人成績?nèi)菀着c團隊成績混為一體。

對車輛動力學軟件原理與應用課程進行教學改革[7-8]，應突出教學服務(wù)于應用，使車輛動力學軟件原理與應用課程的教學與科研、應用緊密地結(jié)合起來，突出實踐應用，為學生后續(xù)畢業(yè)設(shè)計、科研活動以及未來的工作等打下仿真知識的基礎(chǔ)。

一 "前期教學內(nèi)容及存在的問題或不足

（一） "前期教學內(nèi)容

車輛動力學軟件原理與應用是車輛工程專業(yè)本科培養(yǎng)計劃中的專業(yè)教育系列課程之一，是車輛動力學仿真實驗的重要組成部分。本課程中教學以Simpack動力學分析軟件為依托。該課程考核內(nèi)容一共有三大知識點和八個考核內(nèi)容，考核方式包括平時成績、建模能力考核及分組論文答辯。該課程學業(yè)教學內(nèi)容具體如下。

建立客車模型：本課程基于車輛動力學整結(jié)構(gòu)建模的基本概念、基本理論，依托Simpack動力學軟件，掌握軌道車輛動力學仿真分析的基本原理及軟件發(fā)展過程和現(xiàn)狀。理解數(shù)值分析局限性的同時能夠針對復雜車輛動力學問題，結(jié)合線路輸入激勵及線路構(gòu)造的邊界條件完成車輛動力學實驗的虛擬樣機建模。

通過在軌道車輛模型化的基礎(chǔ)上，利用該課程應用的分析軟件建立完整動力學模型，并運用軌道車輛基本知識進行分析線路的設(shè)計及線路激勵的選擇；查閱相關(guān)文獻，并根據(jù)GB/T5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》對模型分析結(jié)果進行動力學性能的基本評定。實現(xiàn)“能夠選擇與使用恰當?shù)膬x器、信息資源、現(xiàn)代工程工具和專業(yè)模擬軟件，針對軌道車輛設(shè)計、制造、檢修、運用等工程問題進行計算分析和設(shè)計”。

分組學習：通過利用小組合作，共同完成特定參數(shù)車輛模型的建立及其動力學性能指標分析大報告。針對復雜車輛動力學問題，學生可以做到熟練掌握車輛動力學的基本分析方法，包括多體動力學的基本概念以及車輛動力學模型化的過程。

（二） "存在的問題或不足

在車輛動力學軟件原理與應用課程教學過程中，相當數(shù)量的大學生仍然感覺學習困難，課堂教學效果常常不甚理想。現(xiàn)從以下幾個方面簡要說明目前的工作基礎(chǔ)及存在的問題。

在教學設(shè)計方面，教師往往將重點放在Simpack仿真軟件操作流程的講解上，介紹具體步驟和最終結(jié)果，而這個過程有時候無法做到與大學生形成有效的互動。一方面，如果教師在演示每一個操作步驟時都與大學生形成充分互動，那么在有限的課時內(nèi)則難以完成既定的教學內(nèi)容; 另一方面，如果教師一味地演示操作步驟，講解如何“點擊鼠標”，那么對于初次接觸Simpack軟件的本科生而言，很難與老師建立起良好的互動。

在教學內(nèi)容方面，目前教學內(nèi)容以簡化的整車模型及其車輛動力學指標評價為主，操作的一般過程基本固定，大學生只需要按部就班根據(jù)操作流程就可以完成任務(wù)，不能很好地將車輛動力學相關(guān)理論、工程師式的設(shè)計思維以及仿真軟件的應用建立起聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)階段Simpack仿真軟件課程講授經(jīng)驗來看，“依樣畫葫蘆”重復教材和教師操作過程的學生占比較高，小組討論交流尋找解決途徑較少，學生之間交流不充分。

在課程目標實現(xiàn)方面，車輛動力學軟件原理與應用是一門軟件課程，重點是讓大學生掌握采用相應的軟件功能解決問題的能力，而讓大學生感到困難的是如何根據(jù)實際客車參數(shù)，學生可以做到識別每個參數(shù)含義，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合線路輸入激勵及線路構(gòu)造的邊界條件完成動力學實驗。學生將車輛參數(shù)表與建模步驟建立起聯(lián)系的能力相對薄弱，缺乏熟練應用車輛動力學基本理論的能力。此外，學生在學習過程中容易形成按部就班根據(jù)操作流程進行建模學習的單一思維模式。

在考核評價方式方面，由于采用的是傳統(tǒng)知識驅(qū)動型教學模式，且學生數(shù)量較大，因此考核手段多針對實踐結(jié)果進行考核評價，尤其是缺乏有效手段來考察每名學生結(jié)合實際分析問題、解決問題的能力。近幾年教學組在考核評價方式方面做了一些改革，將平時作業(yè)內(nèi)容由“名義力計算報告”改為學習通線上平臺隨堂小測試，測試內(nèi)容包括：軌道設(shè)計、力元設(shè)置、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和建模相關(guān)知識點。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)隨堂測試對活躍課堂氣氛、調(diào)動學生學習積極性和幫助學生把握重要知識點都有積極意義。

二 "改革目標及改革思路和舉措

（一） "改革目標

針對現(xiàn)有課堂教學中存在的問題，本項目預期完成以下工作目標。

增加“設(shè)計師式思維”培養(yǎng)內(nèi)容。針對車輛動力學設(shè)計要素，讓學生以“設(shè)計者”身份參與建模，將設(shè)計思維帶入車輛動力學軟件學習中。讓學生真正體會分析車輛動力學相關(guān)工程問題所需要的能力，激發(fā)學生對本課程的學習興趣。

充分利用“學習通”等教學軟件。不斷完善課件和課程網(wǎng)站[9]的建設(shè)，便于課后學生復習，為學生提供一個具有獨立、自由、開放、靈活、豐富的學習空間。

采用“案例教學法”授課方式。積累教學經(jīng)驗，修訂教材講義，增填實際工程中的應用實例以及涉及的后續(xù)相關(guān)課程的仿真實例。

在課程團隊考核評價方式中增加個人貢獻率考核。針對當前團隊考核內(nèi)容，增加個人對團隊工作貢獻率考核，更好地促進團隊工作的開展和高質(zhì)量的完成。

（二） "改革思路和舉措

大學生應當成為課堂教學的主體，這已經(jīng)是毋庸置疑的共識。因此，必須發(fā)揮大學生參與課堂教學的主觀能動性。推進車輛動力學軟件原理與應用課程的教學改革，須從以下幾個方面同時開展：①重視對學生“設(shè)計師式”思維的培養(yǎng)，避免學生“依樣畫葫蘆”重復教材和教師操作，讓學生以設(shè)計師身份進行學習，帶動大學生參與課堂教學的主觀能動性；②重視車輛動力學基本原理與軟件操作相結(jié)合的教學方法，從每個車輛基本參數(shù)的輸入到仿真結(jié)果的輸出均與車輛動力學基本理論知識建立聯(lián)系，將基礎(chǔ)理論、建模流程與結(jié)果分析三部分知識進行串聯(lián)講解；③在教學過程中，為了使學生更好地理解并掌握學科前沿，積極采用“案例教學法”對教學內(nèi)容進行拓展，發(fā)揮線上-線下混合教學優(yōu)勢，滿足學生的個性化學習需求（圖1）。

具體實施措施為：

以理論分析—識別車輛參數(shù)—仿真計算—重點設(shè)計參數(shù)影響分析—改進設(shè)計為主要思路和樹干，將課程相關(guān)的知識點進行添加形成有效的知識網(wǎng)絡(luò)。鼓勵學生以設(shè)計師身份參與重點設(shè)計參數(shù)影響分析。例如可以研究車輛懸掛裝置和牽引緩沖裝置的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能對車輛動力學性能影響，根據(jù)重點設(shè)計參數(shù)的影響分析，讓學生進行“高敏參數(shù)改進設(shè)計”這一實踐活動，培養(yǎng)學生的“設(shè)計師式”思維。讓學生成為課堂教學的主體，發(fā)揮大學生參與課堂教學的主觀能動性。

結(jié)合學生Simpack軟件學習實際困難，將識別客車參數(shù)、線路輸入激勵及線路構(gòu)造等建模要素的軟件操作流程與車輛工程、車輛動力學等基本理論知識建立緊密聯(lián)系。深入淺出地介紹車輛基本參數(shù)、車輛動力學性能基本原理并配以詳細的菜單操作過程。需要讓學生理解機車車輛的多體動力學建模和仿真過程，就是通過對車體、構(gòu)架、輪對等剛?cè)狍w、約束、力元以及輪軌接觸等元素的定義來確定機車車輛各部分組件特性及連接關(guān)系，從而形成一系列的車輛多體動力學方程并求解其形成的微分方程。例如在輪對模型建立中，有必要將輪對外形基本參數(shù)、軌道基本參數(shù)以及這些參數(shù)在車輛動力學設(shè)計中的重要作用予以介紹。

及時調(diào)研Simpack軟件車輛動力學設(shè)計與分析的前沿研究，將其中具有典型意義的案例填充到課堂教學中，并基于學習通網(wǎng)絡(luò)平臺進行演示。車輛動力學發(fā)展十分迅速，為了讓學生可以更好地掌握學科前沿知識，解決面對面的講授和實時課堂交流限制，對現(xiàn)有教學內(nèi)容進行數(shù)字化“案例教學”拓展。根據(jù)聽課學生的總體聽課狀態(tài)和理解水平基礎(chǔ)，不斷補充展現(xiàn)個性化的講解和提示，以提高學生對知識的掌握。

在進行團隊合作時，多使用Project-Based Learning（PBL），即基于項目的學習[10]這種教學模式。例如，大學生可以基于某個特定工程問題“空氣彈簧失效對高速列車運行平穩(wěn)性的影響”來展開分析。車輛基本參數(shù)表可以由教師提供，或者大學生自己尋找，而關(guān)于空氣彈簧對車輛平穩(wěn)性影響的問題可以讓大學生之間展開充分的交流。在達成共識的基礎(chǔ)上，根據(jù)學習到的Simpack軟件操作知識，獲得問題的答案。通過這樣的教學設(shè)計，可以達到小組教學學生之間充分交流的教學目標。

進一步改革課程考核方式。設(shè)計合理的過程評估機制和適當?shù)钠脚_以使學生能夠內(nèi)化他們的知識并提高他們的實踐能力。在團隊考核中，加入個人貢獻率考核，避免部分學生存在吃大鍋飯思想。將學生個人得分與團隊得分進行區(qū)分。團隊得分根據(jù)整體任務(wù)完成質(zhì)量來定，個人得分則需要考量個人對團隊任務(wù)完成的貢獻比例，提高考核精準度（圖2）。

圖2 "具體措施流程圖

三 "課堂教學計劃

第一階段：組織課題組成員進行討論，對車輛動力學軟件原理與應用課程具體內(nèi)容進行劃分，進行工作任務(wù)點分配；課題組成員根據(jù)具體任務(wù)點搜索相關(guān)的思維差異和課程設(shè)置差異，總結(jié)分析思維差異的種類和特點，并給出一套適合訓練學生思維轉(zhuǎn)換的方案，同時有針對性地對不同任務(wù)點課程的講授方式、互動模式、實踐方式等進行確定。計劃經(jīng)過這一階段，初步建立起學生的“設(shè)計師式”思維，并建立完善針對課程任務(wù)點的課程設(shè)置體系。

第二階段：組織課題組成員基于各個任務(wù)點的課程設(shè)置體系，采取較為豐富的教育手段開展課堂講授、課堂互動和課堂實踐，及時調(diào)研Simpack軟件車輛動力學設(shè)計與分析的前沿研究，將其中具有典型意義的案例填充到課堂教學中，并基于學習通網(wǎng)絡(luò)平臺進行演示。定期對學生的學習情況進行反饋，并將反饋意見自動發(fā)送至課題組成員處，進行意見總結(jié)后對課程授課手段進行更新。計劃經(jīng)過這一階段，對現(xiàn)有教學內(nèi)容進行數(shù)字化“案例教學”拓展。根據(jù)聽課學生的總體聽課狀態(tài)和理解水平基礎(chǔ)，不斷補充展現(xiàn)個性化的講解和提示。

第三階段：組織學生在“設(shè)計師式”思維下，基于某個特定工程問題來展開分析。計劃通過這一階段，充分調(diào)動學生的積極性，加深對車輛動力學原理與應用的認識和理解。最終，完成“設(shè)計師式”思維下車輛動力學軟件原理與應用課程開放式教學實踐探索，并設(shè)計合理的過程評估機制和適當?shù)钠脚_以使學生能夠內(nèi)化他們的知識并提高他們的實踐能力。

四 "結(jié)束語

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速，車輛動力學軟件原理與應用是車輛工程專業(yè)學生的必修課之一。雖然課程規(guī)劃完整，但在教學實踐中仍有不足之處。本文首先簡單介紹了教學內(nèi)容，詳細討論了教學實踐中的不足之處，具體包括教學設(shè)計、教學內(nèi)容、課程目標和考核評價方式中的一些欠缺之處。基于不足之處進行了教學改革，進一步明確了改革目標和措施，并提出了以“設(shè)計師式”思維為中心的改革思路，將原理、軟件與工程應用相結(jié)合，提高學生的設(shè)計能力。最后制定了階段性課堂教學計劃，提高學生的理論與實踐能力。

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