車輛工程控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)課程教學(xué)研究

摘 要：針對車輛工程領(lǐng)域汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析了當(dāng)前“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程教學(xué)實(shí)踐中所存在的問題。基于課程定位目標(biāo)，對原課程內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。提出了一種基于項(xiàng)目案例任務(wù)驅(qū)動的“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)方法。采用新的課程教改方案對學(xué)生進(jìn)行了對比實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐表明，提出的教學(xué)方法能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，明顯改善課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：車輛工程；控制系統(tǒng)；仿真技術(shù)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-2589（2015）23-0142-02

由于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用發(fā)展十分迅速[1]，車載控制系統(tǒng)已成為車輛工程學(xué)科里一個重要的研究方向?，F(xiàn)代汽車的電控系統(tǒng)數(shù)量一般為幾十個，而高檔汽車已高達(dá)上百個，電控系統(tǒng)控制器的開發(fā)對控制系統(tǒng)理論在具體工程中的應(yīng)用提出了很高的要求。在車輛工程專業(yè)教學(xué)中，“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程作為本科生的培養(yǎng)內(nèi)容極為必要[2]。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路和方法，培養(yǎng)學(xué)生成為具有分析問題和解決問題能力的創(chuàng)新性人才。本文以安徽工程大學(xué)車輛工程專業(yè)“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程改革為例，介紹教學(xué)改革實(shí)踐中的一些體會和有益經(jīng)驗(yàn)，與同行分享。

一、課程分析

1.課程現(xiàn)狀分析

“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”作為車輛工程學(xué)科一門專業(yè)選修課，是學(xué)生走向科研院所或汽車企業(yè)應(yīng)該掌握的一門課程，安排在第三學(xué)年的第二學(xué)期，總學(xué)時為32學(xué)時。本課程僅安排4個學(xué)時的實(shí)驗(yàn)，其中控制系統(tǒng)的MATLAB建模和SIMULINK仿真分別為2個學(xué)時?！翱刂葡到y(tǒng)與仿真技術(shù)”原屬于自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)以理論講解為主，側(cè)重于數(shù)理公式的推導(dǎo)。這種教學(xué)無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，不利于學(xué)生理解控制系統(tǒng)的理論本質(zhì)，對于MATLAB軟件的一些函數(shù)和命令，學(xué)生只能依靠死記硬背，降低了學(xué)習(xí)的積極性，影響教學(xué)效果。

“理論力學(xué)”和“控制工程基礎(chǔ)”等作為前續(xù)課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”時已掌握了一定的理論知識，但這些知識點(diǎn)對學(xué)生來說是相互孤立的，缺乏對知識體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性認(rèn)識，對具體的理論應(yīng)用不知所措?！翱刂葡到y(tǒng)與仿真技術(shù)”教學(xué)中對理論過多的講解也會造成教授內(nèi)容的重復(fù)，降低了講課效率，不能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。教學(xué)方法采用單一的任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，在任務(wù)訓(xùn)練的后期，任務(wù)小組內(nèi)部容易出現(xiàn)少數(shù)學(xué)生具有依賴思想，導(dǎo)致抄襲現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。具體任務(wù)主要為傳統(tǒng)控制理論的數(shù)字仿真分析，對汽車各種電控系統(tǒng)的工程背景基本沒有涉及，這不利于學(xué)生了解本領(lǐng)域的科技進(jìn)展，任務(wù)訓(xùn)練難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用MATLAB解決實(shí)際工程問題。

2.課程定位目標(biāo)

安徽工程大學(xué)車輛工程專業(yè)為安徽省首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”建設(shè)專業(yè)，“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才[3]。在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”引導(dǎo)下，車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)定為：培養(yǎng)德智體全面發(fā)展、基礎(chǔ)扎實(shí)、誠信實(shí)干、綜合素質(zhì)高、實(shí)踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新精神，從事車輛及其零部件設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)研究以及車輛經(jīng)營管理等領(lǐng)域的高級應(yīng)用型專門人才。上述培養(yǎng)目標(biāo)迫使我們必須改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，積極探索富有活力、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的新型課堂教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力。

在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定了車輛工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，對專業(yè)課程進(jìn)行了調(diào)整，新開設(shè)了“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程。由于車輛工程專業(yè)學(xué)科交叉明顯，機(jī)械、電子、液壓、控制等課程均有涉及，“控制系統(tǒng)與仿真設(shè)計(jì)”課程在整個培養(yǎng)體系中的定位如圖1所示。由圖1可知，在培養(yǎng)體系中，汽車的各種電子控制系統(tǒng)，如電控燃油噴射系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)、電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、電控懸架系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、電控自動變速器和防抱死制動系統(tǒng)等為具體的工程應(yīng)用。汽車系統(tǒng)動力學(xué)、汽車設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車電子、傳感器技術(shù)和控制工程基礎(chǔ)等為基礎(chǔ)理論課程?！翱刂葡到y(tǒng)與仿真技術(shù)”課程作為基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的橋梁，在整個培養(yǎng)體系中具有重要意義。

二、課程教學(xué)改革措施

1.課程內(nèi)容優(yōu)化

根據(jù)“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程的培養(yǎng)目標(biāo)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，將教學(xué)內(nèi)容劃分為理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩部分。理論教學(xué)部分主要完成基本知識點(diǎn)的講解，以汽車中涉及的動力學(xué)系統(tǒng)為分析對象，以汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為設(shè)計(jì)案例，突出課程特色。實(shí)踐教學(xué)是課程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，在內(nèi)容設(shè)置上力求做到理論聯(lián)系實(shí)際，重視工程概念在實(shí)際問題中的應(yīng)用，提高學(xué)生的工程意識和工程實(shí)踐能力。

“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”教材目前主要側(cè)重于MATLAB介紹和控制理論的數(shù)字仿真等內(nèi)容，系統(tǒng)地以車輛為研究對象講解如何設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的教學(xué)案例非常少，適合于車輛工程專業(yè)學(xué)生及工程技術(shù)人員閱讀的教材不多。在本次教學(xué)改革實(shí)踐中，增加了汽車中相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以車輛工程專業(yè)教師的科研成果為基礎(chǔ)，編排了適合車輛工程專業(yè)學(xué)生閱讀的教材，其中以汽車電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速控制以及自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)為主要教學(xué)案例，在后續(xù)教學(xué)中繼續(xù)增加相應(yīng)的內(nèi)容。在教材內(nèi)容修訂上，應(yīng)盡量避免與其他相關(guān)課程知識點(diǎn)的重合。

設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目時需遵循三個原則：融合相關(guān)教學(xué)內(nèi)容涉及的知識點(diǎn)，并充分覆蓋教學(xué)內(nèi)容；緊跟汽車技術(shù)的發(fā)展方向，應(yīng)具有較強(qiáng)的時效性；實(shí)施過程中所遇到的問題難度適中，易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。工程項(xiàng)目分解成實(shí)際案例需要與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，案例在功能上具有一定的完備性，且各案例之間保持一定的漸進(jìn)性，逐步引導(dǎo)學(xué)生，避免產(chǎn)生抵觸情緒。實(shí)際案例的篩選應(yīng)以較為成熟的控制系統(tǒng)或具有代表性的控制方法為案例。實(shí)際案例討論與分析完畢后，根據(jù)學(xué)生反饋的學(xué)習(xí)效果，指導(dǎo)學(xué)生將實(shí)際案例歸納綜合成相應(yīng)的具體任務(wù)，將具體任務(wù)進(jìn)一步分解，讓每個小組成員都承擔(dān)一定的具體任務(wù)。

2.教學(xué)方法設(shè)計(jì)

案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，融合相關(guān)知識點(diǎn)于實(shí)際案例中。案例中設(shè)置的問題為一種兩難問題，沒有某一特定的解決方案[4]。教師在教學(xué)中作為設(shè)計(jì)者和激勵者的角色，積極引導(dǎo)學(xué)生解決問題，培養(yǎng)學(xué)生主動分析和解決問題的能力。項(xiàng)目教學(xué)法是以項(xiàng)目為主線、學(xué)生為主體、教學(xué)為主導(dǎo)的教學(xué)方法。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下負(fù)責(zé)信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的實(shí)施。項(xiàng)目需要小組成員的通力合作完成，這有利于增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。而任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是以解決問題、完成任務(wù)為主的多維互動式的教學(xué)方法。學(xué)生結(jié)合自己的具體任務(wù)模塊，構(gòu)建知識體系，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

由上述三種教學(xué)方法的分析可知，三種方法在發(fā)揮學(xué)生主觀能動性和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力等方面各有所側(cè)重點(diǎn)[5]。在當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中，上述三種教學(xué)方法取得了良好的教學(xué)效果，但基本上以一種教學(xué)方法為主，過分依賴教學(xué)方法中所設(shè)計(jì)的單一項(xiàng)目、案例或任務(wù)，影響了教學(xué)效果。為此，建立了一種基于項(xiàng)目案例任務(wù)驅(qū)動的“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)方法，其教學(xué)過程如圖2所示。由圖2可知，該教學(xué)方法結(jié)合“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程，融合三種教學(xué)方法為一體，以工程項(xiàng)目為主導(dǎo)、實(shí)際案例為引導(dǎo)，用具體任務(wù)驅(qū)動學(xué)生構(gòu)建車輛工程學(xué)科的知識體系結(jié)構(gòu)。

三、課程教學(xué)改革實(shí)踐

1.課程教學(xué)實(shí)施

“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程具有明顯的實(shí)踐性和綜合性的特點(diǎn)，特別注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)，因此課程安排理論教學(xué)20學(xué)時，實(shí)踐教學(xué)12學(xué)時。整個課程安排在第8周至第15周，授課在每周的星期二和星期四進(jìn)行，每次連續(xù)兩個課時。實(shí)踐教學(xué)安排3個工程項(xiàng)目，分別安排在第10周、12周和14周。理論教學(xué)安排在第8周、9周、11周、13周和15周，授課期間加入實(shí)際案例討論，周四課后安排具體任務(wù)。

教師在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)上，突出工程背景，結(jié)合自己的相關(guān)科研成果，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性和綜合性。本課程的工程項(xiàng)目應(yīng)用MATLAB軟件開展訓(xùn)練，MATLAB是仿真軟件中易學(xué)、功能強(qiáng)大的一款，成為“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程項(xiàng)目訓(xùn)練的首選工具。為加深學(xué)生對控制系統(tǒng)、仿真技術(shù)的概念，本課程通過讓學(xué)生參觀相關(guān)的汽車電控系統(tǒng)，如電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)平臺、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)模擬器等。在教學(xué)手段上，合理使用多媒體課件講課，為了加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，還可以穿插些圖片、幻燈片等。在教學(xué)過程中，注重課外創(chuàng)新活動與課堂實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，鼓勵學(xué)生積極參加一些控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)類的項(xiàng)目和競賽[6]，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目和飛思卡爾智能汽車競賽等。

2.課程教學(xué)效果

采用文獻(xiàn)[7]中的教學(xué)效果綜合評價模型對教改的教學(xué)效果進(jìn)行實(shí)證研究。評價指標(biāo)為個人興趣K1、職業(yè)發(fā)展K2、能力培養(yǎng)K3、教學(xué)效率K4、學(xué)習(xí)方法K5、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)K6和適應(yīng)能力K7。個人興趣為教學(xué)方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、求知欲，調(diào)動學(xué)生積極性的評價。職業(yè)發(fā)展為教學(xué)方法對增進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作與溝通，對學(xué)生職業(yè)發(fā)展的導(dǎo)向性及學(xué)生是否提出新觀點(diǎn)的評價。能力培養(yǎng)為教學(xué)方法對培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題，以及創(chuàng)造能力的評價。教學(xué)效率為學(xué)生掌握相關(guān)專業(yè)知識和考核指標(biāo)的科學(xué)性與合理性的評價。學(xué)習(xí)方法為學(xué)生在課堂上對“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程學(xué)習(xí)方法的掌握程度的評價。行業(yè)經(jīng)驗(yàn)為教學(xué)方法對學(xué)生獲得實(shí)務(wù)與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的評價。適應(yīng)能力為教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生滿足社會人才需求適合程度的評價。教學(xué)效果綜合評價模型中評價指標(biāo)的權(quán)重表如表1所示。

傳統(tǒng)教學(xué)和實(shí)施教改后的教學(xué)效果評價指標(biāo)如圖3所示。由圖3可知，7個評價指標(biāo)在實(shí)施教改后均有不同程度的提高，其中行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提高最快，增幅為21.7%。綜合評價值由2.4662提高為2.8994，這說明教改的實(shí)施提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，激發(fā)了創(chuàng)新意識，調(diào)動了學(xué)生獲取知識的積極性和主動性，從而為學(xué)生撰寫畢業(yè)論文以及畢業(yè)后走上工作崗位運(yùn)用仿真技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、結(jié)論

首先對車輛工程專業(yè)“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，分析表明傳統(tǒng)教學(xué)方法無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，不利于學(xué)生理解控制系統(tǒng)的理論本質(zhì)，降低了學(xué)習(xí)的積極性，影響教學(xué)效果。在“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”引導(dǎo)下，建立了一種基于項(xiàng)目案例任務(wù)驅(qū)動的“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程實(shí)踐教學(xué)方法，該教學(xué)方法結(jié)合“控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)”課程，融合三種教學(xué)方法為一體，以工程項(xiàng)目為主導(dǎo)、實(shí)際案例為引導(dǎo)，用具體任務(wù)驅(qū)動學(xué)生構(gòu)建車輛工程學(xué)科的知識體系結(jié)構(gòu)。采用新的課程教改方案對學(xué)生進(jìn)行了對比實(shí)踐教學(xué)，并利用教學(xué)效果綜合評價模型對教學(xué)效果進(jìn)行了綜合評價。評價結(jié)果表明，提出的教學(xué)方法能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，明顯改善課堂教學(xué)效果。

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