面向“新四化”的車輛工程專業(yè)課程體系改進(jìn)初探*

黃登峰 閆曉磊 花海燕 張慶永 鐘 勇

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

1 概述

隨著“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”“互聯(lián)網(wǎng)+”等國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，并催發(fā)了許多新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。為保持和提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，構(gòu)筑工程人才創(chuàng)新培養(yǎng)的高等教育體系，2017年以來(lái)，教育部不斷推進(jìn)新工科建設(shè)，圍繞“讓工程教育回歸工程本質(zhì)”“創(chuàng)新與共享”和“交叉與融合”等理念，逐漸形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”與“北京指南”[2]。

近年來(lái)，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，引領(lǐng)新興信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的深度融合[3]。國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)展迅速，特別是汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化的趨勢(shì)明顯，對(duì)車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高要求，特別在“新工科”背景下，要求高校車輛工程專業(yè)立足本專業(yè)，通過(guò)車輛工程、電子科學(xué)與技術(shù)、控制工程、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等專業(yè)的學(xué)科交叉，面向新時(shí)代汽車產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才。相應(yīng)的，如何面向新能源汽車、工程機(jī)械、專用車等福建優(yōu)勢(shì)行業(yè)開(kāi)展“新工科”建設(shè)，建立產(chǎn)業(yè)與高校之間的基于信息融通、資源共享的協(xié)同育人與創(chuàng)新體系，為福建省汽車產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)更多符合“新工科”建設(shè)要求的綜合型應(yīng)用技術(shù)人才，是一個(gè)值得研究與探討的問(wèn)題。

傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)的課程體系由公共基礎(chǔ)課、學(xué)科與專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課及實(shí)踐性教學(xué)四個(gè)部分組成。其中公共基礎(chǔ)課包括國(guó)家必修公共課以及校本公共基礎(chǔ)必修課。學(xué)科與專業(yè)基礎(chǔ)課涵蓋理論力學(xué)、材料力學(xué)、電子技術(shù)、電工學(xué)、工程材料等工程基礎(chǔ)課程以及機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、控制工程基礎(chǔ)等機(jī)械基礎(chǔ)課程。專業(yè)課則涵蓋汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、汽車設(shè)計(jì)、汽車電子、汽車試驗(yàn)學(xué)等課程[4]。實(shí)踐性教學(xué)涵蓋課程設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車輛工程專業(yè)課教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容大多數(shù)以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車為主要對(duì)象，而新能源+智能網(wǎng)聯(lián)汽車已是大勢(shì)所趨，傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)課程體系已經(jīng)無(wú)法滿足汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”對(duì)人才知識(shí)、能力和素質(zhì)的要求，必須做出調(diào)整和改變，以適應(yīng)新時(shí)代本科教育的要求。

2 “電動(dòng)化”背景下的課程體系改進(jìn)

新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)到汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，而電動(dòng)汽車是新能源汽車最重要的發(fā)展方向，電池、電機(jī)、電控是汽車電動(dòng)化三大核心技術(shù)，有必要開(kāi)設(shè)若干門課程。以完善學(xué)生在汽車電動(dòng)化方面的知識(shí)結(jié)構(gòu)[5]。

為此，在課程體系中設(shè)置專業(yè)必修課程——電動(dòng)汽車，其目的是讓學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)，掌握國(guó)內(nèi)外新能源汽車最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及其設(shè)計(jì)方法。課程主要介紹儲(chǔ)能元件、驅(qū)動(dòng)部件的類型、原理與特性，混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車及燃料電池汽車的組成及結(jié)構(gòu)；新能源汽車相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解動(dòng)力電池的基本原理與結(jié)構(gòu)、工作特性及電池管理系統(tǒng)的功能，了解驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理與驅(qū)動(dòng)特性，掌握電動(dòng)汽車基本組成、結(jié)構(gòu)及行駛性能的基本計(jì)算方法，能夠認(rèn)識(shí)到汽車行業(yè)的快速發(fā)展并樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。課程目標(biāo)是通過(guò)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，了解并進(jìn)一步掌握各類電動(dòng)汽車整車及其動(dòng)力總成匹配設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，能夠完成簡(jiǎn)化的電動(dòng)汽車的相關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)。因電動(dòng)汽車這門課涉及交叉學(xué)科，理論性較強(qiáng)。因此，在該課程的教學(xué)中，著重培養(yǎng)學(xué)生自助學(xué)習(xí)模式，補(bǔ)齊自身短板，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自學(xué)、搜索和查閱相關(guān)資料、集體討論來(lái)解決，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的把握。

電動(dòng)汽車課程還設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)及燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)、純電動(dòng)汽車綜合實(shí)訓(xùn)及電池管理系統(tǒng)(BMS)實(shí)訓(xùn)。混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)及燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容是通過(guò)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)及燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)架，完成混合動(dòng)力電動(dòng)汽車及燃料電池汽車的工作演示；設(shè)置混合動(dòng)力電動(dòng)汽車常見(jiàn)故障，通過(guò)故障顯示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行故障分析、檢測(cè)診斷實(shí)訓(xùn)。純電動(dòng)汽車綜合實(shí)訓(xùn)及電池管理系統(tǒng)(BMS)實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容是通過(guò)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)架，完成純電動(dòng)汽車的工作演示；設(shè)置常見(jiàn)故障，采用故障顯示的方式，引導(dǎo)學(xué)生完成故障分析、檢測(cè)和診斷訓(xùn)練；通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)架，完成BMS系統(tǒng)單體電池電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電流檢測(cè)、SOC估算等功能，設(shè)置常見(jiàn)故障并會(huì)讀取數(shù)據(jù)流。通過(guò)這兩項(xiàng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在課堂教學(xué)所獲得的理性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，建立更易記憶和掌握的感性認(rèn)知基礎(chǔ)，鞏固和加強(qiáng)學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及不同類型的電動(dòng)汽車的掌握。

另外，依托福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室省級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)的軟硬件資源，在課程體系中設(shè)置專業(yè)方向選修課程——汽車電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其目的是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解汽車電機(jī)的基本知識(shí)；熟悉汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)分析，參數(shù)設(shè)計(jì)與評(píng)估，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用方式、類型、特點(diǎn)及一般控制方法。通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解電機(jī)的基本概念和分類及其在汽車中的應(yīng)用、直流電機(jī)的工作原理、建模與控制；了解電驅(qū)動(dòng)相關(guān)電力電子技術(shù)及PWM技術(shù)；掌握交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、分類，永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)、特性及控制原理；了解車用電機(jī)測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)。課程設(shè)計(jì)了基于三相ARM微控制器PWM波的實(shí)現(xiàn)、基于Matlab的SPWM 三相橋式逆變電路仿真兩個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)?；谌郃RM微控制器PWM波的實(shí)現(xiàn)要求學(xué)生利用ARM C語(yǔ)言編制程序，產(chǎn)生頻率可變的三相間隔120°的PWM波形。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中深刻了解PWM 是如何實(shí)現(xiàn)的，并加深對(duì)PWM在直流調(diào)制中應(yīng)用的理解?；贛atlab的SPWM 三相橋式逆變電路仿真主要研究逆變電路的輸入輸出及其特性，以及一些參數(shù)的選擇設(shè)置方法。要求學(xué)生學(xué)會(huì)使用Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink進(jìn)行仿真的基本操作方法，對(duì)逆變器和三相逆變電路的六階梯波調(diào)制、三相逆變電路的PWM、電壓空間矢量原理、電壓空間矢量PWM原理加深理解。

通過(guò)設(shè)置電動(dòng)汽車這門專業(yè)必修課程、汽車電驅(qū)動(dòng)技術(shù)這門專業(yè)方向選修課，使學(xué)生具備電池種類及原理、電池成組技術(shù)、BMS技術(shù)等電池技術(shù)，電機(jī)原理與結(jié)構(gòu)等電機(jī)技術(shù)，電力電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、控制算法設(shè)計(jì)等電控技術(shù)這“三電”核心技術(shù)的知識(shí)體系和能力素質(zhì)，滿足汽車“電動(dòng)化”背景下對(duì)人才的需求。

3 “智能網(wǎng)聯(lián)化”背景下的課程體系改進(jìn)

隨著自動(dòng)駕駛和車聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢(shì)已不可避免。近幾年來(lái)，各大汽車廠家和IT科技巨頭紛紛在智能網(wǎng)聯(lián)汽車這一領(lǐng)域布局，推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的不斷變革，也對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的更高的要求[6]。

為此，在課程體系中設(shè)置智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論這一專業(yè)必修課程，其目的是讓學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)，掌握汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的主要關(guān)鍵技術(shù)。在汽車智能化方面，課程主要介紹智能汽車三大功能架構(gòu)：環(huán)境傳感與感知模塊、智能決策規(guī)劃模塊和智能集成控制模塊。其中環(huán)境傳感與感知模塊主要包括視覺(jué)傳感器、激光、毫米波、超聲波雷達(dá)、紅外線傳感器等自動(dòng)駕駛硬件；智能決策規(guī)劃模塊包括宏觀路徑規(guī)劃、中觀駕駛行為決策、微觀軌跡規(guī)劃等三級(jí)決策規(guī)劃系統(tǒng)；智能集成控制模塊包括車輛縱向控制和橫向控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛油門、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等車輛執(zhí)行系統(tǒng)的有效控制。在汽車網(wǎng)聯(lián)化方面，課程主要介紹車聯(lián)網(wǎng)的信息交互關(guān)鍵技術(shù)，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入和傳輸控制的移動(dòng)信息網(wǎng)聯(lián)通信模塊，如V2V(車-車)、V2I(車-基礎(chǔ)設(shè)施)、V2P(車-行人)等互聯(lián)通信方式；云平臺(tái)與大數(shù)據(jù)技術(shù)；信息安全技術(shù)；基礎(chǔ)支撐技術(shù)包括高精度地圖和GPS(全球定位系統(tǒng))及BDS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng))高精度定位等。課程目標(biāo)是通過(guò)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，學(xué)生能夠掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車的基本原理，熟悉自動(dòng)駕駛的技術(shù)體系，熟悉智能網(wǎng)聯(lián)汽車主流的傳感器工作原理及信號(hào)處理方案，熟悉典型的全局和局部路徑規(guī)劃方法，熟悉車輛縱向控制和橫向控制的方法；熟悉車聯(lián)網(wǎng)中V2X無(wú)線通信和信息交互關(guān)鍵技術(shù)。

另外，為車輛工程專業(yè)開(kāi)設(shè)ARM微控制器編程與實(shí)踐這一專業(yè)方向選修課程，它是從事汽車電子相關(guān)開(kāi)發(fā)工作和研究的重要基礎(chǔ)和工具。其目的是讓學(xué)生掌握汽車電子系統(tǒng)中新型ARM微控制器的基本理論、分析與設(shè)計(jì)方法。這門課主要圍繞ARM Cortex M微控制器學(xué)習(xí)軟硬件知識(shí)，要求學(xué)生能夠利用所學(xué)的C語(yǔ)言進(jìn)行ARM微控制器基本接口與外設(shè)、存儲(chǔ)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。要求了解包括汽車自動(dòng)記憶、人機(jī)交互，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)時(shí)響應(yīng)實(shí)例，并能夠在RTOS上利用ARM控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的車輛車門閉合檢測(cè)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，能夠讀懂基于已有的數(shù)字控制單元硬件系統(tǒng)，編寫(xiě)一般控制程序，并完成系統(tǒng)調(diào)試；能夠獨(dú)立完成相關(guān)的軟硬件實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)利用微控制器實(shí)現(xiàn)汽車電子的簡(jiǎn)單方案，如基于存儲(chǔ)的汽車自動(dòng)記憶功能、基于液晶顯示的人機(jī)交互、基于看門狗的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，以及基于RTOS上的車輛車門閉合檢測(cè)等。

通過(guò)設(shè)置智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論、ARM微控制器編程與實(shí)踐課，再加上原有的汽車電子等課程，使學(xué)生熟悉和掌握激光雷達(dá)技術(shù)、攝像頭技術(shù)、毫米波雷達(dá)技術(shù)等汽車智能化傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、車輛控制等智能化計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)，無(wú)線通訊技術(shù)等汽車網(wǎng)聯(lián)化通訊技術(shù)，具備智能網(wǎng)聯(lián)汽車的知識(shí)結(jié)構(gòu)，基本滿足汽車“智能化”“網(wǎng)聯(lián)化”對(duì)人才的需求。

4 “共享化”背景下的課程體系改進(jìn)

我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近20年的高速發(fā)展，居民私家車保有量不斷增長(zhǎng)，但隨之而來(lái)的交通堵塞、事故頻發(fā)、能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題日益顯著。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際中一般私家車的空閑率達(dá)90%以上，造成了大量資源空置和浪費(fèi)。近幾年來(lái)，隨著共享經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，“共享汽車”已逐漸進(jìn)入尋常百姓的日常生活，給人們帶來(lái)了方便快捷的出行體驗(yàn)，并在市場(chǎng)上引起了強(qiáng)烈反響。與傳統(tǒng)的私家車、公共汽車、出租車等汽車使用模式不同，汽車的共享化是指采用GIS(地理信息系統(tǒng))、GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))、移動(dòng)通信技術(shù)、視頻監(jiān)控等技術(shù)完成車輛高精度定位、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)車輛的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同指揮、實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化。作為車輛工程專業(yè)的大學(xué)生，有必要熟悉共享汽車，了解共享汽車的運(yùn)營(yíng)模式及其關(guān)鍵技術(shù)。

由于共享汽車在不斷快速發(fā)展，對(duì)其研究還不甚完善，因此尚沒(méi)有成熟的共享汽車課程可直接嵌入現(xiàn)有的車輛工程課程體系，但共享汽車的課程內(nèi)容應(yīng)包括：共享汽車信息平臺(tái)，包括用戶身份認(rèn)證、信息匹配及安全技術(shù)等；共享汽車監(jiān)控系統(tǒng)，包括車輛及道路信息收集，交警管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)控等；共享汽車配套保障，包括保險(xiǎn)及保養(yǎng)維護(hù)等；分時(shí)租賃系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)，包括運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)及應(yīng)用案例。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解和熟悉虛擬化技術(shù)、分布式存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等云計(jì)算技術(shù)，全局路徑規(guī)劃、最優(yōu)化理論等調(diào)度優(yōu)化技術(shù)，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、計(jì)算框架、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等大數(shù)據(jù)技術(shù)，數(shù)學(xué)建模、社會(huì)激勵(lì)調(diào)度、出行引導(dǎo)等運(yùn)營(yíng)模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

伴隨“自動(dòng)駕駛”“共享汽車”等概念的深入人心和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展，汽車“電動(dòng)化”“智能化”“網(wǎng)聯(lián)化”和“共享化”已是大勢(shì)所趨。地方本科院校應(yīng)該響應(yīng)教育部建設(shè)“新工科”的號(hào)召，適應(yīng)汽車“新四化”的需求，積極推進(jìn)車輛工程專業(yè)課程體系改進(jìn)，提升人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力素質(zhì)，為所在區(qū)域汽車經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)合格的新型應(yīng)用型工程科技人才。