新工科和虛擬實(shí)驗(yàn)下汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革＊

安曉東，李亞麗，候軍興，張華陽

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

前言

汽車設(shè)計(jì)課程是車輛工程專業(yè)核心課程之一，包括汽車總體布局設(shè)計(jì)、汽車零部件設(shè)計(jì)和汽車外觀設(shè)計(jì)等三方面內(nèi)容，傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)課程主要講授前兩部分內(nèi)容[1]。車輛工程專業(yè)學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，能夠合理地選擇汽車結(jié)構(gòu)方案、確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特征參數(shù)和評價(jià)參數(shù)等[2]，同時(shí)基于相關(guān)輸入特征參數(shù)和邊界約束條件，進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)校核。然而，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感到汽車設(shè)計(jì)課程抽象且難以理解，從而打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)目的。隨著中國制造2025以及新工科課程建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)四位一體規(guī)劃的提出，針對社會對汽車設(shè)計(jì)課程的實(shí)際需求，相關(guān)學(xué)者不斷對汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行方法創(chuàng)新。王豐元等[3]設(shè)計(jì)了模塊化教學(xué)模式，通過模塊化方式實(shí)現(xiàn)教學(xué)的組織和師資組合，獲得教學(xué)效果的提高。傅楚青等[4]針對汽車設(shè)計(jì)實(shí)踐成本和效率，在高校新能源車輛工程專業(yè)采用虛擬仿真試驗(yàn)軟件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用分析，取得了較好的效果。劉西等[5]結(jié)合汽車設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)和問題，提出了汽車全流程設(shè)計(jì)的內(nèi)容教學(xué)，課外大作業(yè)和研討式教學(xué)的教學(xué)改革措施，在提高教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量方面取得了較好的效果。汽車設(shè)計(jì)課程的部分理論內(nèi)容與汽車構(gòu)造課程和汽車?yán)碚撜n程等存在重疊的特點(diǎn)，張璘等[6]探討了汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)新式教學(xué)理念，相互整合不同專業(yè)課間進(jìn)行講授，使學(xué)生積極性和能力得到提高，解決授課課時(shí)較少的問題。喻厚宇等[7]等針對汽車設(shè)計(jì)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合汽車企業(yè)采用的汽車產(chǎn)品開發(fā)流程，將模擬汽車產(chǎn)品開發(fā)的研討式大作業(yè)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，從而提高學(xué)生對汽車設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣和對理論知識的掌握程度。以上文獻(xiàn)分別從技術(shù)應(yīng)用、成本、知識模塊化、學(xué)生參與及專業(yè)課整合等角度針對汽車設(shè)計(jì)課程進(jìn)行了相關(guān)探索，提高了教學(xué)效果。然而，由于不同高校間車輛工程專業(yè)的師資人員、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和學(xué)生構(gòu)成等情況區(qū)別較大，以上改革方法很難實(shí)現(xiàn)全面推廣。因此，針對汽車設(shè)計(jì)課程的探索還需要不斷進(jìn)一步完善和發(fā)展。

本論文基于科研創(chuàng)新和現(xiàn)階段對車輛工程專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)技能需求，對汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)進(jìn)行模式探索，開展以下內(nèi)容研究：1）汽車設(shè)計(jì)課程目前存在的問題分析；2）新工科對汽車設(shè)計(jì)課程的要求；3）面向產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)的教學(xué)模式改革在汽車設(shè)計(jì)課程中的實(shí)踐和應(yīng)用，提出基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)分析為教學(xué)目標(biāo)的交叉融合培養(yǎng)方案。通過以上研究，最終實(shí)現(xiàn)滿足學(xué)校、車輛企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對汽車設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、方法及學(xué)生基本技能素質(zhì)等要求的融合。

1 新工科下汽車設(shè)計(jì)課程要求

OBE（Outcomes-based Education）理念要求工程類專業(yè)人才的培養(yǎng)以學(xué)生為主體，遵循成果導(dǎo)向，以學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量結(jié)果評價(jià)專業(yè)辦學(xué)水平，以行業(yè)需求確定培養(yǎng)目標(biāo)，以崗位需求確定畢業(yè)要求，以畢業(yè)要求確定實(shí)踐教學(xué)體系的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和綜合素質(zhì)高的各類交叉復(fù)合型卓越工程人才[8]。因此，針對汽車設(shè)計(jì)課程的改革要遵從OBE專業(yè)認(rèn)證理念，從知識、能力、素質(zhì)三個(gè)層次對教學(xué)內(nèi)容、課程目標(biāo)、教學(xué)方法和組織形式等進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，培養(yǎng)學(xué)生具備在汽車設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)和研究開發(fā)的能力。

2 課程目前存在的問題

2.1 課程內(nèi)容涉及面廣且理論性強(qiáng)

汽車設(shè)計(jì)內(nèi)容包括汽車的總體設(shè)計(jì)、離合器設(shè)計(jì)、機(jī)械變速器設(shè)計(jì)、萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)、懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等8個(gè)章節(jié)內(nèi)容。每一章節(jié)內(nèi)容都對應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)分類、結(jié)構(gòu)工作原理以及設(shè)計(jì)和校核計(jì)算方法等，從而造成學(xué)習(xí)內(nèi)容專業(yè)跨度大、理論性、綜合性強(qiáng)和經(jīng)驗(yàn)公式多等特點(diǎn)。

2.2 學(xué)生獲得的技能與社會需求不一致

目前汽車設(shè)計(jì)內(nèi)容仍然以公式計(jì)算和校核為主，且內(nèi)容多年未更新，與現(xiàn)代汽車行業(yè)的飛速發(fā)展矛盾突出。當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)更多是基于三維實(shí)體建模、CAE應(yīng)力應(yīng)變分析、有限元?jiǎng)討B(tài)力學(xué)分析等技術(shù)手段進(jìn)行汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)課程內(nèi)容培養(yǎng)目標(biāo)與社會實(shí)際需求中存在不同步問題。

2.3 考核方式與OBE課程體系要求不符

現(xiàn)階段汽車設(shè)計(jì)教學(xué)方式仍以講授為主，考試方式一般采用試卷考試方式，考核方法單一。另外，學(xué)生考試需要花費(fèi)較多時(shí)間熟記概念和公式，造成培養(yǎng)效果差，并不能體現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)實(shí)際的技能要求。

3 新工科下汽車設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

3.1 理論部分采用多模式相結(jié)合

多媒體教學(xué)技術(shù)可以將文字、圖片和動(dòng)畫融為一體，現(xiàn)場教學(xué)的方法可以使學(xué)生對知識點(diǎn)的理解比較直觀, 更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對汽車設(shè)計(jì)中理論部分的講解，采用現(xiàn)場教學(xué)和多媒體等方式開展，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中認(rèn)識系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)特征、工作原理并對案例進(jìn)行分析等，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐融為一體的教學(xué)過程。

3.2 作業(yè)和知識點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式

由于釘釘、泛雅等在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)形式靈活性強(qiáng)，相對傳統(tǒng)教學(xué)的模式是一種較好的補(bǔ)充，學(xué)生可以隨時(shí)隨地完成作業(yè)提交和復(fù)習(xí)等。另外，針對汽車設(shè)計(jì)的復(fù)習(xí)資料、相關(guān)知識點(diǎn)、視頻資料等相關(guān)文件，老師上課前將其上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(jìn)行預(yù)習(xí)，從而提高上課效果。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核采用虛擬仿真技術(shù)方式

虛擬仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，能夠增強(qiáng)理論教學(xué)的直觀性[9]，正被廣泛應(yīng)用。在車輛初期設(shè)計(jì)過程中，無法通過試驗(yàn)方法提前獲取車輛系統(tǒng)部件準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，并預(yù)測疲勞壽命和疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法往往容易造成過載設(shè)計(jì)或不足設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，福特、沃爾沃、和京汽車等研發(fā)機(jī)構(gòu)，在汽車開發(fā)早期采用虛擬仿真技術(shù)，計(jì)算獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷，指導(dǎo)零部件設(shè)計(jì)開發(fā)，縮短后期試驗(yàn)周期，降低開發(fā)成本。

3.4 合理安排考核方式

學(xué)生的最終成績由理試考試成績、虛擬仿真項(xiàng)目成績和平時(shí)成績等按比例組成，使對學(xué)生的考核評價(jià)更趨于合理化。理論考試主要針對汽車設(shè)計(jì)8個(gè)章節(jié)的理論知識進(jìn)行試卷考試，本部分分值占比30%；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考試主要針對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行上級虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目考試，每個(gè)學(xué)生根據(jù)抽中的仿真項(xiàng)目進(jìn)行三維建模和有限元計(jì)算，并最終給出分析結(jié)果，成績評定按照學(xué)生完成的步驟評分，本部分分值占比40%；平時(shí)成績主要根據(jù)授課老師根據(jù)課程表現(xiàn)和出勤情況，給出每個(gè)學(xué)生的平時(shí)成績，本部分分值占比30%。

4 教學(xué)改革實(shí)施

根據(jù)對汽車設(shè)計(jì)課程改革的設(shè)想，并結(jié)合汽車設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和OBE專業(yè)認(rèn)證要求，對汽車設(shè)計(jì)課程每章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分類，主要分為理論講解部分和設(shè)計(jì)校核計(jì)算等兩部分內(nèi)容，并針對每部分內(nèi)容重點(diǎn)采取對應(yīng)的教學(xué)方式，如圖1所示。

圖1 教學(xué)模式

為了更好地提升學(xué)生對理論知識和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算等技能的掌握程度，針對考核方式進(jìn)行相關(guān)變化，針對理論部分采取試卷考試，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算部分采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，具體如圖2所示。

圖2 考核方式

為了驗(yàn)證以上教學(xué)模式和考核模式變化對教學(xué)效果的影響，選擇鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院2017級車輛工程專業(yè)79名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)改革效果驗(yàn)證，并結(jié)合汽車設(shè)計(jì)實(shí)際的需求進(jìn)行虛擬仿真項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，最終理論考試成績和虛擬仿真考核等效果顯示較好，學(xué)生的積極性較高。

5 結(jié)論

結(jié)合新工科的要求對汽車設(shè)計(jì)課程進(jìn)行教學(xué)改革，獲得了以下結(jié)論：1）課程的設(shè)計(jì)符合OBE新工科的要求；2）基于產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模式探索是對產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)較好的一次嘗試，學(xué)生展現(xiàn)了較高的興趣，獲得的汽車設(shè)計(jì)方面技能符合社會實(shí)際需求。