ADAMS在“汽車(chē)概論”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

王 佐 柳美玲 郭家偉 韓飛坡

（馬鞍山學(xué)院 大阪醫(yī)工學(xué)院，馬鞍山 243100）

1 汽車(chē)類(lèi)課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和勞動(dòng)力成本的提高，中國(guó)作為世界工廠(chǎng)的地位發(fā)生變化。只有靠技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，我國(guó)才能從制造大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國(guó)。2009年之后，我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量均超越日本和歐美等國(guó)家，躍居世界首位。我國(guó)的汽車(chē)整車(chē)和零部件企業(yè)只有靠技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，形成世界一流的技術(shù)研發(fā)體系和技術(shù)原創(chuàng)能力，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。隨著汽車(chē)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)支柱，了解并掌握汽車(chē)相關(guān)構(gòu)造知識(shí)成為當(dāng)代大學(xué)生必須擁有的技能[1-2]。目前，很多公辦及民辦高等院校的非汽車(chē)專(zhuān)業(yè)開(kāi)始相繼開(kāi)設(shè)“汽車(chē)概論”課程?！捌?chē)概論”作為一門(mén)非汽車(chē)專(zhuān)業(yè)類(lèi)必修選修課，主要講授汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和通過(guò)性等汽車(chē)性能的概念、建模、評(píng)價(jià)和計(jì)算方法。該課程的學(xué)習(xí)不僅有利于拓展學(xué)生視野，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)能力，還有利于提高學(xué)生的擇業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，汽車(chē)類(lèi)選修課程涉及的相關(guān)機(jī)械原理與設(shè)計(jì)、力學(xué)、控制理論及傳感器等學(xué)科知識(shí)，也為今后專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。

2 傳統(tǒng)“汽車(chē)概論”教學(xué)模式

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和高等教育大眾化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，民辦本科教育順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流迅速發(fā)展壯大。截至2019年6月，全國(guó)共有高等本科學(xué)校共計(jì)2 688所，其中普通民辦高等學(xué)校有773所，占比超3成。民辦本科教育最初僅作為公立高等教育的有益補(bǔ)充，如今已經(jīng)成為我國(guó)高等教育的重要組成部分，極大地滿(mǎn)足了青少年上大學(xué)的愿望，深刻改變了我國(guó)高等教育集中在大城市的結(jié)構(gòu)布局，在我國(guó)高等教育邁向普及化的進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，隨著民辦本科院校的不斷加大投入，它的整體辦學(xué)條件迎來(lái)了一輪大建設(shè)、大發(fā)展、大提高，但仍面臨經(jīng)費(fèi)總量不足、渠道來(lái)源單一、設(shè)施設(shè)備不足等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，集中反映在教學(xué)模式上[3-6]。

以“汽車(chē)概論”在民辦本科院校教學(xué)為例，民辦本科高校教學(xué)經(jīng)費(fèi)有限，很難提供汽車(chē)模型來(lái)驗(yàn)證課程講授中所涉及的相關(guān)汽車(chē)構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)原理，因此學(xué)生只能通過(guò)課堂講授及教材來(lái)理解汽車(chē)原理、構(gòu)造及性能等知識(shí)點(diǎn)，很難形成直觀的感受。此外，“汽車(chē)概論”課程中還存在大量物理模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解以及機(jī)構(gòu)原理解析等抽象理論，造成部分學(xué)生感覺(jué)內(nèi)容空泛，學(xué)習(xí)空洞、知識(shí)點(diǎn)抽象，久而久之學(xué)習(xí)效率低下，甚至產(chǎn)生抵觸情緒。

鑒于上民本本科院校在“汽車(chē)概論”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，授課教師應(yīng)積極思考如何將新技術(shù)恰到好處地應(yīng)用在汽車(chē)概論課堂教學(xué)中，從而提高教學(xué)質(zhì)量。為此，參考一些學(xué)者的相關(guān)研究[7-9]，結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐探索出的不同的教學(xué)方法，在“汽車(chē)概論”課程教學(xué)中引入機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）仿真軟件，對(duì)該課程中所涉及的機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)畫(huà)模擬等。采用這種直觀化的教學(xué)方法來(lái)提高學(xué)生興趣，將晦澀難懂的理論知識(shí)以可視化的方式呈現(xiàn)給非汽車(chē)專(zhuān)業(yè)類(lèi)學(xué)生。

3 “汽車(chē)概論”教學(xué)模式改進(jìn)

3.1 ADAMS仿真軟件簡(jiǎn)介

ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，是美國(guó)MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS是一款集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)仿真軟件[5]，使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)集合模型。它的求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線(xiàn)。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。運(yùn)用ADAMS軟件可以建立復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)模型，真實(shí)仿真其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)提供的虛擬試驗(yàn)和測(cè)試，迅速分析和比較多種參數(shù)方案，幫助設(shè)計(jì)者找尋設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出改進(jìn)措施，優(yōu)化工作性能。ADAMS仿真軟件在機(jī)械制造、汽車(chē)交通、航空航天、鐵道、兵器以及石油化工等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其中ADAMS/Car車(chē)輛模塊可以創(chuàng)建汽車(chē)懸吊系統(tǒng)、整車(chē)裝配，直觀地向用戶(hù)展示了汽車(chē)模塊的仿真與設(shè)計(jì)[10-14]。

在“汽車(chē)概論”課程講授中運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)汽車(chē)原理及構(gòu)造等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行建模仿真，可以使抽象的內(nèi)容圖像化和清晰化、運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析簡(jiǎn)潔化、力學(xué)性能影響直觀化，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣性，有利于鞏固知識(shí)點(diǎn)掌握的牢靠性，活躍課堂教學(xué)氛圍，提升教學(xué)成果，使教學(xué)過(guò)程更具開(kāi)放性和互動(dòng)性，真正做到理論知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合。

3.2 ADAMS仿真軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

以“汽車(chē)概論”課程教學(xué)中的汽車(chē)懸吊系統(tǒng)為例，分析對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式與ADAMS仿真軟件在課堂中的應(yīng)用教學(xué)模式。

3.1.2 傳統(tǒng)的教學(xué)模式

傳統(tǒng)“汽車(chē)概論”課程中懸吊系統(tǒng)教學(xué)首先講授懸架的作用，其次向?qū)W生傳授懸架系統(tǒng)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)圖片及視頻向?qū)W生展示懸吊系統(tǒng)工作過(guò)程。這種傳統(tǒng)的抽象教學(xué)模式很難讓學(xué)生深刻理解懸吊系統(tǒng)的基本組成和不同路面工況下懸吊系統(tǒng)如何緩沖吸收振動(dòng)，造成學(xué)生理解困難、缺乏興趣，很難深入探究汽車(chē)懸吊系統(tǒng)在其他學(xué)科中的應(yīng)用，不能做到學(xué)以致用。

3.2.2 改進(jìn)的教學(xué)模式

在講解完汽車(chē)懸吊系統(tǒng)基本概念后，引入ADAMS仿真軟件。首先，利用ADAMS仿真軟件創(chuàng)建如圖1所示的懸吊系統(tǒng)物理模型。創(chuàng)建過(guò)程中向?qū)W生直觀展示懸吊系統(tǒng)的基本組成構(gòu)件和如何裝配。

圖1 懸吊系統(tǒng)物理模型

其次，通過(guò)建立的物理模型講解懸吊系統(tǒng)是如何完成工作的。為了使學(xué)生更加充分地理解懸吊系統(tǒng)工作原理及其在汽車(chē)行駛過(guò)程所起的作用，在建立汽車(chē)懸吊系統(tǒng)物理模型中輸入車(chē)輛參數(shù)并設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)回放功能向?qū)W生展示懸吊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，同時(shí)在后處理模塊創(chuàng)建平行輪軌跡曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 平行輪軌跡曲線(xiàn)

最后，創(chuàng)建工況，分析不同工況下汽車(chē)懸吊系統(tǒng)如何進(jìn)行緩沖吸振。第一步進(jìn)行推力參數(shù)設(shè)置，第二步設(shè)置仿真參數(shù)，第三步選擇回放，單擊動(dòng)畫(huà)控制并開(kāi)始仿真。仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，輸出轉(zhuǎn)向輪扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向輪扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)

還可以根據(jù)學(xué)生知識(shí)掌握情況，向?qū)W生傳授修改懸吊系統(tǒng)物理模型參數(shù)，分析對(duì)其緩沖吸振功能的影響和彈性體對(duì)懸吊系統(tǒng)及整車(chē)裝配的影響。

3.2.3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

為了對(duì)比分析傳統(tǒng)教學(xué)與改進(jìn)后的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了問(wèn)卷調(diào)查[15]，根據(jù)“汽車(chē)概論”課程實(shí)際授課情況，從案例設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施效果兩個(gè)方面的18個(gè)問(wèn)題出發(fā)，將每個(gè)方面進(jìn)行細(xì)化，通過(guò)五級(jí)量表評(píng)價(jià)形式來(lái)評(píng)判兩種教學(xué)模式效果。調(diào)查問(wèn)卷表如表1所示。

表1 教學(xué)效果評(píng)價(jià)調(diào)查問(wèn)卷

本次調(diào)查選取近4年學(xué)習(xí)過(guò)馬鞍山學(xué)院“汽車(chē)概論”課程的本科生，但以本學(xué)期課程學(xué)習(xí)的學(xué)生為主要調(diào)查目標(biāo)，共回收有效問(wèn)卷180份。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在“汽車(chē)概論”教學(xué)中，學(xué)生更傾向于動(dòng)畫(huà)及仿真案例呈現(xiàn)方式，占比達(dá)88%。該種案例模式生動(dòng)具體、直觀易學(xué)，能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶，對(duì)于提高學(xué)生參與度、邏輯 思維能力、溝通表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及學(xué)習(xí)自主能力有顯著幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

“汽車(chē)概論”作為非汽車(chē)專(zhuān)業(yè)類(lèi)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必選課，教學(xué)內(nèi)容偏于抽象及理論分析，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)模型、力學(xué)性能解析以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理解要求較高，對(duì)部分學(xué)生而言晦澀難懂。因此，如何提升課堂教學(xué)效果是授課教師亟待解決的問(wèn)題。在“汽車(chē)?yán)碚摗闭n堂教學(xué)中引用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，可以使抽象的內(nèi)容圖像化和清晰化、運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析簡(jiǎn)潔化、力學(xué)性能影響直觀化，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于鞏固知識(shí)點(diǎn)掌握的牢靠性，活躍課堂教學(xué)氛圍，提升教學(xué)成果，使教學(xué)過(guò)程更具開(kāi)放性和互動(dòng)性，真正做到理論知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合。