車輛系統(tǒng)建模虛擬仿真課程的案例教學(xué)研究

摘 要：新工科建設(shè)對車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了全方位、全過程、全要素的要求，為適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+高等教育”和“智能+高等教育”的現(xiàn)代信息技術(shù)新形態(tài)，加快建設(shè)虛擬仿真實驗等新形態(tài)教學(xué)資源，對車輛系統(tǒng)建模與仿真課程的案例教學(xué)進(jìn)行了有益探索，開發(fā)出車輛系統(tǒng)動力性、操縱穩(wěn)定性、平順性等模型案例。通過實施線上線下結(jié)合的教學(xué)模式，融入課程思政元素，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，進(jìn)一步提高學(xué)生解決車輛系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力，有力促進(jìn)了信息技術(shù)與高等教育的深度融合。

關(guān)鍵詞：車輛工程；案例教學(xué)；虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-9247（2024）03-0081-02

Research on Case Teaching of Vehicle System Modeling and Simulation Course

NIU Limin，ZHANG Guotao，JIA Fengyuan，LI Mingli

（School of Mechanical Engineering， AHUT， Ma’anshan 243032， Anhui， China）

Abstract：The construction of new engineering discipline has put forward the requirements of all-round， whole process and allelements for the training of vehicle engineering professionals. In order to adapt to the new form of modern information technologyof “Internet plus higher education” and “intelligence plus higher education”， and accelerate the construction of new forms ofteaching resources such as virtual simulation experiments， we have conducted a beneficial exploration of case teaching of vehiclesystem modeling and simulation courses， and developed model cases for vehicle system dynamics， handling stability， and smooth-ness， combined with a hybrid online and offline teaching mode， integrated ideological and political elements into the curriculum，formed a variety of teaching content and methods， further improved students’ ability to solve complex engineering problems in ve-hicle systems， and effectively promoted the deep integration of information technology and higher education.

Key words：vehicle engineering；case teaching；virtual simulation

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)加速突破，汽車與能源、交通、信息通信等領(lǐng)域加速融合，造車?yán)砟罡叨嘶?、智能化、綠色化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流和趨勢。教育部明確提出了“加強(qiáng)綠色低碳教育，推動專業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快急需緊缺人才培養(yǎng)，深化產(chǎn)教融合協(xié)同育人”的重點任務(wù)，新時代對車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求[1]。車輛系統(tǒng)建模與仿真是車輛工程專業(yè)重要的選修課程，也是車輛工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中畢業(yè)要求達(dá)成的關(guān)鍵支撐課程，主要講述車輛各系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建與模擬。隨著汽車新技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車在結(jié)構(gòu)和工作原理上發(fā)生了很大變化，傳統(tǒng)課程內(nèi)容和培養(yǎng)方式已難以適應(yīng)新形勢下多元化人才培養(yǎng)需求，不利于車輛工程專業(yè)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]。本文依托現(xiàn)代信息技術(shù)，探討利用MATLAB/Simulink軟件工具，開發(fā)出車輛系統(tǒng)動力性、操縱穩(wěn)定性、平順性等模型案例，融入課程思政元素，結(jié)合線上線下混合教學(xué)模 式展開車輛系統(tǒng)建模與仿真課程的案例教學(xué)。

一、車輛系統(tǒng)建模與仿真課程建設(shè)要求

新工科建設(shè)是我國高等工程教育主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略行動，根據(jù)新工科建設(shè)和專業(yè)認(rèn)證要求，我校車輛工程專業(yè)以培養(yǎng)具有人文社會科學(xué)素養(yǎng)、社會責(zé)任感、職業(yè)道德和團(tuán)隊意識的應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)骨干為目標(biāo)，要求學(xué)生掌握現(xiàn)代汽車工程領(lǐng)域的基本理論、專業(yè)知識和基礎(chǔ)技能，熟練運用現(xiàn)代分析工具和管理技術(shù)，勝任本專業(yè)實踐領(lǐng)域的工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、經(jīng)營管理以及工程科學(xué)研究等工作，熟練運用所掌握的知識去解決復(fù)雜工程實際問題，服務(wù)于車輛工程相關(guān)行業(yè)。學(xué)生通過專業(yè)課程的學(xué)習(xí)掌握汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造及底盤各組成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，獲得車輛工程專業(yè)技術(shù)人才應(yīng)具備的工程能力和專業(yè)素養(yǎng)。在汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，用人單位對車輛工程專業(yè)人才提出了新的知識需求。目前車輛工程專業(yè)中，汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚摵推囋O(shè)計三大專業(yè)課程內(nèi)容繁多，但是實際學(xué)時有限，汽車構(gòu)造實驗大都僅進(jìn)行演示性實驗或簡單的拆裝實驗，與車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合不緊密；以汽車?yán)碚撜n程知識為基礎(chǔ)的整車動力性分析多以燃油發(fā)動機(jī)為主，不適合新能源汽車的動力性分析和經(jīng)濟(jì)性分析；日新月異的汽車新技術(shù)更是對汽車設(shè)計課程內(nèi)容的實時性提出了新的挑戰(zhàn)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景對制造業(yè)人才協(xié)同培育提出了更高的要求[3]，迫切需要探究車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容的數(shù)字化 設(shè)計。

二、虛擬仿真教學(xué)平臺構(gòu)建與案例開發(fā)

為適應(yīng)新工科建設(shè)要求，培養(yǎng)車輛工程專業(yè)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神，依托現(xiàn)代信息技術(shù)，利用MAT-AB/Simulink軟件開發(fā)了車輛系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)平臺。

（一）平臺功能與使用流程構(gòu)建

以汽車?yán)碚撝R為基礎(chǔ)對需仿真的車輛子系統(tǒng)模型進(jìn)行理論分析，在MATLAB中構(gòu)建Simulink模型或M文件，協(xié)同ADVISOR或CarSim軟件設(shè)置仿真工況與設(shè)計要求，進(jìn)行聯(lián)合仿真，后續(xù)對模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，圖1所示為車輛系統(tǒng)建模與仿真平臺開發(fā)流程及功能。在此平臺上，學(xué)生通過手機(jī)或個人電腦終端登錄系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇相應(yīng)仿真案例，完成子模型分析、子系統(tǒng)構(gòu)建、聯(lián)合仿真、優(yōu)化改進(jìn)等功能。

（二）課程案例設(shè)計及教學(xué)探索

實體車輛臺架實驗、道路實驗存在能耗高、成本高的問題，導(dǎo)致部分實驗難以開展。教師通過開發(fā)車輛系統(tǒng)仿真案例庫，可極大拓展車輛實驗課程內(nèi)容。以車輛系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)內(nèi)容漸進(jìn)性為主線、以模塊化思想為指導(dǎo)，設(shè)計了車輛系統(tǒng)虛擬仿真實驗案例，包括車輛差速器齒輪設(shè)計案例、汽車連續(xù)換檔加速性能仿真案例、車輛爬坡能力仿真計算案例、汽車制動性能仿真案例、轉(zhuǎn)向梯形仿真計算與優(yōu)化案例、汽車行駛速度控制的仿真案例等，涵蓋了車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性、制動性、操縱穩(wěn)定性和平順性等內(nèi)容。

在案例設(shè)計與教學(xué)過程中，融入了課程思政元素，如貫穿所有案例使用的MATLAB軟件簡介教學(xué)中，通過美國取消國內(nèi)“國防七子”院校使用MATLAB軟件正版授權(quán)的事件，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到西方國家試圖通過卡脖子手段阻礙我國科技的發(fā)展，從而感受到學(xué)好車輛仿真建模課程對我國汽車工業(yè)發(fā)展的重要意義。案例結(jié)合現(xiàn)實情境，學(xué)生感受到了自身擔(dān)負(fù)的中國汽車人使命，激發(fā)出對課程高昂的學(xué)習(xí)熱情。

車輛懸架系統(tǒng)振動仿真及優(yōu)化案例，在二自由度的懸架模型構(gòu)建過程中，將輪胎等模型抽象成彈簧、阻尼模型，與實物模型一一對應(yīng)，學(xué)生可進(jìn)行整套汽車懸架及測試系統(tǒng)的虛擬裝配，直觀模擬路面激勵和運行工況，創(chuàng)建設(shè)計變量（如減振器阻尼和彈簧剛度）并進(jìn)行仿真優(yōu)化。案例設(shè)計了三個知識點：利用懸架系統(tǒng)微分方程創(chuàng)建仿真模型、經(jīng)典PID控制策略的實現(xiàn)、現(xiàn)代模糊邏輯控制策略的運用。授課教師圍繞知識點用問題啟發(fā)學(xué)生思考問題：為什么不同車輛乘坐的舒適性不一樣？車輛行駛平順性有哪些評價指標(biāo)？模糊思想為什么與我們的日常生活息息相關(guān)？通過理論聯(lián)系實際，引導(dǎo)學(xué)生集中討論和分析，由淺入深逐步認(rèn)識、理解和掌握車輛懸架基本結(jié)構(gòu)及其控制方法與技能，提高了學(xué)生對本案例內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。通過四課時將三個知識點逐層組織：首先根據(jù)懸架系統(tǒng)微分方程建立仿真模型，其次采用PID控制模塊加以控制，最后運用模糊控制策略，進(jìn)一步對比不同控制策略、不同控制參數(shù)對車輛平順性的影響。

建模過程中，利用MATLAB/Simulink豐富的信號源模擬不同路面對懸架系統(tǒng)的激勵，完成了傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法實現(xiàn)的操作，很大程度上解決了傳統(tǒng)理論課程中控制策略抽象化、車輛性能難理解的問題，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式在時間、成本、效果等多方面的拓展。模型測試時，發(fā)揮了現(xiàn)代信息技術(shù)在案例教學(xué)情境制作中的優(yōu)勢，利用三維軟件把不同信號源的激勵構(gòu)造成現(xiàn)實路面環(huán)境，以仿真模擬車輛懸架在當(dāng)前工況下的動態(tài)響應(yīng)。通過編寫現(xiàn)代控制策略，可以培養(yǎng)學(xué)生面對應(yīng)用場景綜合設(shè)計解決復(fù)雜問題的能力和高級思維。仿真過程中，學(xué)生在虛擬環(huán)境中模擬實驗，演示性實驗變成了學(xué)生自己動手的實踐，有效解決教學(xué)過程中動手難的問題[4]。車身垂直加速度信息采用動畫屏顯，在不同路面激勵下的動態(tài)跳動使學(xué)生仿佛身臨其境，現(xiàn)代信息技術(shù)在MATLAB/Simulink上的有效應(yīng)用，幫助學(xué)生感受到懸架系統(tǒng)來自路面的顛簸沖擊，對車輛平順性的表征、模擬均起到良好的案例教學(xué)作用。

在車輛系統(tǒng)建模虛擬仿真課程的教學(xué)實踐過程中，在虛擬仿真建設(shè)公認(rèn)原則“虛實結(jié)合、能實不虛、互相補(bǔ)充”指導(dǎo)下，教學(xué)內(nèi)容緊抓汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動性、操縱穩(wěn)定性、平順性等理論知識主線，輔以各案例知識點導(dǎo)學(xué)問題的設(shè)計，構(gòu)造案例情境，逐步引導(dǎo)學(xué)生探究知行合一，達(dá)到課程教學(xué)目標(biāo)，取得良好教學(xué)效果。

（三）平臺案例教學(xué)效果評估

車輛系統(tǒng)建模與仿真案例平臺將畢業(yè)要求達(dá)成度細(xì)化為專業(yè)課程多項能力指標(biāo)點，以課程考核過程作為評價依據(jù)，細(xì)化了過程考核指標(biāo)，完備導(dǎo)學(xué)資料和參考網(wǎng)站資料，幫助學(xué)生做好案例實驗前的準(zhǔn)備工作，記錄他們參加案例實驗的全過程，提供建模過程指導(dǎo)和性能分析指導(dǎo)，平臺能客觀公平地評價學(xué)生預(yù)習(xí)效果、建模過程以及案例分析過程。在教學(xué)過程中平臺還增加了案例存在的問題、改進(jìn)措施、改革設(shè)想等內(nèi)容，收集和統(tǒng)計學(xué)生對案例教學(xué)方面的建議與評價，為改進(jìn)和完善車輛系統(tǒng)案例庫建設(shè)提供參考。該案例平臺的應(yīng)用進(jìn)一步完善了對專業(yè)課程目標(biāo)達(dá)成度的評價，提 高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新能力和思考能力。

三、線上線下混合式課程案例教學(xué)

教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，以課程案例為驅(qū)動，融合線上線下混合式教學(xué)，可以有效解決課程學(xué)時不足的問題。我校車輛工程專業(yè)是省級一流本科專業(yè)，車輛專業(yè)課程基本實驗教學(xué)需適應(yīng)線上實驗教學(xué)要求，遵循“虛實結(jié)合、能實不虛、互相補(bǔ)充”的建設(shè)原則，構(gòu)建出車輛系統(tǒng)建模與仿真案例虛擬線上線下混合式案例教學(xué)平臺。

混合式教學(xué)過程中，教師先對案例相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行任務(wù)分解，構(gòu)建案例出現(xiàn)的情境，提出案例涉及的問題，課前預(yù)先布置分組任務(wù)，學(xué)生線下自學(xué)本期案例教學(xué)相關(guān)汽車?yán)碚撝R，查閱資料并設(shè)計問題解決方案，這一過程能有效提高學(xué)生的自學(xué)能力。依托線上教學(xué)平臺，在線下案例導(dǎo)學(xué)中引入適當(dāng)?shù)能囕v前沿技術(shù)，對具體案例對象（如車輛平順性）分析學(xué)習(xí)內(nèi)容，展開程序代碼講解、模型實踐操作，引導(dǎo)學(xué)生自主解決復(fù)雜車輛工程問題，驗證問題解決方案可行性，增強(qiáng)工程意識。在混合式教學(xué)過程中注重融入課程思政元素，采用問題教學(xué)法，啟發(fā)學(xué)生結(jié)合自身體驗反思科技發(fā)展過程中可能存在的正面價值和負(fù)面影響，鼓勵他們發(fā)表不同的見解，從不同的角度思考問題，加強(qiáng)對學(xué)生的科學(xué)精神培養(yǎng)和批判性反思能力培養(yǎng)，發(fā) 揮正確的價值引領(lǐng)和導(dǎo)向作用。

四、結(jié)語

車輛虛擬仿真教學(xué)平臺以仿真案例為依托，采用三維建模、數(shù)據(jù)庫、人機(jī)交互等技術(shù)把學(xué)習(xí)內(nèi)容直觀地在案例中表現(xiàn)出來，對車輛工程專業(yè)課程實驗教學(xué)時間和空間起到了延伸和拓展作用，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。案例教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思考車輛性能與相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的聯(lián)系，從實踐角度鉆研車輛性能及其影響因素，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性得到有效調(diào)動。為使學(xué)生更好地掌握車輛建模與仿真知識，課程案例教學(xué)過程中還融入了課程思政元素，鼓勵學(xué)生圍繞工程訓(xùn)練項目，結(jié)合生活實際積極參加科技創(chuàng)新活動，取得了顯著的教學(xué)效果，指導(dǎo)車輛專業(yè)學(xué)生順利完成省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“多能源動力總成試驗臺架的優(yōu)化設(shè)計”的結(jié)題和驗收工作，公開發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文，學(xué)生在多項賽事中獲獎，學(xué)生創(chuàng)新實踐能力得到了有力提升。本課程的案例教學(xué)研究為新形勢下工科學(xué)生創(chuàng)新能力的培育提供了積極思路，為其他課程教學(xué)提供了有益參考。

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