面向“新四化”的車輛工程專業課程體系改進初探*

黃登峰 閆曉磊 花海燕 張慶永 鐘 勇

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福建 福州 350118)

1 概述

隨著“創新驅動發展”“互聯網+”等國家重大戰略的實施，我國傳統產業面臨轉型升級，并催發了許多新技術產業的發展[1]。為保持和提升國際競爭力，構筑工程人才創新培養的高等教育體系，2017年以來，教育部不斷推進新工科建設，圍繞“讓工程教育回歸工程本質”“創新與共享”和“交叉與融合”等理念，逐漸形成了“復旦共識”“天大行動”與“北京指南”[2]。

近年來，新一輪科技革命和產業變革方興未艾，引領新興信息技術與傳統制造技術的深度融合[3]。國內外汽車行業發展迅速，特別是汽車智能化、網聯化、電動化、共享化的趨勢明顯，對車輛工程專業人才培養提出了更高要求，特別在“新工科”背景下，要求高校車輛工程專業立足本專業，通過車輛工程、電子科學與技術、控制工程、計算機信息技術等專業的學科交叉，面向新時代汽車產業培養科技創新人才。相應的，如何面向新能源汽車、工程機械、專用車等福建優勢行業開展“新工科”建設，建立產業與高校之間的基于信息融通、資源共享的協同育人與創新體系，為福建省汽車產業培養更多符合“新工科”建設要求的綜合型應用技術人才，是一個值得研究與探討的問題。

傳統車輛工程專業的課程體系由公共基礎課、學科與專業基礎課、專業課及實踐性教學四個部分組成。其中公共基礎課包括國家必修公共課以及校本公共基礎必修課。學科與專業基礎課涵蓋理論力學、材料力學、電子技術、電工學、工程材料等工程基礎課程以及機械設計、機械制造基礎、控制工程基礎等機械基礎課程。專業課則涵蓋汽車構造、汽車理論、汽車設計、汽車電子、汽車試驗學等課程[4]。實踐性教學涵蓋課程設計、專業實踐和畢業設計等教學環節。傳統的車輛工程專業課教學和實踐內容大多數以傳統內燃機汽車為主要對象，而新能源+智能網聯汽車已是大勢所趨，傳統車輛工程專業課程體系已經無法滿足汽車產業“新四化”對人才知識、能力和素質的要求，必須做出調整和改變，以適應新時代本科教育的要求。

2 “電動化”背景下的課程體系改進

新能源汽車是我國從汽車大國到汽車強國的必由之路，而電動汽車是新能源汽車最重要的發展方向，電池、電機、電控是汽車電動化三大核心技術，有必要開設若干門課程。以完善學生在汽車電動化方面的知識結構[5]。

為此，在課程體系中設置專業必修課程——電動汽車，其目的是讓學生通過課程學習，掌握國內外新能源汽車最新發展動態及其設計方法。課程主要介紹儲能元件、驅動部件的類型、原理與特性，混合動力汽車、純電動汽車及燃料電池汽車的組成及結構；新能源汽車相關技術標準。通過課程的學習，學生能夠了解動力電池的基本原理與結構、工作特性及電池管理系統的功能，了解驅動電機的基本結構原理與驅動特性，掌握電動汽車基本組成、結構及行駛性能的基本計算方法，能夠認識到汽車行業的快速發展并樹立終身學習的意識。課程目標是通過課程知識的學習和應用，了解并進一步掌握各類電動汽車整車及其動力總成匹配設計的一般過程，能夠完成簡化的電動汽車的相關設計任務。因電動汽車這門課涉及交叉學科，理論性較強。因此，在該課程的教學中，著重培養學生自助學習模式，補齊自身短板，鼓勵學生通過自學、搜索和查閱相關資料、集體討論來解決，增強學生對所學知識的把握。

電動汽車課程還設計了兩個實驗：混合動力汽車動力系統及燃料電池動力系統實訓、純電動汽車綜合實訓及電池管理系統(BMS)實訓。混合動力汽車動力系統及燃料電池動力系統實訓的內容是通過混合動力汽車動力系統及燃料電池動力系統實訓臺架，完成混合動力電動汽車及燃料電池汽車的工作演示；設置混合動力電動汽車常見故障，通過故障顯示，引導學生進行故障分析、檢測診斷實訓。純電動汽車綜合實訓及電池管理系統(BMS)實訓的內容是通過純電動汽車動力性系統實訓臺架，完成純電動汽車的工作演示；設置常見故障，采用故障顯示的方式，引導學生完成故障分析、檢測和診斷訓練；通過電池管理系統實訓臺架，完成BMS系統單體電池電壓檢測、溫度檢測、電流檢測、SOC估算等功能，設置常見故障并會讀取數據流。通過這兩項課內實驗，使學生在課堂教學所獲得的理性認知的基礎上，建立更易記憶和掌握的感性認知基礎，鞏固和加強學生對動力電池、驅動電機及不同類型的電動汽車的掌握。

另外，依托福建省汽車電子與電驅動技術重點實驗室省級科技創新平臺的軟硬件資源，在課程體系中設置專業方向選修課程——汽車電驅動技術，其目的是通過本課程的學習，讓學生了解汽車電機的基本知識；熟悉汽車電驅動系統理論基礎分析，參數設計與評估，電驅動系統應用方式、類型、特點及一般控制方法。通過課程的學習，學生能夠了解電機的基本概念和分類及其在汽車中的應用、直流電機的工作原理、建模與控制；了解電驅動相關電力電子技術及PWM技術；掌握交流電機的結構、分類，永磁同步電機的磁場、特性及控制原理；了解車用電機測試及標準。課程設計了基于三相ARM微控制器PWM波的實現、基于Matlab的SPWM 三相橋式逆變電路仿真兩個課內實驗。基于三相ARM微控制器PWM波的實現要求學生利用ARM C語言編制程序，產生頻率可變的三相間隔120°的PWM波形。在實驗過程中深刻了解PWM 是如何實現的，并加深對PWM在直流調制中應用的理解。基于Matlab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，以及一些參數的選擇設置方法。要求學生學會使用Matlab軟件仿真集成環境Simulink進行仿真的基本操作方法，對逆變器和三相逆變電路的六階梯波調制、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。

通過設置電動汽車這門專業必修課程、汽車電驅動技術這門專業方向選修課，使學生具備電池種類及原理、電池成組技術、BMS技術等電池技術，電機原理與結構等電機技術，電力電子技術、嵌入式系統、控制算法設計等電控技術這“三電”核心技術的知識體系和能力素質，滿足汽車“電動化”背景下對人才的需求。

3 “智能網聯化”背景下的課程體系改進

隨著自動駕駛和車聯網的不斷發展，汽車的智能化、網聯化趨勢已不可避免。近幾年來，各大汽車廠家和IT科技巨頭紛紛在智能網聯汽車這一領域布局，推進智能網聯汽車技術的不斷變革，也對汽車產業的人才培養提出了新的更高的要求[6]。

為此，在課程體系中設置智能網聯汽車概論這一專業必修課程，其目的是讓學生通過課程學習，掌握汽車智能化和網聯化的主要關鍵技術。在汽車智能化方面，課程主要介紹智能汽車三大功能架構：環境傳感與感知模塊、智能決策規劃模塊和智能集成控制模塊。其中環境傳感與感知模塊主要包括視覺傳感器、激光、毫米波、超聲波雷達、紅外線傳感器等自動駕駛硬件；智能決策規劃模塊包括宏觀路徑規劃、中觀駕駛行為決策、微觀軌跡規劃等三級決策規劃系統；智能集成控制模塊包括車輛縱向控制和橫向控制，以實現對車輛油門、制動、轉向等車輛執行系統的有效控制。在汽車網聯化方面，課程主要介紹車聯網的信息交互關鍵技術，包括實現數據接入和傳輸控制的移動信息網聯通信模塊，如V2V(車-車)、V2I(車-基礎設施)、V2P(車-行人)等互聯通信方式；云平臺與大數據技術；信息安全技術；基礎支撐技術包括高精度地圖和GPS(全球定位系統)及BDS(北斗衛星導航定位系統)高精度定位等。課程目標是通過課程知識的學習和應用，學生能夠掌握智能網聯汽車的基本原理，熟悉自動駕駛的技術體系，熟悉智能網聯汽車主流的傳感器工作原理及信號處理方案，熟悉典型的全局和局部路徑規劃方法，熟悉車輛縱向控制和橫向控制的方法；熟悉車聯網中V2X無線通信和信息交互關鍵技術。

另外，為車輛工程專業開設ARM微控制器編程與實踐這一專業方向選修課程，它是從事汽車電子相關開發工作和研究的重要基礎和工具。其目的是讓學生掌握汽車電子系統中新型ARM微控制器的基本理論、分析與設計方法。這門課主要圍繞ARM Cortex M微控制器學習軟硬件知識，要求學生能夠利用所學的C語言進行ARM微控制器基本接口與外設、存儲器系統軟件設計。要求了解包括汽車自動記憶、人機交互，提高系統可靠性，實時響應實例，并能夠在RTOS上利用ARM控制器實現簡單的車輛車門閉合檢測。通過本課程的學習，能夠讀懂基于已有的數字控制單元硬件系統，編寫一般控制程序，并完成系統調試；能夠獨立完成相關的軟硬件實驗操作，實現利用微控制器實現汽車電子的簡單方案，如基于存儲的汽車自動記憶功能、基于液晶顯示的人機交互、基于看門狗的系統可靠性設計，以及基于RTOS上的車輛車門閉合檢測等。

通過設置智能網聯汽車概論、ARM微控制器編程與實踐課，再加上原有的汽車電子等課程，使學生熟悉和掌握激光雷達技術、攝像頭技術、毫米波雷達技術等汽車智能化傳感器技術、嵌入式系統開發、車輛控制等智能化計算機及控制技術，無線通訊技術等汽車網聯化通訊技術，具備智能網聯汽車的知識結構，基本滿足汽車“智能化”“網聯化”對人才的需求。

4 “共享化”背景下的課程體系改進

我國汽車產業經過近20年的高速發展，居民私家車保有量不斷增長，但隨之而來的交通堵塞、事故頻發、能源消耗和環境污染等問題日益顯著。據有關調查統計，在實際中一般私家車的空閑率達90%以上，造成了大量資源空置和浪費。近幾年來，隨著共享經濟的不斷發展，“共享汽車”已逐漸進入尋常百姓的日常生活，給人們帶來了方便快捷的出行體驗，并在市場上引起了強烈反響。與傳統的私家車、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)、GPS(全球衛星定位系統)、移動通信技術、視頻監控等技術完成車輛高精度定位、實時動態跟蹤，實現車輛的統一調度、協同指揮、實時監控、高效運營的自動化。作為車輛工程專業的大學生，有必要熟悉共享汽車，了解共享汽車的運營模式及其關鍵技術。

由于共享汽車在不斷快速發展，對其研究還不甚完善，因此尚沒有成熟的共享汽車課程可直接嵌入現有的車輛工程課程體系，但共享汽車的課程內容應包括：共享汽車信息平臺，包括用戶身份認證、信息匹配及安全技術等；共享汽車監控系統，包括車輛及道路信息收集，交警管理部門實時監控等；共享汽車配套保障，包括保險及保養維護等；分時租賃系統的軟硬件技術，包括運營系統平臺、遠程控制技術及應用案例。通過課程學習，學生應了解和熟悉虛擬化技術、分布式存儲、數據管理等云計算技術，全局路徑規劃、最優化理論等調度優化技術，數據倉庫、計算框架、大數據應用等大數據技術，數學建模、社會激勵調度、出行引導等運營模式。

5 結束語

伴隨“自動駕駛”“共享汽車”等概念的深入人心和相關關鍵技術的研究和發展，汽車“電動化”“智能化”“網聯化”和“共享化”已是大勢所趨。地方本科院校應該響應教育部建設“新工科”的號召，適應汽車“新四化”的需求，積極推進車輛工程專業課程體系改進，提升人才知識結構和能力素質，為所在區域汽車經濟和產業培養合格的新型應用型工程科技人才。