新工科下深度學習在節氣門教學中的探索＊

金光燦，劉淼，李炎亮

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

引言

“新工科”是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向[1]。新工科既包括新的工科專業，又包括工科的新要求。前者指一個全新的領域，后者指傳統工科專業的理念、內容、標準、方法技術都需要更新改造。建設新工科并不等于一味增加新工科專業，更應注重傳統工科的改革，它為新工科建設提供了重要基礎[2]。同時，地方高校更易于打破學科藩籬，理應因時而動，探索個性化的辦學模式，重點開展對傳統工科專業的轉型、改造和升級，體現地方高校在新工科建設中的特色和創新[3]。

上海工程技術大學作為特色鮮明的地方工科高校，有眾多傳統工科專業和課程正在轉型、改造和升級。這其中，《汽車發動機結構與原理》是傳統車輛工科專業的重要專業基礎課，對其的課程改革也一直進行著，如從教學內容、教學模式和考核方式等進行探討研究，制定了有本校特色的課程模式，取得了一定的成效，提高了學生的創新實踐能力。但是，距離“新工科”的要求還有很大差距，還需不斷進行教學改革的探索，本文以深度學習在節氣門教學中的實踐，來探索該課程改革。

1 課程授課情況

新工科建設如火如荼，傳統專業基礎課程更不應該一成不變，特別是以往《汽車發動機結構與原理》的授課內容和方式已經出現一系列問題：課堂內容主要是零部件的結構與原理的講授，形式單調且不易理解，與汽車行業的前沿脫離，不符合新工科的理念。

由于新工科涵蓋了以互聯網和工業智能為核心，將智能制造、云計算、人工智能、機器人等用于傳統工科專業的升級改造。因此，針對《汽車發動機結構與原理》課程存在的問題，并且根據“新工科”工程技術人員培養的目標，實踐了深度學習在節氣門教學過程中的教學改革。

2 教學實踐方案

本教學實踐以新工科建設為契機，按照工程教育專業認證要求，從《汽車發動機結構與原理》課程內容入手，探索將人工智能引入傳統課程的教學過程中，以適應新工科培養學生發展的基本要求。節氣門是汽油機汽車中非常重要的零部件，在多年教學過程中，其一直是教學難點和難點。因此，在本文中，提出“深度學習+節氣門”的教學方式，通過指導學生們主動學習深度學習并進行實驗，再將不同汽車不同工況下節氣門開度與進氣需求進行對比分析，從而學生可以直觀了解節氣門在實際工作狀態中的應用，以及不同汽車選擇節氣門的依據。

根據以上教學方式，進行了相應教學實施，如圖1所示[4]，本教學實施方式，既有理論教學，又有師生互動學習過程，具體教學實施如下：

2.1 課堂教學

傳統教學內容進行教學，講授汽油發動機進氣系統的原理，重點介紹節氣門的結構與作用，這是學生往往只會機械的記憶，哪怕通過視頻觀看也很難理解，從而大大影響學生的學習效率。在新的教學過程中，采用理論與設計項目相結合的方式，在理論教學后，將學生分成若干組，每個組選擇不同的發動機的進氣道與節氣門。

具體教學過程的主要內容是：引入節氣門開發的流程介紹；通過流程，向學生講授人工智能在汽車零部件設計等領域的應用；進而介紹深度學習的基本概念；然后進行分組，不同的組別選擇不同的汽油機汽車，根據該款汽車的節氣門和進氣道進行CAD建模。

2.2 實驗教學[5]

整個實驗過程分為CAD制圖，流體力學分析和圖像的深度學習三個部分。但是本課程課時較少，項目教學內容需學生課后分組完成，所以本課程將項目拆分成多個遞進步驟的小項目，每個小項目可以作為一個單獨模塊，而多個模塊可以再構成一個綜合性項目。通過小項目的成果，激發學生進一步完成后續項目的積極性，并引導學生完成完整的項目教學。

具體實驗教學的主要內容是：基于現有汽油機車輛的檢索，選擇一款車作為對象；根據其進氣道和節氣門的結構進行CAD建模；其次，將模型導入Ansys中，對節氣門打開不同角度進行空氣流動仿真；然后，將分析圖片導入Matlab的深度學習模塊進行分類分析；最后將該款汽車的工況導入分析結果，可分析出該工況下的節氣門開度等信息。

2.3 互動實驗

因為項目教學內容需課后完成，為了保證學生們可以順利進行項目實踐，本課程在超星學習通上上傳了實驗相關視頻，學生們可以通過該App跟老師進行相關交流。這樣學生們可以根據不同的項目以及不同的進度，分別去參照對應的視頻，并與教師進行互動交流。

汽車發動機中，包括很多類似于節氣門這樣重要且十分難于學習的零部件，但是教學時間有限。因此，本課程在超星學習通上建立的若干零部件相關深度學習的實驗視頻，供學生課下主動學習。

另外，在互動教學階段，要求學生們將實驗的三個過程視頻化，并上傳到超星學習通。也就是說，每個小組在完成一個小項目時，需要錄制一個小視頻，學生通過視頻講解實驗過程和實驗心得。利用視頻化的方法來考查學生實驗結果，既可以通過微視頻來激發學生的學習熱情，又能鍛煉學生的表達能力和語言組織能力。

圖1 深度學習在節氣門教學中的實踐

3 結語

本文在傳統工科專業課—《汽車發動機結構與原理》中，引入深度學習的人工智能的知識來講授節氣門，從而實現該課程面向“新工科”的教學改革。本課程的教學改革經歷了一個學期的教學實驗，從考試結果來看學生們對于節氣門相關知識點的掌握比往常提高很多；從相關調查結果來看，學生們認同這樣的教學改革，并表示從單純的知識點學習，轉為實驗中學習相關知識，對相關知識點理解得更深刻。

在“深度學習+節氣門”的教學實踐中，學生們從被動接受知識轉為主動學習知識，既培養了學生對專業知識的自主學習能力，也培養了學生團隊精神和表達溝通能力。