ADAMS在“汽車概論”課程教學改革中的應用

王 佐 柳美玲 郭家偉 韓飛坡

（馬鞍山學院 大阪醫工學院，馬鞍山 243100）

1 汽車類課程教學現狀

隨著國民經濟的發展和勞動力成本的提高，中國作為世界工廠的地位發生變化。只有靠技術的不斷進步和創新，我國才能從制造大國轉變為制造強國。2009年之后，我國汽車生產量和銷售量均超越日本和歐美等國家，躍居世界首位。我國的汽車整車和零部件企業只有靠技術的不斷進步和創新，形成世界一流的技術研發體系和技術原創能力，才能在激烈的競爭中立于不敗之地。隨著汽車及相關產業成為我國的經濟支柱，了解并掌握汽車相關構造知識成為當代大學生必須擁有的技能[1-2]。目前，很多公辦及民辦高等院校的非汽車專業開始相繼開設“汽車概論”課程。“汽車概論”作為一門非汽車專業類必修選修課，主要講授汽車動力性、經濟性、制動性、操縱穩定性、平順性和通過性等汽車性能的概念、建模、評價和計算方法。該課程的學習不僅有利于拓展學生視野，鍛煉學生綜合素質能力，還有利于提高學生的擇業競爭力。此外，汽車類選修課程涉及的相關機械原理與設計、力學、控制理論及傳感器等學科知識，也為今后專業課程的學習奠定了應用基礎。

2 傳統“汽車概論”教學模式

隨著我國經濟社會的快速發展和高等教育大眾化進程的不斷推進，民辦本科教育順應時代發展潮流迅速發展壯大。截至2019年6月，全國共有高等本科學校共計2 688所，其中普通民辦高等學校有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充，如今已經成為我國高等教育的重要組成部分，極大地滿足了青少年上大學的愿望，深刻改變了我國高等教育集中在大城市的結構布局，在我國高等教育邁向普及化的進程中發揮了重要作用。近年來，隨著民辦本科院校的不斷加大投入，它的整體辦學條件迎來了一輪大建設、大發展、大提高，但仍面臨經費總量不足、渠道來源單一、設施設備不足等現實問題，集中反映在教學模式上[3-6]。

以“汽車概論”在民辦本科院校教學為例，民辦本科高校教學經費有限，很難提供汽車模型來驗證課程講授中所涉及的相關汽車構造及運動原理，因此學生只能通過課堂講授及教材來理解汽車原理、構造及性能等知識點，很難形成直觀的感受。此外，“汽車概論”課程中還存在大量物理模型、運動學求解以及機構原理解析等抽象理論，造成部分學生感覺內容空泛，學習空洞、知識點抽象，久而久之學習效率低下，甚至產生抵觸情緒。

鑒于上民本本科院校在“汽車概論”課程教學中存在的問題，授課教師應積極思考如何將新技術恰到好處地應用在汽車概論課堂教學中，從而提高教學質量。為此，參考一些學者的相關研究[7-9]，結合自身教學實踐探索出的不同的教學方法，在“汽車概論”課程教學中引入機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）仿真軟件，對該課程中所涉及的機構進行建模仿真，并進行動力學分析、動畫模擬等。采用這種直觀化的教學方法來提高學生興趣，將晦澀難懂的理論知識以可視化的方式呈現給非汽車專業類學生。

3 “汽車概論”教學模式改進

3.1 ADAMS仿真軟件簡介

ADAMS即機械系統動力學自動分析，是美國MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。ADAMS是一款集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機仿真軟件[5]，使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統集合模型。它的求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。運用ADAMS軟件可以建立復雜的機械系統模型，真實仿真其運動過程，通過提供的虛擬試驗和測試，迅速分析和比較多種參數方案，幫助設計者找尋設計問題，提出改進措施，優化工作性能。ADAMS仿真軟件在機械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器以及石油化工等領域得到了越來越廣泛的應用，其中ADAMS/Car車輛模塊可以創建汽車懸吊系統、整車裝配，直觀地向用戶展示了汽車模塊的仿真與設計[10-14]。

在“汽車概論”課程講授中運用ADAMS軟件對所設計汽車原理及構造等相關知識進行建模仿真，可以使抽象的內容圖像化和清晰化、運動過程分析簡潔化、力學性能影響直觀化，極大地增強了學生的學習興趣性，有利于鞏固知識點掌握的牢靠性，活躍課堂教學氛圍，提升教學成果，使教學過程更具開放性和互動性，真正做到理論知識與工程實踐的結合。

3.2 ADAMS仿真軟件在課程教學中的應用實例

以“汽車概論”課程教學中的汽車懸吊系統為例，分析對比傳統教學模式與ADAMS仿真軟件在課堂中的應用教學模式。

3.1.2 傳統的教學模式

傳統“汽車概論”課程中懸吊系統教學首先講授懸架的作用，其次向學生傳授懸架系統的基本工作原理及結構，最后通過圖片及視頻向學生展示懸吊系統工作過程。這種傳統的抽象教學模式很難讓學生深刻理解懸吊系統的基本組成和不同路面工況下懸吊系統如何緩沖吸收振動，造成學生理解困難、缺乏興趣，很難深入探究汽車懸吊系統在其他學科中的應用，不能做到學以致用。

3.2.2 改進的教學模式

在講解完汽車懸吊系統基本概念后，引入ADAMS仿真軟件。首先，利用ADAMS仿真軟件創建如圖1所示的懸吊系統物理模型。創建過程中向學生直觀展示懸吊系統的基本組成構件和如何裝配。

圖1 懸吊系統物理模型

其次，通過建立的物理模型講解懸吊系統是如何完成工作的。為了使學生更加充分地理解懸吊系統工作原理及其在汽車行駛過程所起的作用，在建立汽車懸吊系統物理模型中輸入車輛參數并設置仿真參數進行仿真計算，通過回放功能向學生展示懸吊系統運動動畫，同時在后處理模塊創建平行輪軌跡曲線，如圖2所示。

圖2 平行輪軌跡曲線

最后，創建工況，分析不同工況下汽車懸吊系統如何進行緩沖吸振。第一步進行推力參數設置，第二步設置仿真參數，第三步選擇回放，單擊動畫控制并開始仿真。仿真結束后進入后處理模塊，輸出轉向輪扭矩與轉角關系曲線，如圖3所示。

圖3 轉向輪扭矩與轉角關系曲線

還可以根據學生知識掌握情況，向學生傳授修改懸吊系統物理模型參數，分析對其緩沖吸振功能的影響和彈性體對懸吊系統及整車裝配的影響。

3.2.3 教學效果評價

為了對比分析傳統教學與改進后的教學效果，設計了問卷調查[15]，根據“汽車概論”課程實際授課情況，從案例設計和教學實施效果兩個方面的18個問題出發，將每個方面進行細化，通過五級量表評價形式來評判兩種教學模式效果。調查問卷表如表1所示。

表1 教學效果評價調查問卷

本次調查選取近4年學習過馬鞍山學院“汽車概論”課程的本科生，但以本學期課程學習的學生為主要調查目標，共回收有效問卷180份。調查發現，在“汽車概論”教學中，學生更傾向于動畫及仿真案例呈現方式，占比達88%。該種案例模式生動具體、直觀易學，能增強學生對知識點的記憶，對于提高學生參與度、邏輯 思維能力、溝通表達能力、團隊協作能力及學習自主能力有顯著幫助。

4 結語

“汽車概論”作為非汽車專業類學生的一門專業必選課，教學內容偏于抽象及理論分析，對機械系統模型、力學性能解析以及運動學分析理解要求較高，對部分學生而言晦澀難懂。因此，如何提升課堂教學效果是授課教師亟待解決的問題。在“汽車理論”課堂教學中引用ADAMS運動學仿真軟件，可以使抽象的內容圖像化和清晰化、運動過程分析簡潔化、力學性能影響直觀化，極大地增強了學生的學習興趣，有助于鞏固知識點掌握的牢靠性，活躍課堂教學氛圍，提升教學成果，使教學過程更具開放性和互動性，真正做到理論知識與工程實踐的結合。