新工科背景下基于OBE理念的“汽車理論”課程內容設計及考核體系研究

陳劍斌 汪小鋒 沈濤

摘? 要：汽車理論作為汽車文明傳承的重要載體，在車輛工程專業課程體系中占據著舉足輕重的地位。為適應我國高等教育工程認證及“新工科”建設改革風向，應在保持課程原有知識體系完整性的前提下，在汽車理論課程內容中融入新能源、智能化等“新工科”元素。文章根據課程知識點分類及學習層次要求進行了課程內容與教學模式的匹配設計，提出了基于考核方式和內容的課程目標合理性評價實施方法。

關鍵詞：新工科;OBE教育理念;汽車理論;課程內容設計;考核體系

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）39-0048-04

工程教育專業認證和“新工科”建設是我國高等教育的新風向。2016年我國正式成為《華盛頓協議》成員國，全國各大高校積極開展基于OBE成果導向理念的工程教育改革，推進我國高等工程教育的國際互認工作[1]。以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新一輪科技和產業革命的興起使得各國間綜合國力的競爭愈加劇烈，國務院相繼頒布了“中國制造2025”“互聯網+”等一系列國家重大戰略計劃，積極應對世界科技創新速度的全新挑戰[2]。2017年以來，教育部也相繼發布了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等新工科建設三部曲，明確了我國高等教育新的時代主題，通過主動布局未來新興領域人才培養，為傳統產業轉型升級提供支撐，引領新一輪的產業革命[3]。在面對世界新經濟重大變革中，作為人工智能、信息通信、云計算、物聯網等新技術的最佳應用平臺，汽車產業電動化、智能化、網聯化及共享化等“新四化”發展趨勢也愈發明顯。為了應對新形勢下汽車行業發展需求，教育部把車輛工程專業列入首批新工科建設專業，傳統工科專業的升級改造也迎來了新的歷史機遇和前所未有的挑戰[4-5]。

“汽車理論”作為汽車文明傳承的重要載體，是我國高等教育培養高素質汽車專業人才的基石。為順應OBE教育理念和“新工科”建設要求，亟須對新時代“汽車理論”課程內容設計及考核體系進行改革研究，探索適應工程教育專業認證標準、面向未來發展的課堂教學新模式，培養學生解決復雜工程問題的能力，具備良好的專業創新能力，引領未來工程。

一、汽車理論課程的教學現狀

現階段， 開設汽車理論課程的高校基本上都以清華大學余志生教授主編的《汽車理論》為授課教材進行教學設計。教材是教育部面向21世紀課程教材、普通高等教育“九五”部級重點教材和“十五”國家級規劃教材[6]，內容經典，實用性強。教材根據汽車在車輛坐標系中的受力方向，分析與汽車縱向、橫向和垂向動力學相關的汽車六大使用性能，即動力性、經濟性、制動性、操穩性、平順性及通過性。“汽車理論”作為多學科交叉課程，需要具備較強的理論知識，尤其是對數學、物理及力學等自然科學基礎知識要求較高，相關性能指標的計算公式推導煩瑣，傳統的多媒體或板書教學使課堂愈發沉悶枯燥，知識點考查采用“平時+期末”的單一方式難以支撐課程目標及畢業要求達成度。隨著汽車工業“節能、環保、安全、舒適與智能化”等主題的落實，高校車輛工程專業培養方案融入了新的元素，要求汽車理論的教學設計也應做到與時俱進，尤其需要反映課程內容與新能源汽車、智能網聯汽車等領域的理論及技術關聯性，激發學生保持對傳統工科專業的信心和學習興趣，為國家培養出有責任、有擔當、有實踐創新能力、國際競爭力、能夠解決汽車新興產業復雜工程問題的高素質復合型“新工科”人才。

（一）設計原則

以車輛工程新工科和工程認證人才培養目標為根本出發點，堅持國家和區域需求導向，緊跟新時代汽車產業發展趨勢，結合汽車理論課程自身特點，在遵循知識體系的基礎性、整體性及時代特性等原則基礎前提下進行教學內容整合，應有利于開展以學生為中心的教學模式改革創新，做到知識、能力與教學模式三者的相互統一。

（二）基于新工科建設的汽車理論課程內容設計

清華大學余志生教授主編的《汽車理論》經典教材具有結構簡單清晰、知識點覆蓋全面的特點，課程教學大綱一般安排3個學分，共51個學時的教學內容。根據新工科建設和工程認證要求，為更好地服務于傳統車輛工程專業的升級改造，激發學生對專業課程的學習興趣，應在原有課程架構基礎上找到合適的切入點，建立課程主體知識與新能源汽車、智能車輛等的聯系。

1. 縱向動力學使用性能

車輛縱向動力學問題主要討論傳統燃油汽車的動力性、經濟性及制動性等使用性能。與內燃機汽車不同，新能源汽車的動力來源之一是驅動電機。在介紹汽車動力性和經濟性時，補充電動汽車動力系統原理、驅動能量管理策略及能量經濟性測試方法等，強調電動汽車動力性指標的計算關鍵在于驅動電機特性曲線，電動汽車經濟性指標的計算則需要將電機工作消耗的電能轉換為等效的燃油量，借助ADVISOR進行電動汽車能量經濟性的虛擬仿真案例分析，介紹汽車動力學仿真軟件發展現狀，如2021年上半年MSC公司最新發布了ADAMS EV電動汽車模塊，助力電動汽車快速開發。基于車輛縱向運動控制，將驅動模型、制動模型及反模型等理論知識在智能車輛自適應巡航控制系統ACC、車輛縱向安全性控制中實現起—停巡航S&G、主動避障AEB、防抱死ABS等功能實際應用相聯系。

2. 橫向動力學使用性能

車輛橫向動力學問題主要討論轉向系統導致的不同前輪轉角輸入下車輛的操縱穩定性。汽車操縱穩定性通常涉及多參數多方面的評價內容，十分復雜。除了與轉向性能密切關聯外，還需根據懸架系統和傳動系統的影響對操縱穩定性評價指標進行適當補充及修正。在汽車理論教學時，一般將汽車作為一個控制系統，基于建立的線性二自由度車輛運動微分方程對汽車進行時域或頻域分析來描述汽車的操縱穩定性能。針對智能車輛橫向運動控制，將車輛動力學模型用基于狀態空間描述的狀態方程模型來表達，便于利用現代控制理論對系統穩定性做出快速判斷，并易于實現基于MATLAB/Simulink工具箱或Carsim軟件的多自由度車輛橫向運動控制及自主循跡橫向控制等虛擬仿真教學。結合特拉斯高速側翻及蔚來汽車高速自動駕駛撞車等智能車輛交通事故案例，引導學生思考如何提高智能車輛高速行駛操縱穩定性，守住“高速車輛的生命線”。

3. 垂向動力學使用性能

車輛垂向動力學問題主要討論“路面—汽車—人”這一振動系統的動態特性，即汽車的平順性。為保證乘員舒適性及貨物完整性，通常用車身傳至人體的加速度、懸架彈簧動撓度及車輪與路面間的動載等3個系統輸出來評價汽車振動的平順性好壞。汽車理論的教學中，側重分析振動系統參數（主要是固有頻率及阻尼比）對性能指標的影響。智能車輛垂向運動控制主要是不同控制算法在主動懸架控制中的應用，需要基于振動系統的狀態空間模型描述，進一步對主動懸架的魯棒控制、模糊邏輯控制等算法作重點介紹，借助MATLAB/Simulink實現控制器的設計。

4. 綜合運動控制

運動控制是實現智能車輛自主行駛的關鍵，通常縱向控制和橫向控制分別研究的是智能車輛的速度及路徑跟蹤能力，垂向控制主要保證車輛的行駛平順性[7]。由于教學學時有限，在保證汽車理論課程主體知識完整性前提下，應合理刪減、優化教材部分章節內容，比如第五章涉及操縱穩定性與懸架、轉向系、傳動系的關系，相關知識點本身較難理解，可以通過設置基于MATLAB/ADAMS智能車輛多工況聯合仿真案例，實現車輛橫—縱—垂方向動力學耦合及關聯特性協調綜合控制分析。要求學生在線上網絡教學平臺完成相關知識點的自主學習。

（三）多元教學模式并用

汽車理論主要是對復雜的車輛系統動力學模型進行合理簡化，通過運動微分方程的推導建立汽車結構參數與使用參數的關系，并對使用性能指標進行評價。以教師講授為主的傳統教學模式，很難活躍課堂氣氛，學生的學習效率也較低。基于“新工科”建設對汽車理論課程內容設計做出的持續更新，將采用多元教學模式開展豐富的教學活動，支撐工程認證對課程目標及畢業生能力的達成要求。值得一提的是，教學模式與教學活動之間并不是簡單的一對一關系，一般可以根據課程知識點的分類及學習層次要求進行教學模式的匹配設計。（如表1）

為便于理解，這里對表1提供的部分知識點與教學模式的對應關系進行簡單說明。根據布魯姆關于知識的分類，將汽車理論課程知識點分為事實性知識、概念性知識和程序性知識，結合課程目標及畢業能力設置情況，在不同知識點分別對學生提出了解、理解、掌握、熟練等四個學習層次要求。

1. 事實性知識通常基于已經存在的事實，主要采取單一的講授式或探究式教學模式，學生可以通過老師的講解直接記憶汽車六大使用性能對應的評價指標，也可以通過調研探究的形式了解到常用的車輛系統動力性軟件。

2. 概念性知識可以認為是對事實性知識進行的抽象概括或建立的有效聯系。汽車理論對六大使用性能的概念描述十分嚴謹，比如老師在講授汽車動力性定義時會突出強調幾個措辭“良好路面”“直線行駛”“縱向外力”及“平均行駛速度”等幫助學生理解，啟發學生思考“壞路面”“轉彎行駛”“橫向外力”等條件下所對應的汽車使用性能。操縱穩定性與懸架、轉向系、傳動系等的關系重點在于側偏角相關影響因素（載荷）的變化，通過車輛駕駛情景體驗，感受乘員在加速、制動及轉彎等工況下身體的傾斜方向，學生便可以很容易對載荷的重新分布做出正確判斷。此外，開展基于MATLAB/ADAMS的車輛多工況聯合虛擬仿真案例教學，能夠對參數影響結果進行實時、動態的呈現，加深理解。

3.程序性知識主要涉及問題解決的程序或步驟。為了使學生熟練掌握簡單的汽車使用性能計算方法，通常可以采用板書+多媒體結合的形式對燃油汽車的經濟性、汽車的制動效率及制動距離等的計算過程進行詳細講解。電動化和智能化是汽車的發展方向，也是學生感興趣的專業方向。通過比較電機與發動機特性曲線的不同能夠對電動汽車經濟性的計算有所了解，可以通過基于ADVISOR的電動汽車能量經濟仿真分析，深入理解混合動力系統的工作過程。智能車輛運動控制主要涉及縱向、橫向、垂向及各自間的耦合動力學問題，將汽車運動描述由傳統的運動微分方程形式轉換成狀態空間模型表達，開展針對某個方向的智能車輛運動控制案例教學，并布置獨立或分組項目任務，要求學生理解智能車輛的運動控制原理。汽車理論主要是對使用性能的理論預測，可通過多媒體案例教學對試驗測試方法作簡要了解。

針對融入“新工科”元素的汽車理論課程內容設計，明確課程知識點的分類及學習層次要求，匹配合理的教學模式開展形式多樣的教學活動，有利于全面、有效地支撐課程目標及畢業要求的達成度評價。

二、基于OBE理念的汽車理論考核體系

工程教育專業認證的OBE成果導向理念主要強調學生通過學習能夠達到的最大能力。汽車理論作為車輛工程的專業核心課程，是學生今后從事汽車行業相關設計、研究和開發創新等工作的重要理論基礎，在本專業課程體系中的地位及作用是不可替代的。依據工程教育認證通用標準，要求汽車理論相關教學活動能夠對學生在工程知識、問題分析、使用現代工具及終身學習等方面的畢業能力形成較強支撐。畢業要求通過細化的指標點分解落實到課程，因此，需要合理設置課程目標與畢業要求的對應關系，對課程目標的達成情況進行合理性評價。基于OBE理念的課程目標合理性評價不再只是依據學生考試成績簡單做出的及格評價，應該是對貫穿整個教學過程的課程目標、課程教學內容、教學方式、考核方式等的全面分析，重點應該關注課程考核內容與方法的合理性。結合新工科建設需求，汽車理論應緊緊圍繞課程目標合理設置考核方式和內容。

1. 細化教學考核點

結合多元教學模式，根據知識點的分類及學習層次要求，從課堂講授紀律、教學互動、課后習題、平時測驗、線上學習、期末測試、探究教學報告、項目教學匯報等方面對知識及能力的達成進行綜合評價。

2. 多種考核方式相結合

平時測驗及期末測試主要是對工程知識進行較為全面的考查，適合采用集中筆試（開卷或閉卷）;項目式教學任務一般體現對課程多個畢業指標點的綜合考查，適合采取論文或設計形式并進行PPT匯報;課堂講授紀律、教學互動、課后習題、探究式教學任務等主要是教學的過程性考查，適合采取形成性考核;網絡教學平臺學習情況主要通過上機考試或線上平臺數據評價等。

3. 調整考核權重比例

新工科背景下工程認證標準更強調學生對知識的應用和學習能力，用于解決復雜車輛工程問題。因此，與工程知識、問題分析、使用現代工具及終身學習等畢業要求指標點對應的課程目標權重系數由原來的70%、20%、5%、5%分別調整為50%、25%、15%、10%，單一課程目標權重系數落實到整個教學的各個環節。

三、結語

在汽車“新四化”發展浪潮下，汽車基本使用性能依然是汽車產品最重要的市場競爭力。汽車理論作為傳授學生汽車基本使用性能知識的課程載體，是我國高等教育培養高素質汽車專業人才的基石。針對傳統工科專業課程教學的不足，開展以新工科建設為引領的汽車理論課程內容設計，探索適應工程教育專業認證標準、面向未來發展的汽車理論多元教學模式，制定以OBE為核心理念的汽車理論考核體系，有助于推進車輛工程的新工科改造升級，為國家培養出有責任、有擔當、有實踐創新能力、國際競爭力、能夠解決汽車新興產業復雜工程問題，能夠引領未來工程的高素質復合型人才。

參考文獻：

[1] 王中長. 基于OBE理念的“汽車理論”課程教學[J]. 西部素質教育，2020，6（17）：137-138.

[2] 吳娜，劉超，張士強. “新工科”背景下基于CDIO的地方本科院校汽車類專業“引領層進式”實踐教學模式的研究[J]. 教育教學論壇，2020，462（16）：163-164.

[3] 牛禮民. “新工科”建設背景下車輛工程專業的教學改革初探[J]. 科技風，2020（28）：55-57.

[4] 楊松. 基于項目驅動的《汽車理論》課程教學改革[J]. 汽車實用技術，2020，45（20）：205-207.

[5] 王俊，萬能，習文輝. 新工科背景下車輛工程專業現代設計方法課程課堂教學與實踐[J]. 中國現代教育裝備，2020，347（19）：59-61.

[6] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社，2018.

[7] 黃妙華，裴曉飛，喻厚宇. 智能車輛控制基礎[M]. 北京：機械工業出版社，2020.

（薦稿人：馬廷鋒，寧波大學教授）

（責任編輯：汪旦旦）