“車輛系統動力學”課程教學改革探索與實踐

摘 要：針對汽車產業發展的新形勢和新特點以及目前教學中存在的問題，對車輛相關專業的基礎理論核心課《車輛系統動力學》進行教學改革探索。革新教學理念，更新知識體系和教學內容，采用多元化的教學方法，優化課程考核評價方式，為提高學生的專業知識掌握效果、工程實踐能力、創新思維能力提供了有益參考。

關鍵詞：車輛工程 車輛系統動力學 教學改革

Abstract：In view of the new situation and new characteristics of the automobile industry and the current problems in teaching， the teaching reform and exploration of the core basic theory course "Vehicle System Dynamics"in vehicle-related majors is conducted. In practice， teaching concepts have been innovated， knowledge systems and teaching content have been updated， diversified teaching methods have been adopted， and course assessment methods have been optimized， which provides a beneficial reference for improving students' mastering effect of professional knowledge， engineering practice ability， and innovative ability.

Key words：vehicle engineering， vehicle system dynamics， teaching reform

1 引言

近年來，汽車電動化和智能化快速發展，汽車的內涵和外延發生了很大的變化，產業融合與學科交叉程度與日俱增，汽車行業對汽車人才的專業知識和技能需求發生了很大的改變。在研究生課程體系中，《車輛系統動力學》是一門主要面向車輛工程、自動駕駛、新能源汽車、交通運輸工程等車輛相關專業學生的基礎理論核心課。車輛系統動力學作為一門學科，已經有一百多年的發展歷史，它主要研究的是車輛系統運動與受力的關系，通過建立車輛的運動方程和數學模型，分析車輛的運動規律及其加速、制動、行駛平順性和操縱穩定性，并研究如何控制和改善性能。因此，無論是對于傳統內燃機汽車，還是對于新興的新能源汽車和自動駕駛智能車輛，車輛系統動力學知識都是其實現安全可靠可控運動的基礎。鑒于這門學科的重要性，國內很多理工科院校都將《車輛系統動力學》課程設置為一門重要的專業核心基礎課，對于培養汽車行業急需的卓越工程人才起著關鍵的作用。但是，目前《車輛系統動力學》課程教學還存在一些不足和問題，因此還需進行教學改革以不斷完善和提高，使其能夠更好地服務于汽車人才的培養。本文從汽車電動化和智能化發展引起的變革入手，對《車輛系統動力學》的教學內容、教學方法、課程考核評價方式、實踐環節等方面進行探討。

2 課程教學存在的問題

《車輛系統動力學》是一門典型的多學科交叉與知識體系復雜的課程。汽車電動化和智能化的快速發展，學生跨學科流動性增大，智能手機對課堂教學的負面影響等，給《車輛系統動力學》的教學帶來了新的挑戰，結合這門課程的特點，總結出如下問題：

2.1 課程內容更新速度慢，落后于汽車新技術的應用

汽車產量大、經濟附加值高、市場規模大，是先進科學技術率先應用的重點領域，因此汽車行業的新產品多，更新換代速度快。例如，汽車縱向動力學電控系統在較短的時間內就經歷了電子制動力分配系統（EBV）、防抱死系統（ABS）、電子差速鎖止系統（EDS）、驅動防滑系統（ASR）、電子穩定程序（ESP）、線控制動系統（BBW）等階段的發展。目前，車輛動力學相關的教材主要編著于上世紀90年代和本世紀初，后續雖有修訂，但是更新內容比例較小。現在國內高校的《車輛系統動力學》課程大都基于傳統內燃機汽車。需要注意的是，電動汽車的系統組成、底盤布局跟內燃機汽車差異明顯。例如，這兩類車在進行縱向動力學建模時的動力供應計算方法就不一樣，車輛沿前進方向的動力供求平衡方程顯然也不一樣。因此，以傳統內燃機汽車的動力學理論為主體的課程內容，已經不能滿足學生的興趣和人才培養的需求，急需更新。

2.2 課程理論性強，內容龐雜，學生學習興趣不高

車輛是一個由多個機械、液壓、電子、信息等子系統組成的復雜系統。因此，這門課程涉及知識面廣，需要學生在掌握數學分析、矩陣理論、汽車構造、汽車理論、汽車設計、空氣動力學、機械振動、理論力學、自動控制原理、現代控制理論等學科知識的基礎上，進行學習。教學內容多，為了在有限學時內完成教學任務，課程的講授速度一般較快，教學內容難以面面俱到，對部分內容點到為止。課程中的公式、模型非常多，推導公式需要耗費大量的教學時間，對于公式的推導，學生興趣不高，而且容易忘記，即使記住了公式和模型，學生也難與具體的工程問題聯系起來，運用時還是一頭霧水。此外，在智能手機豐富的軟件和強大的娛樂功能影響下，課程知識的吸引力日漸減小，學生的學習精力難以集中。如何提高學生的學習興趣，幫助學生更容易地理解和掌握專業知識，是本課程教學面臨的一個難題。

2.3 教學方法和考核評價模式單一

目前一些高校中，這門課程的教學方法還是以演示文稿和板書為主，對學生進行灌輸式單向教學，加上理論多，內容枯燥，課堂氣氛不活躍，缺乏互動。另外，受教學經費、教學條件和課時所限，無法開展實踐教學環節，理論與實踐結合不足。傳統的課程評價方法仍然是平時作業加期末閉卷考試的形式，缺乏對知識實際運用的考核。如何面向解決復雜工程問題的能力提升為教學目標，改變傳統考核方式，真正通過課程考核評價引導學生從知識學習向能力提升轉變，是這門課程面臨的另一個問題。

3 課程教學改革的思路

面對汽車人才培養的新挑戰，為了取得更好的教學效果，國內外的教育專家和工作者進行了很多嘗試和探索[1-5]。例如，北京理工大學的魏超和劉輝從革新教學觀念、重塑教學內容、豐富教學手段、完善考核評價體系四個方面提出了車輛系統動力學教學改革思路，并提出課程的教學目標是培養具有核心專業能力、多信息綜合分析能力、快速學習與分析解決問題能力的高水平人才[6]。華東交通大學的蔣益平等以卓越工程師教育培養為背景，整合和優化了教學內容，將教學內容分為基本理論模塊、專業關聯模塊、理論拓展模塊、創新素質培養模塊等幾大塊，模塊劃分細化到每一章節;注重前后課程的內容關聯，將先導課程知識與本課程知識進行有機融合，增加專業背景知識介紹，注重前后課程內容的關聯和鞏固;加強理論與實踐的結合[7]。德國、美國等汽車工業強國和地區，也在探索傳統車輛學科在汽車技術和產品快速發展時代的教育改革[8，9]。例如，德國一些高校的車輛動力學（Dynamik der Kraftfahrzeuge）教材中包含了汽車理論、汽車設計、汽車動力學等課程的內容，將三門課融為一體，課時多，講解系統，同時邀請有經驗的工程師參與教學，理論與實踐結合;美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）嘗試把對汽車感興趣的學生和有10年以上經驗的工程師混編為一個車輛動力學課程班，并使用了基于項目的學習方法（Project Based Learning， PBL），學生的精力集中程度和理解程度顯著提高，取得了較好的教學效果[10]。

借鑒國內外同行的教學成果，結合本校的教學特色，從以下幾個方面開展教改工作：（1）緊盯汽車發展趨勢和新技術的動態，尤其是汽車電動化和智能化的發展，在充分的調研基礎上，完善和更新課程內容;（2）革新教學理念，改進教學方法，在課堂上多使用易懂和可視化程度高的教學手段，加強與實踐的結合，引導學生運用知識解決實際工程問題，活學活用;（3）制作基于實例和項目的教案，從應用實例引出理論和原理，進行系統地講授，然后再引導學生將知識應用于其他方面，以實現觸類旁通;（4）加強對先修知識和內容的解釋和補充，以利于基礎薄弱的本專業學生和跨專業學生對課程知識的理解和掌握。《車輛系統動力學》課程教學改革的大體思路如圖1所示。

4 課程教學實踐

4.1 更新課程教學內容和教學講義

補充電動汽車和智能駕駛相關的內容，例如，在車輛縱向動力學教學中補充電動汽車驅動、制動等內容，在車輛側向動力學教學中補充線控轉向系統、車道保持輔助系統等內容，在車輛垂向動力學教學中補充了懸架系統仿真、主動懸架系統控制等內容。針對專業流動性增大，跨專業學生增加等情況，在課程講義中補充了汽車構造、汽車理論、自動控制等先修課程的知識點小貼士，以幫助學生能夠更好地理解和掌握本課程內容。例如，在汽車制動動力學部分，補充了汽車制動系統組成和工作原理的內容。在講解汽車防抱死制動系統時，補充了PID控制的知識等。為了增進課程內容與工程實踐之間的關系，編寫多個工程應用實例教案，包含運動模型物理描述、數學模型建立、系統特性分析、系統指標確定、仿真模型或程序、結果分析等內容，幫助學生進一步理解車輛系統動力學的理論的用途和如何運用。

4.2 綜合運用多種教學方法，提高教學效果

與文字相比，圖片、動畫、視頻等更加直觀，也更易被理解。因此，本課程教學前收集和整理了很多汽車動力學理論、原理和汽車動力學系統的圖片、動畫、視頻等素材，加入到教學的PPT中，形成多媒體的展示材料，通過可視化的多媒體教學手段，輔助運用仿真軟件，使學生更加容易地理解和記憶理論、公式和原理。采用啟發式和問題導向教學方法，引導學生站位轉向系統、制動系統、懸架系統工程師等角色，進行啟發性提問，引導學生進行主動式學習。采用討論式教學方法，例如，針對目前一些配備輔助駕駛功能的電動汽車出現制動失效的問題，從汽車驅動和制動動力學、電動汽車與內燃機汽車的制動系統差異、線控制動的控制策略、冗余設計等多個角度，與學生進行討論。制作多個貼近工程實際的教學案例，進行案例式教學，激發學生的學習興趣，引導學生主動運用知識解決工程實際問題。

4.3 優化課程考核評價方式，以評促學

課程考核是教學中的重要一環，具有導向功能、反饋功能、評價功能等作用，對學生的學習方式和效果具有重要影響，也是考查課程教學效果和學生學習情況最有效的手段。本課程的考核目標是客觀真實地反映學生對知識的理解、掌握和運用情況，同時引導學生進行主動思考、創新思維、提出問題、分析問題和解決問題，將傳統的閉卷考試考核方式改為考查制。課程成績由平時表現、案例實踐、課程論文、期末答辯四部分組成。平時表現主要考查學生在課堂上的學習表現、問題回答參與情況等;案例實踐與課程論文是由學生自選或與教師討論后選取一個車輛動力學領域的工程問題，采用仿真、實驗、理論分析中的一種或兩種方法對問題進行分析和討論，并形成一篇課程論文，教師從工作量、難度、創新性、完成程度等多方面進行評定;期末答辯是學生使用PPT對自己完成的工程問題分析案例和課程論文進行答辯，根據答辯時的表現進行成績評定。這種綜合的考核評價方式，能夠學生的知識運用、創新和實踐能力，還可以引導學生主動學習，縮短學校教育與工程實踐之間的距離，取得了較好的效果。

5 總結

以電動化和智能化為顯著特征的汽車科技革命和產業變革快速推進，汽車行業對人才專業知識和技能的需求發生了很大變化。針對新形勢、新技術和新工科建設的要求，在調研和分析目前課程內容和教學上存在的問題的基礎上，開展《車輛系統動力學》課程的教學改革探索和實踐。革新教學理念，更新教學內容和教學講義，補充電動汽車和智能駕駛相關的內容，針對跨專業學生增加了先修課程知識點小貼士;綜合運用多媒體素材、啟發式教學、案例式教學等方法;優化課程考核評價方式，以評促學，引導學生主動學習和思考問題。通過課程教學改革實踐，學生對知識的理解和掌握效果提升明顯，對學生的工程實踐能力、創新思維培養起到了積極的作用，可以為卓越的車輛工程技術和科學研究人才培養提供參考。

基金項目：北航研究生教育與發展研究專項基金項目“汽車電動化和智能化背景下《車輛系統動力學》課程教學探索與實踐”;北航教改項目“汽車產業變革背景下車輛工程新工科人才培養模式研究”;北航一流本科課程建設項目。

參考文獻：

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作者簡介

李立軍：男，博士，北京航空航天大學交通科學與工程學院，碩士生導師，研究方向為汽車輕量化和智能化。