基于工程開發(fā)實例的汽車設計課程理實一體化教學改革與實踐

任立海 黃江 郭棟 黃澤好

重慶理工大學車輛工程學院 重慶市 400054

國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的提出，以現(xiàn)代化戰(zhàn)略性需求帶動新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)變革，為今后實施好創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略進行了全面的部署。這一戰(zhàn)略方針的提出，為全國各大高校科技工作和教育事業(yè)發(fā)展方向提出了明確的指導。同時，隨著2019 年《中國教育現(xiàn)代化2035》中“加大應用型、復合型、技術型人才培養(yǎng)比重”方針的提出，表明了應用型本科人才培養(yǎng)已成為了我國高等教育發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標。現(xiàn)代汽車行業(yè)的不斷發(fā)展對汽車設計課程提出了更高的要求，只有對教學課程更新改革才能適應當下行業(yè)對人才的需求[1]。提高課程創(chuàng)新性、先進性、實時性，培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才，貼合企業(yè)需求，提高學生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新性能力是助力汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展與輸送高水平人才的必要條件。

1 汽車設計課程傳統(tǒng)教學存在的問題

汽車設計課程是以高等數(shù)學、力學、機械、材料等前述專業(yè)知識為基礎，系統(tǒng)講授汽車總體及零部件設計與計算方法的重要專業(yè)核心課程；是車輛工程專業(yè)教學體系中對學生工作就業(yè)有較強指導作用的一門主干課程[2]；同時，汽車設計課程也是支撐“綜合運用專業(yè)基礎知識和專業(yè)知識解決汽車設計領域?qū)嶋H工程問題”這一重要人才培養(yǎng)畢業(yè)要求的關鍵課程。然而，相較于汽車行業(yè)的飛速發(fā)展與技術領域的日益革新，傳統(tǒng)的汽車設計課程教學方式與內(nèi)容方面已明顯落后于目前的行業(yè)要求與工程需求[3]。汽車設計課程教學體系存在的諸多問題，難以支撐當前學生的畢業(yè)要求，更難以滿足汽車行業(yè)當前對高素質(zhì)綜合型應用人才的需求。該課程在教學方法與過程中存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 課程內(nèi)容陳舊

當前汽車設計課程在內(nèi)容上仍以傳統(tǒng)的商用車底盤設計為主，內(nèi)容陳舊，同時涉及到的設計方法等都較為傳統(tǒng)，缺少現(xiàn)代化汽車設計的新技術。這一傳統(tǒng)的教學方式，使得學生所汲取的知識與乘用車等現(xiàn)代化汽車設計需求嚴重脫節(jié)，對高素質(zhì)綜合應用型人才培養(yǎng)支撐乏力，與汽車行業(yè)對人才的需求不匹配。

1.2 教學方式單一

由于課程內(nèi)容過于強調(diào)知識體系的完整性而導致內(nèi)容臃腫不堪。且在課程教學方面，當前采取的授課方式主要為理論講授，教學方式單一，學生無法高效率、高質(zhì)量地吸收相關知識。另外由于知識面太廣，傳統(tǒng)的理論知識講授已經(jīng)占據(jù)全部課時，無法引入先進的教學方式，不利于學生工程問題分析與解決能力的培養(yǎng)。

2 基于工程開發(fā)實例的教學改革

教學改革是在傳統(tǒng)教學方式的基礎上，保留有益于教學發(fā)展，能適應新時代發(fā)展與社會需求的同時，摒棄部分不合理、不充分、不健全的陳舊教學方式。

2.1 基于工程開發(fā)實例的教學目標

針對目前教學方式存在的不足之處，從課程內(nèi)容和授課方式兩方面進行優(yōu)化改進。

鑒于汽車設計課程內(nèi)容過于陳舊且繁雜臃腫的問題，弱化冗余的大面積覆蓋的理論知識內(nèi)容，調(diào)整繁雜的教學體系，側(cè)重于培養(yǎng)學生的工程邏輯思維以及對于實際工程問題的解決能力。

授課方式以現(xiàn)代乘用車設計開發(fā)的實際工程案例為對象，引入行業(yè)最新的汽車設計流程和體系，在更新教學內(nèi)容的同時，實現(xiàn)以工程實例教學為引領的課堂翻轉(zhuǎn)模式，旨在加強學生的自主學習能力，培養(yǎng)學生的設計創(chuàng)新思維，鞏固學生的基礎理論知識，提高學生的主動學習熱情，從學生的思想、行為和素養(yǎng)等多方面引領，切實提高高素質(zhì)綜合應用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

2.2 工程開發(fā)實例與教學體系相結(jié)合的必要性

與重點培養(yǎng)學生理論知識與社會研究的文科類教育不同，工科生教育應側(cè)重于培養(yǎng)學生良好的專業(yè)實踐能力，同時兼并扎實的基礎理論知識，以培養(yǎng)高層次的應用型人才為主。引入實際工程開發(fā)實例，能夠提高教學質(zhì)量和學生的工程思維。

2.2.1 工程開發(fā)實例可以提高工程思維的培養(yǎng)

通過工程開發(fā)實例的學習，學生可以參與到汽車設計相關案例的實踐中去，親身體驗學習能夠與行業(yè)無縫銜接的實際工程開發(fā)設計理念、思路、方法及工具，充分理解汽車設計理論。彌補缺乏實際工程經(jīng)歷而欠缺的實踐環(huán)節(jié)，減少理論知識與工程實踐的脫節(jié)現(xiàn)象，提高學生思考問題，解決問題的能力。讓學生知其然，并且知其所以然，強化實際工程設計能力，切實提高工程思維水平。

2.2.2 工程開發(fā)實例有利于教學體系的理論與實踐相結(jié)合

引入工程開發(fā)實例為基礎的課程教學方式，一方面能夠讓學生通過實際案例了解工程開發(fā)實際的性能要求、載荷與邊界條件、設計分析流程等現(xiàn)代化汽車設計理論和工程開發(fā)方法，另一方面能夠讓學生親身感受工程實際的實驗和實踐環(huán)節(jié)，強化理論基礎與工程背景的關聯(lián)，切實可行地加強對學生工程實踐能力的培養(yǎng)。引入工程案例，通過理論指導實踐，通過實踐學習理論，從根本上落實理實一體化的教學培養(yǎng)模式。

圖1 理論教學、工程實例與實踐教學的關聯(lián)機制

3 汽車設計課程理實一體化教學內(nèi)容

課程教學以精準詳細的基礎理論知識講解為基礎，以培養(yǎng)學生工程思維與解決實際工程問題的能力為前提，以滿足現(xiàn)代化汽車設計需求的工程實例為核心，切實可行地改善理論知識學習，強化實踐教學環(huán)節(jié)，緊扣理實一體化教學理念。

教學內(nèi)容依據(jù)工程開發(fā)實際的性能要求、載荷與邊界條件、設計分析流程，設定教學案例分析的設計目標、輸入條件、評價指標及參考方法流程等，形成規(guī)范化的教學體系。

3.1 教學改革內(nèi)容

引入工程實例為課程基礎，從教學內(nèi)容與教學方式兩方面改善教學現(xiàn)狀。結(jié)合工科教育應注重實踐教學與綜合能力培養(yǎng)的基本原則，主要從以下兩個方面對教學內(nèi)容進行改革與設計。

3.1.1 轉(zhuǎn)變學習方式

引領學生在課前進行課程預習與相關知識點的學習，讓學生提前對教學內(nèi)容有所了解。較為簡單的知識課前自學，課程難點保留思考，并在之后的課堂上進行交流式互相學習。老師授課不再局限于大量的理論知識陳述，通過一系列的問題進行引導式授課，引導學生獨立思考與相互交流，把課前學習知識與課堂授課內(nèi)容相結(jié)合，更高效、高質(zhì)地學習課程內(nèi)容。

3.1.2 工程實例與理論教學相結(jié)合

做到汽車設計課程的核心理論知識與相關的典型案例相結(jié)合，對工程實例的真實開發(fā)條件與流程進行多角度、全方位剖析，做到案例與理論相結(jié)合，提高學生的學習積極性與學習效率，增加學生對于實際工程開發(fā)的認知與解決問題的能力。

3.2 課程教學模式

傳統(tǒng)教學是以教師為中心的教師授課、學生聽講的的教學模式[4]。這種模式下學生處于被動學習狀態(tài)，限制了學生的學習欲望與主動性。引入翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，強化課堂學習效率，促進師生產(chǎn)生深層次溝通，從主觀上改變學生的思維方式與學習效能。傳統(tǒng)教學模式與翻轉(zhuǎn)課堂教學模式比較情況如圖2。

圖2 傳統(tǒng)教學模式與翻轉(zhuǎn)課堂教學模式比較

翻轉(zhuǎn)課堂就是把傳統(tǒng)的教學模式進行顛倒，從教師課上講-學生課后完成功課的模式變?yōu)閷W生課前學習-課堂教師引導學習的模式，有助于學生主動思考，互相交流解決問題[5]。汽車設計課程引入翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，結(jié)合工程實例，引導學生完成零部件等的開發(fā)設計與性能驗證，對學生的學習能力、工程思維培養(yǎng)有著積極意義。

3.3 工程實例來源途徑

汽車設計課程引入的工程案例是教學內(nèi)容的核心部分，選取具有實際工程意義，符合現(xiàn)代汽車設計理念，貼合先進技術需求的案例是教學改革得以實現(xiàn)理實一體化的重要環(huán)節(jié)。課程所引入的工程案例以工程開發(fā)實例為來源，將車型研發(fā)設計及性能驗證中的實際工程轉(zhuǎn)化為課程教學案例，符合實際工程情況。符合教學改革目標的工程實例主要通過以下途徑獲取與選擇。

在教學過程中，依據(jù)整車開發(fā)設計與驗證流程，依托本校車輛工程學院和汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗的產(chǎn)學研合作平臺下的科研合作項目，制定工程實例選取準則、案例載荷與邊界條件規(guī)范、理實一體化教學內(nèi)容，選取開發(fā)階段的關鍵和典型設計案例。

3.4 工程實例在汽車設計課程中應用的內(nèi)容設計

實際工程案例引入課程教學主要以運用高精度CAE 模擬技術的方法，依據(jù)工程設計方案開發(fā)流程的載荷與邊界、性能要求等實際條件，建設與工程實例相結(jié)合的仿真教學模式，讓學生學以致用，深入思考，學習相關的工程實踐環(huán)節(jié)與設計理念。主要包括了汽車懸架仿真前處理、汽車懸架虛擬仿真、汽車懸架仿真后處理一系列教學模塊。

圖3 懸架幾何模型

3.4.1 汽車懸架仿真前處理

前處理模塊包括了幾何清理與網(wǎng)格劃分兩個部分。懸架結(jié)構(gòu)由實體部件與薄板結(jié)構(gòu)組成，且由于模型小特征較多，故通常需要對模型進行適當?shù)暮喕幚恚硗饩W(wǎng)格劃分時在接觸位置與應力集中位置也需要相對較密的網(wǎng)格。通過前處理學習，掌握面對復雜零件時的合理化簡化模型與幾何清理技術，以及殼單元與實體單元的網(wǎng)格劃分技術。

3.4.2 汽車懸架仿真分析

仿真分析包括了材料參數(shù)設置、邊界條件設置兩部分。在材料參數(shù)設置部分，熟悉常用材料的力學特性，考慮懸架的實際運轉(zhuǎn)過程，掌握高強度金屬材料與彈塑性材料的設置。邊界條件部分，根據(jù)實際工況運轉(zhuǎn)構(gòu)建有限元模型，完成對懸架的各部件鏈接與簡化工作，如設置軸承連接與球形連接，減震器中氣動裝置的簡化和彈簧單元的創(chuàng)建方法，并進一步掌握剛性體與柔性體之間的連接方式。

3.4.3 汽車懸架仿真后處理

本模塊主要包括對懸架結(jié)構(gòu)剛度分析，關鍵曲線數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評估部分。通過仿真結(jié)果對懸架撓度，彈性元件剛度，導向機構(gòu)強度和減震機構(gòu)效能進行評估，分析和總結(jié)該懸架在剛度和減震方面存在的問題，為學生在懸架設計與針對不同工況的優(yōu)化提供理論基礎和實踐經(jīng)驗。

4 結(jié)語

汽車行業(yè)飛速發(fā)展與變革的今天，引入實際工程開發(fā)實例與汽車設計課程內(nèi)容相結(jié)合的教學改革是迎合新工科建設發(fā)展的必由之路。基于工程實例的課程教學模式改善了以大量理論授課為主而缺少實際工程開發(fā)訓練這一情況的不足之處，切實可行地把理論知識與工程實踐進行了良好的銜接。通過這一教學改革，促進了師生相互溝通、學生相互交流的優(yōu)質(zhì)學習平臺的建立，全面推進了理論與實踐一體化的教學模式，對提高學習積極性，鍛煉自主學習能力，培養(yǎng)學生工程思維與強化學生解決實際工程問題的能力具有積極的促進作用。