計算機模擬在《汽車理論》教學(xué)中的應(yīng)用

徐哲　路世青　陳瑩瑩　黃澤好

摘? ?要：《汽車理論》課程理論性較強，傳統(tǒng)教學(xué)過程顯得枯燥乏味。圍繞計算機模擬教學(xué)方法的類型、學(xué)生的參與、與理論教學(xué)、試驗教學(xué)的關(guān)系，以及存在的困難四個問題進行分析探討，結(jié)果表明計算機模擬教學(xué)方法可以增加汽車理論教學(xué)的直觀性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：教學(xué)? 汽車理論? 計算機模擬教學(xué)? 學(xué)生參與

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0205-02

Abstract：The vehicle theory is difficult to learn because of its heavy logicalization. The traditional teaching method looks like boring. The simulation teaching method can show directly， so it looks like actively. There are four discussed parts as follow ： the type of the simulation teaching method， the involved of the students during the teaching process， the relationship among simulation teaching， the pure theory teaching and the experiment? teaching and the difficult in the simulation teaching. It shows that the simulation teaching can improve the visualization of the vehicle theory and the students interest.

Key Words：Teaching; Vehicle theory; Simulation teaching; Involved of the students

汽車理論是理論性比較強的課程，其中涉及到大量的公式推導(dǎo)，這使得學(xué)生對這門課感覺比較枯燥和乏味[1]。同時由于汽車的動態(tài)響應(yīng)通常采用微分方程表達，其計算結(jié)果往往是一條曲線，很難與車輛的實際運行狀態(tài)聯(lián)系起來，學(xué)生難以直觀地感受車輛的狀態(tài)變化。如何既讓學(xué)生掌握汽車理論中的研究問題、研究方法，同時又將結(jié)果更直觀地展示出來，是汽車理論教學(xué)中較難解決的問題。

計算機模擬是汽車理論研究的重要方法之一，汽車理論研究中涉及到的大量運算，可以借助計算機的高速計算得到結(jié)果[2]。在汽車開發(fā)中，采用計算機模擬方法可以方便地改變模型或外界條件參數(shù)，這些結(jié)果可以作為實際試驗的參考，因此，現(xiàn)在一些汽車研究機構(gòu)已將計算機模擬作為人才招聘的必備技能之一[3]。所以在汽車理論教學(xué)中很有必要將計算機模擬方式引入進來[4]。現(xiàn)在很多與車輛有關(guān)的仿真軟件通過多媒體技術(shù)可以直觀地展示給學(xué)生，可以有效地提高理論教學(xué)的直觀性和生動性[5]。

1? 計算機模擬教學(xué)方法的類型

汽車理論教學(xué)中采用的計算機教學(xué)方法主要分為三種類型，一是采用ADAMS軟件進行教學(xué)，二是采用Carsim軟件進行，三是采用MATLAB進行仿真計算。

其中ADAMS軟件屬于多體動力學(xué)軟件，該軟件需要建立車輛的實際機械結(jié)構(gòu)模型，由于車輛的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，這對系統(tǒng)的實時仿真造成了很大的問題。而且汽車理論中往往將汽車的某些參數(shù)集中考慮，并不是機械尺寸或者機械參數(shù)。比如側(cè)偏剛度，這些參數(shù)難以在ADAMS軟件中直觀地體現(xiàn)出來，因此該軟件通常只用來展示某些汽車試驗的響應(yīng)。

另外一種方式是使用MATLAB軟件進行模擬，MATLAB軟件是研究工作中最常用的仿真軟件，它屬于編程語言仿真軟件。這種編程語言類的模擬方式，可以與課程中的理論推導(dǎo)結(jié)合起來。比如汽車操縱穩(wěn)定性教學(xué)中的對汽車轉(zhuǎn)向特性的研究，在根據(jù)理論推導(dǎo)出車輛的二自由度模型后，可以采用MATLAB編程計算得到車輛的響應(yīng)曲線。在進一步需要對其中的參數(shù)如輪胎側(cè)偏剛度的影響進行分析時，由于這些參數(shù)是直接包含在模型中的，所以可以方便地進行更改。采用MATLAB軟件可以方便地以曲線的形式展示汽車理論課程中的計算結(jié)果，并進行直接對比。

但MATLAB軟件得到的結(jié)果只能是曲線軌跡，對學(xué)生來講仍然是抽象的。為了降低學(xué)生的理解難度，需要在操縱穩(wěn)定性方面給學(xué)生更為直觀的感受，這就需要動畫演示。動畫演示的實現(xiàn)一方面可以使用前述的ADAMS軟件進行，另外也可以采用Carsim軟件進行。Carsim軟件中集成了車輛動力學(xué)模型，該模型與汽車理論中得到的模型最為接近。汽車理論中的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、過度轉(zhuǎn)向等問題，可以采用Carsim軟件進行仿真并動畫演示，通過直觀地展示車輛的響應(yīng)結(jié)果，能夠使學(xué)生獲得更深的理解。在教學(xué)中，還可以更改模型中的參數(shù)，獲得不同車輛的動態(tài)響應(yīng)。作為專業(yè)的車輛動力學(xué)軟件，Carsim還可以模擬汽車的多種實驗，如對開路面ABS效果試驗、轉(zhuǎn)彎制動試驗、雙移線試驗等。甚至在軟件中可以增加駕駛員環(huán)節(jié)，在車輛穩(wěn)定性研究涉及到的試驗中，就可以通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向輸入進行比較。這些試驗使得汽車理論教學(xué)中視覺上的解釋更為明顯，也更能喚起學(xué)生的興趣。

2? 計算機模擬教學(xué)中學(xué)生的參與

傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教學(xué)過程包括教師、學(xué)生和教材三個主要要素。學(xué)生只能被動地接受老師的理論灌輸，缺少主動性。計算機模擬教學(xué)，一方面可以由老師在課堂上來進行模擬，給學(xué)生進行展示，另一方面也可以由學(xué)生參與完成，通過學(xué)生的上機操作，自己獲得車輛的動態(tài)展示。

由于計算機模擬相對于實際試驗操作更為簡便，所以，在教學(xué)中可實施性更強，學(xué)生可以人手一臺電腦進行實際操作。在該環(huán)節(jié)中，由于學(xué)生屬于主動參與且結(jié)果顯示比較生動，所以大部分對此比較感興趣。同時由于在計算機上模擬車輛響應(yīng)可以實施考核，因此也可給學(xué)生提出硬性指標，讓學(xué)生實際操作，加深學(xué)生對汽車理論的理解。

3? 計算機模擬教學(xué)和理論教學(xué)、試驗教學(xué)的關(guān)系

把計算機模擬穿插到傳統(tǒng)的教學(xué)模式中也是在實際教學(xué)中需要重點關(guān)注的問題。計算機模擬教學(xué)方式由于其固有的特點無法完全替代傳統(tǒng)的理論教學(xué)和試驗教學(xué)。理論教學(xué)更多的是教給學(xué)生分析問題的方法，并要學(xué)生掌握其中的邏輯性。而試驗教學(xué)則是學(xué)生學(xué)習(xí)與汽車理論相關(guān)的試驗方法，是工科學(xué)生的必備環(huán)節(jié)。即使如此，計算機模擬教學(xué)依然可以提高學(xué)生在這兩方面的理解程度，比如在理論推導(dǎo)獲得系統(tǒng)的微分方程后，計算機模擬可以幫助學(xué)生直接獲得計算結(jié)果，加深學(xué)生對車輛響應(yīng)的理解。

而計算機模擬教學(xué)對試驗教學(xué)的促進作用則主要表現(xiàn)在，實際試驗中有些條件是很難去改變的，但計算機模擬可以設(shè)置不同的試驗環(huán)境，做更多的不同條件下的試驗，其中包括做很多實際中無法進行的試驗，并給學(xué)生直觀的感受。

4? 計算機模擬教學(xué)存在的一些問題

計算機教學(xué)中存在的主要問題是需要學(xué)生學(xué)習(xí)模擬軟件，這對大三的學(xué)生來講，稍微有些困難。解決的方法是在教學(xué)中減少軟件的學(xué)習(xí)量。在前述部分，介紹了三種軟件進行計算機模擬教學(xué)，但實際上學(xué)生只要掌握其中一個軟件就已經(jīng)比較吃力了，所以教學(xué)中只能最低限度地要求學(xué)生掌握一種軟件，比如僅僅學(xué)習(xí)能夠進行動畫展示的Carsim軟件，而不去專門學(xué)習(xí)MATLAB軟件。

另外一種解決方法是在車輛相關(guān)專業(yè)的本科生培養(yǎng)方案中增加計算機仿真課程，主要講授MATLAB軟件的使用方法。對于本科生而言，已經(jīng)接觸了C語言等計算機編程的基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)MATLAB語言，并不是很難。同時在汽車理論教學(xué)中，可以通過提供示例程序等，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

除此以外，可以考慮在車輛相關(guān)專業(yè)中專門增加汽車仿真課程，該課程給學(xué)生講授諸如Carsim等的專業(yè)仿真軟件，在專業(yè)內(nèi)完成仿真課程的教學(xué)，

5? 結(jié)語

計算機模擬教學(xué)可以以直觀的方式展示給學(xué)生，還可提高學(xué)生的參與程度，通過與傳統(tǒng)理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合，可以有效地激發(fā)學(xué)生對該理論課的學(xué)習(xí)興趣，加深對汽車理論的理解。但在教學(xué)中需要注意學(xué)生學(xué)習(xí)軟件時的困難，在實際教學(xué)中需要降低軟件學(xué)習(xí)的要求。

參考文獻

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