基于工程開發(fā)實例的汽車設(shè)計課程理實一體化教學(xué)改革與實踐

任立海 黃江 郭棟 黃澤好

重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)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?？萍脊ぷ骱徒逃聵I(yè)發(fā)展方向提出了明確的指導(dǎo)。同時，隨著2019 年《中國教育現(xiàn)代化2035》中“加大應(yīng)用型、復(fù)合型、技術(shù)型人才培養(yǎng)比重”方針的提出，表明了應(yīng)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(biāo)。現(xiàn)代汽車行業(yè)的不斷發(fā)展對汽車設(shè)計課程提出了更高的要求，只有對教學(xué)課程更新改革才能適應(yīng)當(dāng)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(fù)合型創(chuàng)新人才，貼合企業(yè)需求，提高學(xué)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(shè)計課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

汽車設(shè)計課程是以高等數(shù)學(xué)、力學(xué)、機械、材料等前述專業(yè)知識為基礎(chǔ)，系統(tǒng)講授汽車總體及零部件設(shè)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(xué)體系中對學(xué)生工作就業(yè)有較強指導(dǎo)作用的一門主干課程[2]；同時，汽車設(shè)計課程也是支撐“綜合運用專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識解決汽車設(shè)計領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題”這一重要人才培養(yǎng)畢業(yè)要求的關(guān)鍵課程。然而，相較于汽車行業(yè)的飛速發(fā)展與技術(shù)領(lǐng)域的日益革新，傳統(tǒng)的汽車設(shè)計課程教學(xué)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(shè)計課程教學(xué)體系存在的諸多問題，難以支撐當(dāng)前學(xué)生的畢業(yè)要求，更難以滿足汽車行業(yè)當(dāng)前對高素質(zhì)綜合型應(yīng)用人才的需求。該課程在教學(xué)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(dāng)前汽車設(shè)計課程在內(nèi)容上仍以傳統(tǒng)的商用車底盤設(shè)計為主，內(nèi)容陳舊，同時涉及到的設(shè)計方法等都較為傳統(tǒng)，缺少現(xiàn)代化汽車設(shè)計的新技術(shù)。這一傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使得學(xué)生所汲取的知識與乘用車等現(xiàn)代化汽車設(shè)計需求嚴(yán)重脫節(jié)，對高素質(zhì)綜合應(yīng)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(xué)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(dǎo)致內(nèi)容臃腫不堪。且在課程教學(xué)方面，當(dāng)前采取的授課方式主要為理論講授，教學(xué)方式單一，學(xué)生無法高效率、高質(zhì)量地吸收相關(guān)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(xué)方式，不利于學(xué)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(xué)改革

教學(xué)改革是在傳統(tǒng)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上，保留有益于教學(xué)發(fā)展，能適應(yīng)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(xué)方式。

2.1 基于工程開發(fā)實例的教學(xué)目標(biāo)

針對目前教學(xué)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(shè)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(xué)體系，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)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(shè)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(shè)計流程和體系，在更新教學(xué)內(nèi)容的同時，實現(xiàn)以工程實例教學(xué)為引領(lǐng)的課堂翻轉(zhuǎn)模式，旨在加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新思維，鞏固學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)熱情，從學(xué)生的思想、行為和素養(yǎng)等多方面引領(lǐng)，切實提高高素質(zhì)綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

2.2 工程開發(fā)實例與教學(xué)體系相結(jié)合的必要性

與重點培養(yǎng)學(xué)生理論知識與社會研究的文科類教育不同，工科生教育應(yīng)側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生良好的專業(yè)實踐能力，同時兼并扎實的基礎(chǔ)理論知識，以培養(yǎng)高層次的應(yīng)用型人才為主。引入實際工程開發(fā)實例，能夠提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)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(xué)習(xí)，學(xué)生可以參與到汽車設(shè)計相關(guān)案例的實踐中去，親身體驗學(xué)習(xí)能夠與行業(yè)無縫銜接的實際工程開發(fā)設(shè)計理念、思路、方法及工具，充分理解汽車設(shè)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(xué)生思考問題，解決問題的能力。讓學(xué)生知其然，并且知其所以然，強化實際工程設(shè)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(xué)體系的理論與實踐相結(jié)合

引入工程開發(fā)實例為基礎(chǔ)的課程教學(xué)方式，一方面能夠讓學(xué)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(shè)計分析流程等現(xiàn)代化汽車設(shè)計理論和工程開發(fā)方法，另一方面能夠讓學(xué)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(chǔ)與工程背景的關(guān)聯(lián)，切實可行地加強對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。引入工程案例，通過理論指導(dǎo)實踐，通過實踐學(xué)習(xí)理論，從根本上落實理實一體化的教學(xué)培養(yǎng)模式。

圖1 理論教學(xué)、工程實例與實踐教學(xué)的關(guān)聯(lián)機制

3 汽車設(shè)計課程理實一體化教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)以精準(zhǔn)詳細的基礎(chǔ)理論知識講解為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)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(shè)計需求的工程實例為核心，切實可行地改善理論知識學(xué)習(xí)，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，緊扣理實一體化教學(xué)理念。

教學(xué)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(shè)計分析流程，設(shè)定教學(xué)案例分析的設(shè)計目標(biāo)、輸入條件、評價指標(biāo)及參考方法流程等，形成規(guī)范化的教學(xué)體系。

3.1 教學(xué)改革內(nèi)容

引入工程實例為課程基礎(chǔ)，從教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式兩方面改善教學(xué)現(xiàn)狀。結(jié)合工科教育應(yīng)注重實踐教學(xué)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(xué)內(nèi)容進行改革與設(shè)計。

3.1.1 轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

引領(lǐng)學(xué)生在課前進行課程預(yù)習(xí)與相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生提前對教學(xué)內(nèi)容有所了解。較為簡單的知識課前自學(xué)，課程難點保留思考，并在之后的課堂上進行交流式互相學(xué)習(xí)。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(dǎo)式授課，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考與相互交流，把課前學(xué)習(xí)知識與課堂授課內(nèi)容相結(jié)合，更高效、高質(zhì)地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。

3.1.2 工程實例與理論教學(xué)相結(jié)合

做到汽車設(shè)計課程的核心理論知識與相關(guān)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(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與學(xué)習(xí)效率，增加學(xué)生對于實際工程開發(fā)的認(rèn)知與解決問題的能力。

3.2 課程教學(xué)模式

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

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)模式與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式比較

翻轉(zhuǎn)課堂就是把傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行顛倒，從教師課上講-學(xué)生課后完成功課的模式變?yōu)閷W(xué)生課前學(xué)習(xí)-課堂教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)的模式，有助于學(xué)生主動思考，互相交流解決問題[5]。汽車設(shè)計課程引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，結(jié)合工程實例，引導(dǎo)學(xué)生完成零部件等的開發(fā)設(shè)計與性能驗證，對學(xué)生的學(xué)習(xí)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(shè)計課程引入的工程案例是教學(xué)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(shè)計理念，貼合先進技術(shù)需求的案例是教學(xué)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(shè)計及性能驗證中的實際工程轉(zhuǎn)化為課程教學(xué)案例，符合實際工程情況。符合教學(xué)改革目標(biāo)的工程實例主要通過以下途徑獲取與選擇。

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

3.4 工程實例在汽車設(shè)計課程中應(yīng)用的內(nèi)容設(shè)計

實際工程案例引入課程教學(xué)主要以運用高精度CAE 模擬技術(shù)的方法，依據(jù)工程設(shè)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(shè)與工程實例相結(jié)合的仿真教學(xué)模式，讓學(xué)生學(xué)以致用，深入思考，學(xué)習(xí)相關(guān)的工程實踐環(huán)節(jié)與設(shè)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(xué)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(dāng)?shù)暮喕幚?，另外網(wǎng)格劃分時在接觸位置與應(yīng)力集中位置也需要相對較密的網(wǎng)格。通過前處理學(xué)習(xí)，掌握面對復(fù)雜零件時的合理化簡化模型與幾何清理技術(shù)，以及殼單元與實體單元的網(wǎng)格劃分技術(shù)。

3.4.2 汽車懸架仿真分析

仿真分析包括了材料參數(shù)設(shè)置、邊界條件設(shè)置兩部分。在材料參數(shù)設(shè)置部分，熟悉常用材料的力學(xué)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(shè)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(shè)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(guān)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(dǎo)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(xué)生在懸架設(shè)計與針對不同工況的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)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(shè)計課程內(nèi)容相結(jié)合的教學(xué)改革是迎合新工科建設(shè)發(fā)展的必由之路?；诠こ虒嵗恼n程教學(xué)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(xùn)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(xué)改革，促進了師生相互溝通、學(xué)生相互交流的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)平臺的建立，全面推進了理論與實踐一體化的教學(xué)模式，對提高學(xué)習(xí)積極性，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生工程思維與強化學(xué)生解決實際工程問題的能力具有積極的促進作用。