改进汽车理论教学方法的思考

吴明翔

摘要：针对汽车理论教学过程中的重难点，以上海理工大学的实际教学条件、教学内容要求和考核要求以及以往教学效果为参考，通过分析如何坚持与优化传统教学方法、如何将动力学仿真技术有效引入教学、如何针对改进后的教学方法进行学时和考核安排来确保教学质量等问题，来深入系统地探讨汽车理论课程的教学改进方法，以确保工程实践创新导向的卓越工程师教育培养质量。

关键词：汽车理论；传统教学改进；仿真技术教学；考核改进

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0169-04

《汽车理论》课程是一门通过高度有机综合工程数学、工程力学与汽车构造等专业知识体系来提高学生对汽车动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等重要汽车使用性能指标进行定量化分析并研究相应的优化设计方案的能力的专业基础课程[1，2]。在笔者的教学过程中，通过课堂调研与作业信息反馈，发现学生在学习过程中普遍对基本概念与定义的理解不够深入，从而导致他们所分析出的各类具体工况下汽车的性能表现缺乏实际的物理依据这一问题，进而反过来更加阻碍学生对基本概念与定义的充分理解和吸收，最终形成恶性循环，极大地挫伤了学生的学习积极性。从每年期末考试的情况来看，汽车理论的平均分与及格率均低于汽车构造、发动机原理、汽车设计等其他专业主干课程。如何在已有教学水平和教学资源的基础上深化改革教学方法，提升学生的学习动力，培养学生对专业技术研究开发关键核心问题的敏锐嗅觉与快速解决能力，是值得每一位《汽车理论》课程教师深思的问题。

传统的《汽车理论》课程教学分为理论教学和实践教学两部分，课堂理论教学一般在课时分配上占有绝对主导权地位。而从考核与成绩评价方式上来讲，也是传统的期末考试成绩具有绝对话语权。这样的设计原则上合理，但是过于依赖课堂教学与期末考试在专业能力培养与考核上的作用。在课程学习阶段的学生早已不是刚入校的高中毕业生，而是有一定专业知识素养并充满专业实践创新基础与渴求的大三学生。教学方式和考核方式的过于单一，在很大程度上会降低学生的学习兴趣和对专业前景的光明预期，最终影响培养质量。为此，本文将重点分析如何在坚持传统教学方法精髓的基础上进行教学考核方法的创新，从而为培养具有高度理论素养和强大实践创新能力的学生提供可靠保障。

文中提到的教材均为清华大学余志生撰写的汽车理论各版教材，主要以第五版为主。

一、传统教学方法的坚持与优化

传统教学方法即教师PPT讲授+板书详细剖析关键知识难点+师生问答互动+评阅学生作业。对于汽车理论这门理论课程，坚持该方法无疑是以保证学生理解掌握完整理论体系与普遍分析方法为出发点，但在实践过程中，我们可以尝试进行以下优化：

1.第一章。改变常规的授课思路，以汽车坡道行驶驱动动力学建模理论、方法、过程与模型在动力性评价与优化设计中的应用为基本讲授纲要和思路。有了对模型的系统理论认识，就很方便教师给学生讲授理论研究与实验中发动机转速特性、滚动阻力系数、空气阻力系数、坡度与加速阻力系数、附着率的由来及其在模型理论分析中的地位与作用。按此思路优化第一章教学，可以强化培养学生以系统动力学的微分方程建模来对汽车驱动性能进行研究和设计开发的工程学研发思路，促进同学们对在先修的理论力学、高等数学等课程中自己认识较浅的知识盲点进行深化具体认识。此外，通过本章开始的课程学习所逐步培养的这种能力也有助于培养学生学习其他机械工程领域的专业技术基础课程的自学能力，从而使学生在将来的就业与深造中具有广泛的适应性与极强的自主性。

2.第二章。以发动机万有特性为基本出发点，引出等速、等加速与等减速工况燃油消耗量的分析方法以及影响燃油消耗量的主要因素。由于发动机万有特性通常属于学生认识不深入的基本知识点，那么，结合本课程的一个重要培养目标——对专业技术研究开发关键核心问题的敏锐嗅觉与快速解决能力，将由基于万有特性的发动机最小燃油消耗特性所确定的最佳无级变速器调速特性原理对无级变速器的结构功能设计的理论指导作用作为本章的重要研讨性学习内容来开展教学工作，教学过程可采用案例研讨、以小组为单位的课程设计作业、课程设计作业答辩等方式灵活进行。而且，鉴于万有特性理论的重要性和相关应用的重要工程意义，无级变速调速理论的研讨性学习是本章的教学重点。

对于电动汽车部分，属于目前的主流新技术。为了给学生强化工程创新实践意识，本节的教学可以以在理论讲解的基础上结合主流动力性燃油经济性仿真分析软件——Cruise、Advisor在具体车型设计方案评估中的应用来开展[3，4]。教学过程可采用案例研讨、以小组为单位的课程设计作业、课程设计作业答辩等方式灵活进行。如何将仿真技术与教学有机结合将在本文后面相关部分阐述。

3.第三章。第三章讲授的内容是对前两章所学内容的进一步深化，更侧重于档位的设计、匹配对汽车燃油经济性和动力性的综合影响。传统授课方式能保证学生吸收大部分核心知识点。本章的教学重点在传动系档数和各档传动比的选择上。学生普遍反映教材相关内容过于抽象，学习过程中感觉不贴合实际。为此，教师在精确传授教材内容的同时，应该结合自己在企业的实际工作经验给学生直观形象解释清楚几何速比级差与渐变速比级差在改善汽车动力性上的显著差异，方有助于理解。

4.第四章和第五章。第四章和第五章是本课程的又一教学重难点。由于第四章涉及的制动动力学与第五章涉及的汽车操稳系统动力学存在相互耦合关系，且都同时直接对整车的行驶操纵稳定性有最直接的影响，所以笔者设想在遵循传统教学理念方法的同时，将两章的内容系统整合在一起进行讲授。一来期望提高学生综合分析解决问题的能力；二来教学内容会更贴近汽车行驶的主动安全性这一前沿尖端技术，在兴趣的指引下能有效提高学生的学习兴趣。

因为现在的学生数理基础都比较扎实，同时理论力学也学得比较深入，所以在分析制动方向稳定性和操稳性时，除了通过动力学模型的推导使学生获得精准的理论认知外，建议以MATLAB/Simulink软件为切入口，教会学生将教材上重点讨论的模型转化为仿真模型并通过仿真来形象理解制动和转向控制对汽车操稳性的综合影响。进行相关教学時可采用案例研讨、以小组为单位的课程设计作业、课程设计作业答辩等方式灵活进行。

此外，这两章有几个知识点联系非常密切。在传统的教学进度安排中是分开讲授的，学生感觉比较抽象难懂。但如果结合在一起讲授，预期效果会比较好。这两个知识点是第四章中考虑侧偏时的制动力系数、侧向力系数与滑动率的特性关系以及第五章中的轮胎侧偏特性与附着椭圆。每年的期末考试涉及到这两个知识点的分析论述题失分非常严重。说明学生理解不扎实。综合讲解这两个知识点时，最终目的是使学生通过综合分析制动力驱动力侧向力系数随滑动率和侧偏角的变化而变化的相关特性曲线，结合轮胎侧偏特性，来理解附着椭圆的生成过程以及它在理论分析和设计中的指导意义。由于附着椭圆生成过程中涉及的因素有侧偏角对驱动力制动力——滑动率特性的影响，还有滑动率对侧偏刚度特性的影响[5]，其教学难度至少和理想制动力分配曲线组的生成过程相当。如果还要进一步探讨如何根据附着椭圆来合理进行滑动率、侧偏角的匹配工作，那么其教学难度应该至少和利用f、r线组与β线组来研究车轮在某一附着系数路面的抱死顺序相当。因此，这一内容的PPT制作时应充分利用动画功能来层次清晰地展示椭圆的生成过程。

在教学中，还应注意的一点是，在分析前后轮不同的抱死顺序对汽车运动稳定性影响时，教材中没分析前后轮同时抱死时对汽车运动稳定性的影响。作为启发式教学的经典案例，可以通过课堂讨论并抽学生回答问题的方式来开展启发式教学。

5.第六章。本章的内容理论相对较深，在教学过程中，改进的方向依然应该是引入MATLAB/Simulink进行仿真教学。通过仿真分析直观地体会悬架刚度、阻尼、动行程等关键参数的改变对车身、车轮等部件的振动位移、振动加速度的时频响应特性的影响，并可以针对不同的振动控制目标提出不同的参数优化方案。

在教学过程，可以采用案例研讨、以小组为单位的课程设计作业、课程设计作业答辩等方式灵活进行。由于本章内容理论体系较复杂，故可以在期末的笔试中略微减小本章的权重，而将本章内容的考核重点放在平时的课程作业答辩环节。

6.第七章。一般来说，本章不是本门课程的教学重点。采用常规的教学方法即可进行授课。当然，在涉及到牵引通过性计算和汽车越过台阶、壕沟能力的分析计算时，可以引入MSC ADAMS软件从可视化动力学仿真的角度来让学生验证教材上相关理论的正确性。这样，学生就会对教材上理论分析的结果有一个感性化认识，这又反过来促进了他们进一步探求教材上理论分析的更深层理论假设出发点以及细究逻辑推理演绎过程的兴趣。

在教学过程，可以采用案例研讨、以小组为单位的课程设计作业、课程设计作业答辩等方式灵活进行。由于本章内容理论体系较复杂，故可以在期末的笔试中略微减小本章的权重，而将本章内容的考核重点放在平时的课程作业答辩环节。

二、动力学仿真技术在汽车理论教学过程中的应用

以上分析了在传统的理论教学过程中如何进行教学改进与优化。在理论教学的同时，实验教学不可或缺。实验教学存在具体形象、生动有趣、学生认知积极性高等优点，这有助于夯实学生的理论认知水平。

就目前各大学的平均实验条件而言，汽车理论实验的内容一般集中在动力性、制动性和平顺性这三大块上[6]。由于操稳性涉及综合性能要求最高的整车系统，而燃油经济性要求各种复杂的实车行驶工况，所以实验开设的难度比较大。同时，由于现在学生人数很多，实验场地又相对有限，所以实验教学方式也出现了局部与传统课堂教学方式趋同的趋势。具体而言，教师现场讲解学生认识了解的时间增加了，而学生亲自动手做实验的时间减少了。

为了在有限的实验条件下使学生直观形象地领会汽车动力性、经济性、制动性、操稳性、平顺性等经典工程实例的理论精髓，需要把动力学仿真技术引入到实验教学环节中来。这就要求学生先期掌握基本的仿真技术，同时也要求教师先期完成各类性能经典工程实例的仿真平台构建与程序调试工作。

1.第一章。汽车的驱动动力学方程本质上讲是基于牛顿第二定律的线性微分方程，非常便于利用MATLAB/Simulink的基本编程功能来对行驶过程进行模拟。只要将相应的作用在汽车上的各类驱动力和行驶阻力进行函数编译形成计算子模块后，再利用Simulink强大的可视化编程功能，非常便于学生直观理解汽车的驱动力——行驶阻力平衡机理与方程式。在此基础上，学生通过软件操作，即可验证教材上的案例分析结果，从而形象直观地加深他们对理论的理解深度，灵活掌握汽车动力性三大指标的工程设计与评价意义。在完成仿真计算分析的过程中，在编译作为仿真基本单元的各类驱动力与行驶阻力函数模块时，学生可以进一步复习各种力的计算方法，并深入领会各类驱动力和阻力的生成机理及物理含义。

2.第二章和第三章。本章的燃油经济性分析与混合动力汽车部分宜大规模采用仿真教学。教学过程中，建议以汽车的档位设计与燃油经济性动力性的综合优化匹配设计为核心教學目标，开展教学任务设计与执行工作。教学软件可以采用ADVISOR或AVL/Cruise。由于这些软件能对模型和源代码进行开放式设计，具有优秀的模块化的展示与人机界面交互式仿真设计操作功能，再加之能与其他多种软件进行联合仿真，仿真结果直观可信度高，所以利用该软件即可快速完成不同车型动力总成的传动比等参数设计并直接在各类典型循环工况（NEDC、UDDS、1015、ECE-EUDC）下进行快速仿真测试检验这些参数设计对燃油经济性和动力性的改善效果。对于混合动力汽车部分，由于绝大部分学生之前没有任何工程实践经验，而教材的论述又过于理论化，所以在教学过程中可以利用上述软件给学生讲解车身、车轮、电机、传动系、动力电池、发动机模型的基本仿真原理并引导学生按教材的内容搭建串联式、并联式和混联式的动力性与经济性仿真模型。完成模型构建后，可以再结合模型给学生讲解不同构型的模式切换过程及仿真方法，最后可通过布置仿真作业让学生理解不同构型的模式切换控制在动力性和燃油经济性方面有哪些具体的性能表现差异。

3.第四章和第五章。由于讨论制动方向稳定性与二自由度汽车操稳动力学特性时都是建立的简明易懂的常微分方程模型，所以它们的分析都可以利用MATLAB/Simulink的可视化编程与仿真功能来实现。由于在第一章的学习过程中学生已经能针对系统受力编写函数子模块，加之动力学方程简明易懂能直接用Statespace模块表达，所以学生可课后自行完成上述性能的分析工作。基于汽车二自由度操稳动力学模型的稳态响应与瞬态响应的仿真分析结果可直接和教材上的结果进行对比，一来起到检查模型正确性的作用，二来使学生能够更扎实地领会操稳性分析的理论基础。对于ABS的仿真教学，由于其模型是非线性的，所以建模难度稍大，不过也没有本质区别。由于教材上提供了完整的动力学模型，故只要教会学生利用m文件编译出ABS的非线性动力学模型并将其作为和Statespace子模块具有相同功用的模块嵌入Simulink仿真文件的动力学部分模拟部分即可。

对于更复杂的实车操稳性试验，如蛇形试验、转向盘角阶跃输入试验、转向盘角脉沖试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验、稳态回转试验6个国标试验，如利用MATLAB/Simulink软件进行建模仿真和结果分析，对来说本科生难度会比较大。故在此可将MSC/ADAMS或CarSim软件引入仿真教学中。由于国标中的参数是公开的，所以学生可以将国标规定的车辆动力学与试验路况关键参数直接输入软件相应菜单栏进行可视化仿真，并在仿真结束后采集数据分析时域和频域的动力学响应特性，继而对操稳性进行评价。

4.第六章。本章仿真教学的意义在于使学生能将教材上的悬架振动动力学理论转化为形象直观的仿真模型来深化对悬架振动动力学的理解。由于悬架之间的本质差异体现在刚度、阻尼等关键结构参数的设计要求上，所以如果本章内容直接进行实验教学，那么需要在实验现场装配各类不同刚度阻尼的悬架系统，以使学生能通过对不同参数悬架的一系列试验结果来分析悬架参数对振动时频响应特性的影响灵敏度，并和教材上理论分析的结果进行对比。显而易见，这导致了实验成本高、实验耗时长等诸多问题。如果将实验教学的大部分内容改为由仿真来完成，那么显而易见的好处是一来学生通过仿真建模深化了对悬架振动动力学理论的认识；二来由于仿真时调整设置参数非常容易，那么相应的教学耗时与教学成本均会大幅下降，而教学效果起码和实验教学相同。

由于教材中阐述的悬架动力学模型是线性的，所以学生根据前面学习的基础，可以自己在MATLAB/Simulink中搭建1/4和1/2汽车的悬架振动动力学模型并进行仿真，继而获取悬架关键部件的振动时域频域响应特性。由于仿真时所设置的刚度、阻尼等关键参数来自教材，那么将通过仿真得到的时域频域响应特性动力学特性与教材上给出的特性进行对比，学生便能检验自己建模的正确性并找出建模中的问题所在，从而使学生更扎实地掌握授课内容。

5.第七章。由于本章不是课程的教学重难点所在，且本章的难点轮-地动力学理论需要学生在研究生阶段进行系统深入掌握，所以在学时安排上建议以理论教学为主。如果学生对相应的仿真内容感兴趣，可以参见我国各著名高校在月球车、装甲车、坦克等高技术特种车辆领域的通过性仿真研究论文，从中学习通过性仿真建模的理论基础、工具、参数设置方法等技术细节，为将来的工作和深造奠定基本的理论基础。

三、改进后的学时安排与考核方法

前面论述了传统教学方法的改进和仿真教学的实施重点。由于教学改进的目的是贯彻扎实理论素养+工程实践创新导向的卓越工程师培养方针，那么，相应的学时安排和考核方法也必须进行改进，以确保教学过程的高效进行和教学质量的真实可信。

在学时安排上，对于前述传统教学优化的部分，由于只是围绕重难点对授课内容进行系统协调整合，所以这部分改进不影响原有的学时安排计划。对于仿真教学部分需要增加学时并进行重新分配。需要注意的是，虽然后面提到的考核方式中增加了平时作业答辩和仿真论文作业答辩两大环节，但是这两个环节不占用学时，由教研组在实施过程中另选时间进行。

改进后的学时安排如表1所示。

在考核方法的改进上，除了原有的出勤、平时教材作业、期末笔试考核外，需要增加教材作业答辩考核、仿真论文作业答辩考核这两个环节。答辩考核属于师生双向互动教学相长的一个环节，它能有效防止学生相互抄袭，督促学生重视平时学习的过程，防止期末抱佛脚而导致的专业知识掌握不扎实等一系列目前教学中存在的问题，从而最大限度保证平时教学质量与学生工程实践创新能力的培养质量。

四、结语

探讨了汽车理论传统教学方式的改进与优化思路，论述了将动力学仿真技术引入教学的可行性与执行措施。为了落实这些教学改进措施，继而分析制定了相应的学时安排要求与考核评价方法。下一步即可以此为基本纲要进行教学改进实践探索，以不断完善基本改进纲要，最终形成一套能有效培养卓越工程师的汽车理论课程教学体系，并期望促进课程的更深层次教学改革。

参考文献：

[1]张永学.《汽车理论》课程案例实施的途径及效果分析[J].价值工程，2015，（8）.

[2]杨雪梅.《汽车理论》课程教学方法及实践环节的研究[J].教育教学论坛，2011，（26）.

[3]杜峰，关志伟，刘春辉.软件仿真技术在汽车理论教学中的应用实践[J].天津职业技术师范大学学报，2015，（2）.

[4]邓涛，隗寒冰，尹燕莉.基于ADVISOR软件的“混合动力电动汽车动力系统设计”辅助教学探讨[J].科技向导，2012，（18）.

[5][德]亨宁·瓦伦托维兹.李克强编注.汽车工程学II：汽车垂向和侧向动力学[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6]李刚，石晶，刘树伟，等.汽车理论实验教学改革方案研究[J].辽宁工业大学学报：社会科学版，2015，（3）.