虚拟实验下汽车设计课程教学改革研究

摘要：新工科对汽车设计课程建设的要求与实际教学过程中存在滞后和不符合现象，论文对汽车设计教学和考核模式进行相关改革；针对不同汽车系统的应用背景、功能分类、选择方案和工作原理等理论部分，进行了实验室教学与其他教学模式融合的方法；针对汽车系统结构的设计分析和计算，进行了三维建模和虚拟仿真试验等方法；根据教学内容和方式的不同，采用综合考核方式。改革教学效果评价显示，培养了学生解决实际问题的能力和学习兴趣，融合了学生获得的设计技能与社会实际需求相符合的目标。

关键词：汽车设计；虚拟仿真；产学研创；新工科

汽车设计课程是车辆工程专业核心课程之一，包括汽车总体布局设计、汽车零部件设计和汽车外观设计等三方面内容，传统汽车设计课程主要讲授前两部分内容[1]。车辆工程专业学生通过本课程学习，能够合理地选择汽车结构方案、确定设计系统的主要特征参数和评价参数等[2]，同时基于相关输入特征参数和边界约束条件，进一步进行结构优化设计和动力学校核。然而，学生在学习过程中普遍感到汽车设计课程抽象且难以理解，从而打击了学生的学习积极性，达不到预期的教学目的。随着中国制造2025以及新工科课程建设和产学研创四位一体规划的提出，针对社会对汽车设计课程的实际需求，相关学者不断对汽车设计课程教学模式和实验方法进行方法创新。王丰元等[3]设计了模块化教学模式，通过模块化方式实现教学的组织和师资组合，获得教学效果的提高。傅楚青等[4]针对汽车设计实践成本和效率，在高校新能源车辆工程专业采用虚拟仿真试验软件，进行实验教学应用分析，取得了较好的效果。刘西等[5]结合汽车设计课程的特点和问题，提出了汽车全流程设计的内容教学，课外大作业和研讨式教学的教学改革措施，在提高教学和人才培养质量方面取得了较好的效果。汽车设计课程的部分理论内容与汽车构造课程和汽车理论课程等存在重叠的特点，张璘等[6]探讨了汽车设计课程教学新式教学理念，相互整合不同专业课间进行讲授，使学生积极性和能力得到提高，解决授课课时较少的问题。喻厚宇等[7]等针对汽车设计课程实践性强的特点，结合汽车企业采用的汽车产品开发流程，将模拟汽车产品开发的研讨式大作业应用于实践教学，从而提高学生对汽车设计课程的学习兴趣和对理论知识的掌握程度。以上文献分别从技术应用、成本、知识模块化、学生参与及专业课整合等角度针对汽车设计课程进行了相关探索，提高了教学效果。然而，由于不同高校间车辆工程专业的师资人员、实验设备数量和学生构成等情况区别较大，以上改革方法很难实现全面推广。因此，针对汽车设计课程的探索还需要不断进一步完善和发展。本论文基于科研创新和现阶段对车辆工程专业学生设计技能需求，对汽车设计课程教学进行模式探索，开展以下内容研究：1）汽车设计课程目前存在的问题分析；2）新工科对汽车设计课程的要求；3）面向产学研创的教学模式改革在汽车设计课程中的实践和应用，提出基于虚拟仿真实验和动力学分析为教学目标的交叉融合培养方案。通过以上研究，最终实现满足学校、车辆企业和研究机构对汽车设计课程内容、方法及学生基本技能素质等要求的融合。

1新工科下汽车设计课程要求

OBE（Outcomes-basedEducation）理念要求工程类专业人才的培养以学生为主体，遵循成果导向，以学生培养质量结果评价专业办学水平，以行业需求确定培养目标，以岗位需求确定毕业要求，以毕业要求确定实践教学体系的教学目标和内容，培养具有创新创业能力和综合素质高的各类交叉复合型卓越工程人才[8]。因此，针对汽车设计课程的改革要遵从OBE专业认证理念，从知识、能力、素质三个层次对教学内容、课程目标、教学方法和组织形式等进行设计构思，培养学生具备在汽车设计工程领域从事设计和研究开发的能力。

2课程目前存在的问题

2.1课程内容涉及面广且理论性强

汽车设计内容包括汽车的总体设计、离合器设计、机械变速器设计、万向传动轴设计、驱动桥设计、悬架系统设计、转向系统设计、制动系统设计等8个章节内容。每一章节内容都对应不同的结构分类、结构工作原理以及设计和校核计算方法等，从而造成学习内容专业跨度大、理论性、综合性强和经验公式多等特点。

2.2学生获得的技能与社会需求不一致

目前汽车设计内容仍然以公式计算和校核为主，且内容多年未更新，与现代汽车行业的飞速发展矛盾突出。当前汽车设计更多是基于三维实体建模、CAE应力应变分析、有限元动态力学分析等技术手段进行汽车相关结构和系统设计。因此，当前汽车设计课程内容培养目标与社会实际需求中存在不同步问题。2.3考核方式与OBE课程体系要求不符现阶段汽车设计教学方式仍以讲授为主，考试方式一般采用试卷考试方式，考核方法单一。另外，学生考试需要花费较多时间熟记概念和公式，造成培养效果差，并不能体现汽车设计实际的技能要求。

3新工科下汽车设计课程教学改革

3.1理论部分采用多模式相结合

多媒体教学技术可以将文字、图片和动画融为一体，现场教学的方法可以使学生对知识点的理解比较直观,更能激发学生的学习兴趣。针对汽车设计中理论部分的讲解，采用现场教学和多媒体等方式开展，同时在实验室中认识系统不同的结构特征、工作原理并对案例进行分析等，实现理论与实践融为一体的教学过程。

3.2作业和知识点采用网络教学模式

由于钉钉、泛雅等在线网络教学形式灵活性强，相对传统教学的模式是一种较好的补充，学生可以随时随地完成作业提交和复习等。另外，针对汽车设计的复习资料、相关知识点、视频资料等相关文件，老师上课前将其上传至网络教学平台，学生通过网络教学平台进行预习，从而提高上课效果。

3.3结构设计和校核采用虚拟仿真技术方式

虚拟仿真技术在汽车设计教学环节中的应用，能够增强理论教学的直观性[9]，正被广泛应用。在车辆初期设计过程中，无法通过试验方法提前获取车辆系统部件准确的设计参数和动力学参数变化，并预测疲劳寿命和疲劳危险点的位置，依据经验的设计方法往往容易造成过载设计或不足设计。随着计算机运算能力的提高，福特、沃尔沃、和京汽车等研发机构，在汽车开发早期采用虚拟仿真技术，计算获取系统结构动态载荷，指导零部件设计开发，缩短后期试验周期，降低开发成本。

3.4合理安排考核方式

学生的最终成绩由理试考试成绩、虚拟仿真项目成绩和平时成绩等按比例组成，使对学生的考核评价更趋于合理化。理论考试主要针对汽车设计8个章节的理论知识进行试卷考试，本部分分值占比30%；虚拟仿真实验项目考试主要针对不同的结构设计计算进行上级虚拟试验项目考试，每个学生根据抽中的仿真项目进行三维建模和有限元计算，并最终给出分析结果，成绩评定按照学生完成的步骤评分，本部分分值占比40%；平时成绩主要根据授课老师根据课程表现和出勤情况，给出每个学生的平时成绩，本部分分值占比30%。

4教学改革实施

根据对汽车设计课程改革的设想，并结合汽车设计课程内容和OBE专业认证要求，对汽车设计课程每章节内容进行分类，主要分为理论讲解部分和设计校核计算等两部分内容，并针对每部分内容重点采取对应的教学方式，如图1所示。为了更好地提升学生对理论知识和结构设计计算等技能的掌握程度，针对考核方式进行相关变化，针对理论部分采取试卷考试，结构设计和计算部分采取虚拟仿真实验进行，具体如图2所示。为了验证以上教学模式和考核模式变化对教学效果的影响，选择郑州航空工业管理学院2017级车辆工程专业79名学生进行教学改革效果验证，并结合汽车设计实际的需求进行虚拟仿真项目的设计，最终理论考试成绩和虚拟仿真考核等效果显示较好，学生的积极性较高。

5结论

结合新工科的要求对汽车设计课程进行教学改革，获得了以下结论：1）课程的设计符合OBE新工科的要求；2）基于产学研创和虚拟仿真实验的模式探索是对产学研创较好的一次尝试，学生展现了较高的兴趣，获得的汽车设计方面技能符合社会实际需求。

参考文献

[1]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]雷治国,陈铭年.车辆工程专业“汽车设计”课程教学改革探索[J].福建教育学院学报,2017,(4):94-96.

[3]王丰元,邹旭东,柳江,等.汽车设计课程教学改革的实施与评价分析[J].教育教学论坛,2018,(6):91-93.

[4]傅楚青,傅显峰,燕宁宁,等.虚拟仿真软件在高校新能源车辆工程专业实验教学中的应用探析[J].内燃机与配件,2018,(1):263-264.

[5]刘西,胡远志,蒋成约.面向现代汽车开发的汽车设计课程教学改革与实践[J].课程教学,2013,(12):179-180.

[6]张璘,王庆伟,张辉.汽车设计课程教学改革的探索与实践[J].科技风,2020,(4):60-61.

[7]喻厚宇,黄妙华,钟绍华,等.汽车设计课程研讨式数学方法研究[J].大学教育,2017,(5):56-58.

[8]龚晓嘉.综合性高校在实践教学中培养新工科创新型人才的探索[J].高教学刊,2017,(12):141-142.

[9]罗颂荣.虚实结合改革汽车服务工程专业实践教学模式[J].科技教育,2020,(14):142-143.

作者：安晓东 李亚丽 候军兴 张华阳 单位：郑州航空工业管理学院航空工程学院