基于工程开发实例的汽车设计课程理实一体化教学改革与实践

任立海 黄江 郭栋 黄泽好

重庆理工大学车辆工程学院 重庆市 400054

国家创新驱动发展战略的提出，以现代化战略性需求带动新一轮的科技和产业变革，为今后实施好创新驱动战略进行了全面的部署。这一战略方针的提出，为全国各大高校科技工作和教育事业发展方向提出了明确的指导。同时，随着2019 年《中国教育现代化2035》中“加大应用型、复合型、技术型人才培养比重”方针的提出，表明了应用型本科人才培养已成为了我国高等教育发展的重要战略目标。现代汽车行业的不断发展对汽车设计课程提出了更高的要求，只有对教学课程更新改革才能适应当下行业对人才的需求[1]。提高课程创新性、先进性、实时性，培养复合型创新人才，贴合企业需求，提高学生综合素质与创新性能力是助力汽车产业发展与输送高水平人才的必要条件。

汽车设计课程是以高等数学、力学、机械、材料等前述专业知识为基础，系统讲授汽车总体及零部件设计与计算方法的重要专业核心课程；
是车辆工程专业教学体系中对学生工作就业有较强指导作用的一门主干课程[2]；
同时，汽车设计课程也是支撑“综合运用专业基础知识和专业知识解决汽车设计领域实际工程问题”这一重要人才培养毕业要求的关键课程。然而，相较于汽车行业的飞速发展与技术领域的日益革新，传统的汽车设计课程教学方式与内容方面已明显落后于目前的行业要求与工程需求[3]。汽车设计课程教学体系存在的诸多问题，难以支撑当前学生的毕业要求，更难以满足汽车行业当前对高素质综合型应用人才的需求。该课程在教学方法与过程中存在的不足主要体现在以下几个方面。

1.1 课程内容陈旧

当前汽车设计课程在内容上仍以传统的商用车底盘设计为主，内容陈旧，同时涉及到的设计方法等都较为传统，缺少现代化汽车设计的新技术。这一传统的教学方式，使得学生所汲取的知识与乘用车等现代化汽车设计需求严重脱节，对高素质综合应用型人才培养支撑乏力，与汽车行业对人才的需求不匹配。

1.2 教学方式单一

由于课程内容过于强调知识体系的完整性而导致内容臃肿不堪。且在课程教学方面，当前采取的授课方式主要为理论讲授，教学方式单一，学生无法高效率、高质量地吸收相关知识。另外由于知识面太广，传统的理论知识讲授已经占据全部课时，无法引入先进的教学方式，不利于学生工程问题分析与解决能力的培养。

教学改革是在传统教学方式的基础上，保留有益于教学发展，能适应新时代发展与社会需求的同时，摒弃部分不合理、不充分、不健全的陈旧教学方式。

2.1 基于工程开发实例的教学目标

针对目前教学方式存在的不足之处，从课程内容和授课方式两方面进行优化改进。

鉴于汽车设计课程内容过于陈旧且繁杂臃肿的问题，弱化冗余的大面积覆盖的理论知识内容，调整繁杂的教学体系，侧重于培养学生的工程逻辑思维以及对于实际工程问题的解决能力。

授课方式以现代乘用车设计开发的实际工程案例为对象，引入行业最新的汽车设计流程和体系，在更新教学内容的同时，实现以工程实例教学为引领的课堂翻转模式，旨在加强学生的自主学习能力，培养学生的设计创新思维，巩固学生的基础理论知识，提高学生的主动学习热情，从学生的思想、行为和素养等多方面引领，切实提高高素质综合应用型人才培养的质量。

2.2 工程开发实例与教学体系相结合的必要性

与重点培养学生理论知识与社会研究的文科类教育不同，工科生教育应侧重于培养学生良好的专业实践能力，同时兼并扎实的基础理论知识，以培养高层次的应用型人才为主。引入实际工程开发实例，能够提高教学质量和学生的工程思维。

2.2.1 工程开发实例可以提高工程思维的培养

通过工程开发实例的学习，学生可以参与到汽车设计相关案例的实践中去，亲身体验学习能够与行业无缝衔接的实际工程开发设计理念、思路、方法及工具，充分理解汽车设计理论。弥补缺乏实际工程经历而欠缺的实践环节，减少理论知识与工程实践的脱节现象，提高学生思考问题，解决问题的能力。让学生知其然，并且知其所以然，强化实际工程设计能力，切实提高工程思维水平。

2.2.2 工程开发实例有利于教学体系的理论与实践相结合

引入工程开发实例为基础的课程教学方式，一方面能够让学生通过实际案例了解工程开发实际的性能要求、载荷与边界条件、设计分析流程等现代化汽车设计理论和工程开发方法，另一方面能够让学生亲身感受工程实际的实验和实践环节，强化理论基础与工程背景的关联，切实可行地加强对学生工程实践能力的培养。引入工程案例，通过理论指导实践，通过实践学习理论，从根本上落实理实一体化的教学培养模式。

图1 理论教学、工程实例与实践教学的关联机制

课程教学以精准详细的基础理论知识讲解为基础，以培养学生工程思维与解决实际工程问题的能力为前提，以满足现代化汽车设计需求的工程实例为核心，切实可行地改善理论知识学习，强化实践教学环节，紧扣理实一体化教学理念。

教学内容依据工程开发实际的性能要求、载荷与边界条件、设计分析流程，设定教学案例分析的设计目标、输入条件、评价指标及参考方法流程等，形成规范化的教学体系。

3.1 教学改革内容

引入工程实例为课程基础，从教学内容与教学方式两方面改善教学现状。结合工科教育应注重实践教学与综合能力培养的基本原则，主要从以下两个方面对教学内容进行改革与设计。

3.1.1 转变学习方式

引领学生在课前进行课程预习与相关知识点的学习，让学生提前对教学内容有所了解。较为简单的知识课前自学，课程难点保留思考，并在之后的课堂上进行交流式互相学习。老师授课不再局限于大量的理论知识陈述，通过一系列的问题进行引导式授课，引导学生独立思考与相互交流，把课前学习知识与课堂授课内容相结合，更高效、高质地学习课程内容。

3.1.2 工程实例与理论教学相结合

做到汽车设计课程的核心理论知识与相关的典型案例相结合，对工程实例的真实开发条件与流程进行多角度、全方位剖析，做到案例与理论相结合，提高学生的学习积极性与学习效率，增加学生对于实际工程开发的认知与解决问题的能力。

3.2 课程教学模式

传统教学是以教师为中心的教师授课、学生听讲的的教学模式[4]。这种模式下学生处于被动学习状态，限制了学生的学习欲望与主动性。引入翻转课堂教学模式，强化课堂学习效率，促进师生产生深层次沟通，从主观上改变学生的思维方式与学习效能。传统教学模式与翻转课堂教学模式比较情况如图2。

图2 传统教学模式与翻转课堂教学模式比较

翻转课堂就是把传统的教学模式进行颠倒，从教师课上讲-学生课后完成功课的模式变为学生课前学习-课堂教师引导学习的模式，有助于学生主动思考，互相交流解决问题[5]。汽车设计课程引入翻转课堂教学模式，结合工程实例，引导学生完成零部件等的开发设计与性能验证，对学生的学习能力、工程思维培养有着积极意义。

3.3 工程实例来源途径

汽车设计课程引入的工程案例是教学内容的核心部分，选取具有实际工程意义，符合现代汽车设计理念，贴合先进技术需求的案例是教学改革得以实现理实一体化的重要环节。课程所引入的工程案例以工程开发实例为来源，将车型研发设计及性能验证中的实际工程转化为课程教学案例，符合实际工程情况。符合教学改革目标的工程实例主要通过以下途径获取与选择。

在教学过程中，依据整车开发设计与验证流程，依托本校车辆工程学院和汽车零部件先进制造技术教育部重点实验的产学研合作平台下的科研合作项目，制定工程实例选取准则、案例载荷与边界条件规范、理实一体化教学内容，选取开发阶段的关键和典型设计案例。

3.4 工程实例在汽车设计课程中应用的内容设计

实际工程案例引入课程教学主要以运用高精度CAE 模拟技术的方法，依据工程设计方案开发流程的载荷与边界、性能要求等实际条件，建设与工程实例相结合的仿真教学模式，让学生学以致用，深入思考，学习相关的工程实践环节与设计理念。主要包括了汽车悬架仿真前处理、汽车悬架虚拟仿真、汽车悬架仿真后处理一系列教学模块。

图3 悬架几何模型

3.4.1 汽车悬架仿真前处理

前处理模块包括了几何清理与网格划分两个部分。悬架结构由实体部件与薄板结构组成，且由于模型小特征较多，故通常需要对模型进行适当的简化处理，另外网格划分时在接触位置与应力集中位置也需要相对较密的网格。通过前处理学习，掌握面对复杂零件时的合理化简化模型与几何清理技术，以及壳单元与实体单元的网格划分技术。

3.4.2 汽车悬架仿真分析

仿真分析包括了材料参数设置、边界条件设置两部分。在材料参数设置部分，熟悉常用材料的力学特性，考虑悬架的实际运转过程，掌握高强度金属材料与弹塑性材料的设置。边界条件部分，根据实际工况运转构建有限元模型，完成对悬架的各部件链接与简化工作，如设置轴承连接与球形连接，减震器中气动装置的简化和弹簧单元的创建方法，并进一步掌握刚性体与柔性体之间的连接方式。

3.4.3 汽车悬架仿真后处理

本模块主要包括对悬架结构刚度分析，关键曲线数据分析和结果评估部分。通过仿真结果对悬架挠度，弹性元件刚度，导向机构强度和减震机构效能进行评估，分析和总结该悬架在刚度和减震方面存在的问题，为学生在悬架设计与针对不同工况的优化提供理论基础和实践经验。

汽车行业飞速发展与变革的今天，引入实际工程开发实例与汽车设计课程内容相结合的教学改革是迎合新工科建设发展的必由之路。基于工程实例的课程教学模式改善了以大量理论授课为主而缺少实际工程开发训练这一情况的不足之处，切实可行地把理论知识与工程实践进行了良好的衔接。通过这一教学改革，促进了师生相互沟通、学生相互交流的优质学习平台的建立，全面推进了理论与实践一体化的教学模式，对提高学习积极性，锻炼自主学习能力，培养学生工程思维与强化学生解决实际工程问题的能力具有积极的促进作用。