学生自主创新实验的探索与实践

李广龙　魏政君　上官文斌

摘 要：为培养具有创新能力的车辆工程专业人才，探索开展学生自主创新实验教学。针对汽车平顺性实验教学难点，基于四分之一汽车悬架模型，以学生自主设计制作平顺性模拟试验台为例开展实施。教师引导、协助学生自主规划、设计、制作等进行系统性地训练，促使学生主动获取知识，激发创新意识，提高创新技能，锻炼创新思维，有效地培养学生实践能力和创新能力。

关键词：创新能力 自主实验 汽车平顺性

Exploration and Practice of Students' Independent Innovation Experiment

Li Guanglong Wei Zhengjun Shangguan Wenbin

Abstract：In order to cultivate innovative talents in vehicle engineering， experimental teaching of independent innovation of students is explored and carried out. Aiming at the difficulty of automobile ride comfort experiment teaching， based on the one-quarter automobile suspension model， the students' independent design and manufacture of ride comfort simulation test bed is taken as an example. The teacher guides and assists students to carry out their own independent planning， design， production and so on. Through systematic training of project style， students are encouraged to acquire knowledge actively， stimulate innovation consciousness， improve innovation skills， exercise innovative thinking， and effectively cultivate their practical and innovative abilities.

Key words：innovation ability， independent experiment， car ride comfort

1 引言

实验教学是培养学生实践创新能力的重要手段，仪器设备是实验教学的重要工具。设计可行性的创新实验，引导学生自主研发制作设备，转换实验角色，使实验教学变成主动、探究、参悟的实践过程，由知识的被动接受者转变为知识的应用者、创新者，有利于学生创新意识和创新能力的培养[1-3]。

汽车平顺性研究是汽车研究领域的重点[4，5]，是车辆工程专业本科教学中的关键内容和难点内容。以学生自主设计制作平顺性试验台为例，通过学生自主创新实施实验教学，使理论与实际紧密结合起来，转变教学模式，克服教学难点，不仅能够提升学生获取知识广度与深度，也系统性地锻炼了学生的科研能力与创新能力[6]。

2 自主创新实验的重要性

（1）针对性强。自主创新实验，可以根据学生实际情况，知识水平，认知层次等，有针对性的拟定课题，锻炼学生，弥补不足。在我校车辆工程本科专业实验教学中，平顺性实验是重点，也是难点。学生通过自主设计制作平顺性模拟试验台，有利于深刻理解汽车理论、汽车构造等专业知识。制作成果也更能直观地展示平顺性的概念原理。

（2）锻炼性强。在自主创新实验执行过程中，大大激发学生的实验兴趣、创新欲望，巩固学生的专业知识，并把课堂学到的知识应用到实际当中，从而培养学生的设计能力、创新能力、实践能力。教师在指导过程中，情同导师，为学生提供更多交流、实验空间、培育指导、资源服务等，帮助学生学习知识、技能、理念，也能反向收益，锻炼了自己。

（3）启发性强。由于自主创新实验具有更强的探索性与不确定性，随着实验项目的深入，学生的创新性指导老师也不能臆测，老师与学生都能深受启发，发现新的学术问题[7，8]。

（4）“性价比”高。自主创新实验制作成果相比市场设备，成本低、功能更合适、操作简便。锻炼了学生的同时，也改善了教学条件，增加了实验内容，改变了实验教学模式，提高了实验室共享与开放利用[9]。

3 自主创新实验的实施

3.1 总体规划

平顺性试验台总体要求，通过输入参数，控制器控制伺服电机驱动下平板作为系统输入，模拟路面常见激励，模拟汽车在不同路面激励下，簧载质量与非簧载质量的响应情况。试验台有助于学生更充分地理解汽车平顺性的基本概念，车身加速度、悬架动行程和轮胎动载荷的幅频特性以及各系统参数对振动响应的影响。具体的研究思路如图1所示。

理论分析阶段考察学生专业知识的掌握情况，也促使学生对以往理论知识的消化理解，对未知知识的学习吸收。结构设计阶段由教师组织学生分工合作，充分发挥学生的主观能动性，大胆创新设计，一方面可以提高学生的实践能力、设计制作能力，另一方面也激发学生创新意识，培養其创新能力。控制设计阶段，为实现要求功能，可以充分发挥学生的自主创新意识，锻炼其整合软件硬件、调试设备的能力。结题考核方式以过程性评估为主，体现学生自主探索精神和创新能力，促进学生对创新实验教学的重视。

3.2 理论分析

基于四分之一汽车悬架模型设计汽车平顺性模拟试验台，可等效为二自由度弹簧质量阻尼系统[10]，如图2所示。路面的激励位移为xi，xu和xs分别为二自由度系统处在平衡位置时簧载质量和非簧载质量的位移。

3.3 结构设计

结构设计制作方案往往不是唯一，平顺性试验台可以采用单柱式结构，或三柱式，四柱式等。本设计采用四柱式结构，其结构稳固，移动灵活，安装及拆卸方便，能很好地反映基于1/4汽车的2自由度模型特性。如图3所示为结构示意图，主要组成部件包括：三块平板（上平板、中平板、下平板）质量块，悬架弹簧、轮胎弹簧、传感器、伺服电机等。上平板质量、中平板质量、下平板质量，分别代表簧载质量，非簧载质量和路面。每块板都可以沿着竖直安装的导向轴上下运动。其中上平板模拟簧载质量，通过弹簧和摩擦阻尼结构与中平板相连。中平板模拟非簧载质量，通过弹簧与下平板相连。下平板模拟路面位移激励，由控制器控制伺服电机驱动，作为整个系统的输入源。

3.4 控制设计

本设计采用PLC控制。通过三菱PLC输出的脉冲信号，控制伺服电机转速按照正弦信号规律变化，利用丝杆导轨装置将电机的旋转运动转化为垂直方向的直线运动，以实现二自由度悬架系统的来自“路面”的正弦激励、阶跃激励、脉冲激励等输入。阶跃激励和脉冲激励也可以视为频率无限大的半正弦信号或四分之一正弦信号，通过合理设置正弦信号的频率，可以实现阶跃和脉冲激励。

3.5 结题验证考核

设计方案、计算分析、实验心得，测试验证等，分步评定。在整个实验考核中加大自主创新实验的权重，保证实验课程完整的同时，也可尽可能杜绝报告雷同现象。本创新实验中，学生分成三组完成试验台，其结构类似，但细节不同，控制方式也不同。由于涉及结构控制等多方面，完成这项实验切实提高了学生的知识水平、实践能力和创新能力。

4 结语

学生自主创新实验，在本科教学培养适应经济社会发展需要的“三创型”人才方面，扮演着越来越重要的作用。学生在自主设计制作汽车平顺性模拟试验台创新实验过程中，利用已有的知识去探索未知的知识，在形成概念、获得知识、掌握技能的同时，学会观察、试验、假说、演绎、分析、综合、类比等科学研究的基本方法，实践能力和创新能力得到提高。学生自主创新实验对促进实验教学改革，提高教师和实验技术人员创新意识和创新能力，丰富教学手段和加强实验室开放利用等方面都具有积极作用。

基金项目：2018年度广东省高等教育教学改革项目（2018049）

参考文献：

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[10]上官文斌，谢忠开，秦武，等.基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型建模及其控制研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2018（06）：73-80.