新工科下深度学习在节气门教学中的探索＊

金光灿，刘淼，李炎亮

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620）

引言

“新工科”是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向[1]。新工科既包括新的工科专业，又包括工科的新要求。前者指一个全新的领域，后者指传统工科专业的理念、内容、标准、方法技术都需要更新改造。建设新工科并不等于一味增加新工科专业，更应注重传统工科的改革，它为新工科建设提供了重要基础[2]。同时，地方高校更易于打破学科藩篱，理应因时而动，探索个性化的办学模式，重点开展对传统工科专业的转型、改造和升级，体现地方高校在新工科建设中的特色和创新[3]。

上海工程技术大学作为特色鲜明的地方工科高校，有众多传统工科专业和课程正在转型、改造和升级。这其中，《汽车发动机结构与原理》是传统车辆工科专业的重要专业基础课，对其的课程改革也一直进行着，如从教学内容、教学模式和考核方式等进行探讨研究，制定了有本校特色的课程模式，取得了一定的成效，提高了学生的创新实践能力。但是，距离“新工科”的要求还有很大差距，还需不断进行教学改革的探索，本文以深度学习在节气门教学中的实践，来探索该课程改革。

1 课程授课情况

新工科建设如火如荼，传统专业基础课程更不应该一成不变，特别是以往《汽车发动机结构与原理》的授课内容和方式已经出现一系列问题：课堂内容主要是零部件的结构与原理的讲授，形式单调且不易理解，与汽车行业的前沿脱离，不符合新工科的理念。

由于新工科涵盖了以互联网和工业智能为核心，将智能制造、云计算、人工智能、机器人等用于传统工科专业的升级改造。因此，针对《汽车发动机结构与原理》课程存在的问题，并且根据“新工科”工程技术人员培养的目标，实践了深度学习在节气门教学过程中的教学改革。

2 教学实践方案

本教学实践以新工科建设为契机，按照工程教育专业认证要求，从《汽车发动机结构与原理》课程内容入手，探索将人工智能引入传统课程的教学过程中，以适应新工科培养学生发展的基本要求。节气门是汽油机汽车中非常重要的零部件，在多年教学过程中，其一直是教学难点和难点。因此，在本文中，提出“深度学习+节气门”的教学方式，通过指导学生们主动学习深度学习并进行实验，再将不同汽车不同工况下节气门开度与进气需求进行对比分析，从而学生可以直观了解节气门在实际工作状态中的应用，以及不同汽车选择节气门的依据。

根据以上教学方式，进行了相应教学实施，如图1所示[4]，本教学实施方式，既有理论教学，又有师生互动学习过程，具体教学实施如下：

2.1 课堂教学

传统教学内容进行教学，讲授汽油发动机进气系统的原理，重点介绍节气门的结构与作用，这是学生往往只会机械的记忆，哪怕通过视频观看也很难理解，从而大大影响学生的学习效率。在新的教学过程中，采用理论与设计项目相结合的方式，在理论教学后，将学生分成若干组，每个组选择不同的发动机的进气道与节气门。

具体教学过程的主要内容是：引入节气门开发的流程介绍；通过流程，向学生讲授人工智能在汽车零部件设计等领域的应用；进而介绍深度学习的基本概念；然后进行分组，不同的组别选择不同的汽油机汽车，根据该款汽车的节气门和进气道进行CAD建模。

2.2 实验教学[5]

整个实验过程分为CAD制图，流体力学分析和图像的深度学习三个部分。但是本课程课时较少，项目教学内容需学生课后分组完成，所以本课程将项目拆分成多个递进步骤的小项目，每个小项目可以作为一个单独模块，而多个模块可以再构成一个综合性项目。通过小项目的成果，激发学生进一步完成后续项目的积极性，并引导学生完成完整的项目教学。

具体实验教学的主要内容是：基于现有汽油机车辆的检索，选择一款车作为对象；根据其进气道和节气门的结构进行CAD建模；其次，将模型导入Ansys中，对节气门打开不同角度进行空气流动仿真；然后，将分析图片导入Matlab的深度学习模块进行分类分析；最后将该款汽车的工况导入分析结果，可分析出该工况下的节气门开度等信息。

2.3 互动实验

因为项目教学内容需课后完成，为了保证学生们可以顺利进行项目实践，本课程在超星学习通上上传了实验相关视频，学生们可以通过该App跟老师进行相关交流。这样学生们可以根据不同的项目以及不同的进度，分别去参照对应的视频，并与教师进行互动交流。

汽车发动机中，包括很多类似于节气门这样重要且十分难于学习的零部件，但是教学时间有限。因此，本课程在超星学习通上建立的若干零部件相关深度学习的实验视频，供学生课下主动学习。

另外，在互动教学阶段，要求学生们将实验的三个过程视频化，并上传到超星学习通。也就是说，每个小组在完成一个小项目时，需要录制一个小视频，学生通过视频讲解实验过程和实验心得。利用视频化的方法来考查学生实验结果，既可以通过微视频来激发学生的学习热情，又能锻炼学生的表达能力和语言组织能力。

图1 深度学习在节气门教学中的实践

3 结语

本文在传统工科专业课—《汽车发动机结构与原理》中，引入深度学习的人工智能的知识来讲授节气门，从而实现该课程面向“新工科”的教学改革。本课程的教学改革经历了一个学期的教学实验，从考试结果来看学生们对于节气门相关知识点的掌握比往常提高很多；从相关调查结果来看，学生们认同这样的教学改革，并表示从单纯的知识点学习，转为实验中学习相关知识，对相关知识点理解得更深刻。

在“深度学习+节气门”的教学实践中，学生们从被动接受知识转为主动学习知识，既培养了学生对专业知识的自主学习能力，也培养了学生团队精神和表达沟通能力。