“车辆系统动力学”课程教学改革探索与实践

摘 要：针对汽车产业发展的新形势和新特点以及目前教学中存在的问题，对车辆相关专业的基础理论核心课《车辆系统动力学》进行教学改革探索。革新教学理念，更新知识体系和教学内容，采用多元化的教学方法，优化课程考核评价方式，为提高学生的专业知识掌握效果、工程实践能力、创新思维能力提供了有益参考。

关键词：车辆工程 车辆系统动力学 教学改革

Abstract：In view of the new situation and new characteristics of the automobile industry and the current problems in teaching， the teaching reform and exploration of the core basic theory course "Vehicle System Dynamics"in vehicle-related majors is conducted. In practice， teaching concepts have been innovated， knowledge systems and teaching content have been updated， diversified teaching methods have been adopted， and course assessment methods have been optimized， which provides a beneficial reference for improving students' mastering effect of professional knowledge， engineering practice ability， and innovative ability.

Key words：vehicle engineering， vehicle system dynamics， teaching reform

1 引言

近年來，汽车电动化和智能化快速发展，汽车的内涵和外延发生了很大的变化，产业融合与学科交叉程度与日俱增，汽车行业对汽车人才的专业知识和技能需求发生了很大的改变。在研究生课程体系中，《车辆系统动力学》是一门主要面向车辆工程、自动驾驶、新能源汽车、交通运输工程等车辆相关专业学生的基础理论核心课。车辆系统动力学作为一门学科，已经有一百多年的发展历史，它主要研究的是车辆系统运动与受力的关系，通过建立车辆的运动方程和数学模型，分析车辆的运动规律及其加速、制动、行驶平顺性和操纵稳定性，并研究如何控制和改善性能。因此，无论是对于传统内燃机汽车，还是对于新兴的新能源汽车和自动驾驶智能车辆，车辆系统动力学知识都是其实现安全可靠可控运动的基础。鉴于这门学科的重要性，国内很多理工科院校都将《车辆系统动力学》课程设置为一门重要的专业核心基础课，对于培养汽车行业急需的卓越工程人才起着关键的作用。但是，目前《车辆系统动力学》课程教学还存在一些不足和问题，因此还需进行教学改革以不断完善和提高，使其能够更好地服务于汽车人才的培养。本文从汽车电动化和智能化发展引起的变革入手，对《车辆系统动力学》的教学内容、教学方法、课程考核评价方式、实践环节等方面进行探讨。

2 课程教学存在的问题

《车辆系统动力学》是一门典型的多学科交叉与知识体系复杂的课程。汽车电动化和智能化的快速发展，学生跨学科流动性增大，智能手机对课堂教学的负面影响等，给《车辆系统动力学》的教学带来了新的挑战，结合这门课程的特点，总结出如下问题：

2.1 课程内容更新速度慢，落后于汽车新技术的应用

汽车产量大、经济附加值高、市场规模大，是先进科学技术率先应用的重点领域，因此汽车行业的新产品多，更新换代速度快。例如，汽车纵向动力学电控系统在较短的时间内就经历了电子制动力分配系统（EBV）、防抱死系统（ABS）、电子差速锁止系统（EDS）、驱动防滑系统（ASR）、电子稳定程序（ESP）、线控制动系统（BBW）等阶段的发展。目前，车辆动力学相关的教材主要编著于上世纪90年代和本世纪初，后续虽有修订，但是更新内容比例较小。现在国内高校的《车辆系统动力学》课程大都基于传统内燃机汽车。需要注意的是，电动汽车的系统组成、底盘布局跟内燃机汽车差异明显。例如，这两类车在进行纵向动力学建模时的动力供应计算方法就不一样，车辆沿前进方向的动力供求平衡方程显然也不一样。因此，以传统内燃机汽车的动力学理论为主体的课程内容，已经不能满足学生的兴趣和人才培养的需求，急需更新。

2.2 课程理论性强，内容庞杂，学生学习兴趣不高

车辆是一个由多个机械、液压、电子、信息等子系统组成的复杂系统。因此，这门课程涉及知识面广，需要学生在掌握数学分析、矩阵理论、汽车构造、汽车理论、汽车设计、空气动力学、机械振动、理论力学、自动控制原理、现代控制理论等学科知识的基础上，进行学习。教学内容多，为了在有限学时内完成教学任务，课程的讲授速度一般较快，教学内容难以面面俱到，对部分内容点到为止。课程中的公式、模型非常多，推导公式需要耗费大量的教学时间，对于公式的推导，学生兴趣不高，而且容易忘记，即使记住了公式和模型，学生也难与具体的工程问题联系起来，运用时还是一头雾水。此外，在智能手机丰富的软件和强大的娱乐功能影响下，课程知识的吸引力日渐减小，学生的学习精力难以集中。如何提高学生的学习兴趣，帮助学生更容易地理解和掌握专业知识，是本课程教学面临的一个难题。

2.3 教学方法和考核评价模式单一

目前一些高校中，这门课程的教学方法还是以演示文稿和板书为主，对学生进行灌输式单向教学，加上理论多，内容枯燥，课堂气氛不活跃，缺乏互动。另外，受教学经费、教学条件和课时所限，无法开展实践教学环节，理论与实践结合不足。传统的课程评价方法仍然是平时作业加期末闭卷考试的形式，缺乏对知识实际运用的考核。如何面向解决复杂工程问题的能力提升为教学目标，改变传统考核方式，真正通过课程考核评价引导学生从知识学习向能力提升转变，是这门课程面临的另一个问题。

3 课程教学改革的思路

面对汽车人才培养的新挑战，为了取得更好的教学效果，国内外的教育专家和工作者进行了很多尝试和探索[1-5]。例如，北京理工大学的魏超和刘辉从革新教学观念、重塑教学内容、丰富教学手段、完善考核评价体系四个方面提出了车辆系统动力学教学改革思路，并提出课程的教学目标是培养具有核心专业能力、多信息综合分析能力、快速学习与分析解决问题能力的高水平人才[6]。华东交通大学的蒋益平等以卓越工程师教育培养为背景，整合和优化了教学内容，将教学内容分为基本理论模块、专业关联模块、理论拓展模块、创新素质培养模块等几大块，模块划分细化到每一章节;注重前后课程的内容关联，将先导课程知识与本课程知识进行有机融合，增加专业背景知识介绍，注重前后课程内容的关联和巩固;加强理论与实践的结合[7]。德国、美国等汽车工业强国和地区，也在探索传统车辆学科在汽车技术和产品快速发展时代的教育改革[8，9]。例如，德国一些高校的车辆动力学（Dynamik der Kraftfahrzeuge）教材中包含了汽车理论、汽车设计、汽车动力学等课程的内容，将三门课融为一体，课时多，讲解系统，同时邀请有经验的工程师参与教学，理论与实践结合;美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）尝试把对汽车感兴趣的学生和有10年以上经验的工程师混编为一个车辆动力学课程班，并使用了基于项目的学习方法（Project Based Learning， PBL），学生的精力集中程度和理解程度显著提高，取得了较好的教学效果[10]。

借鉴国内外同行的教学成果，结合本校的教学特色，从以下几个方面开展教改工作：（1）紧盯汽车发展趋势和新技术的动态，尤其是汽车电动化和智能化的发展，在充分的调研基础上，完善和更新课程内容;（2）革新教学理念，改进教学方法，在课堂上多使用易懂和可视化程度高的教学手段，加强与实践的结合，引导学生运用知识解决实际工程问题，活学活用;（3）制作基于实例和项目的教案，从应用实例引出理论和原理，进行系统地讲授，然后再引导学生将知识应用于其他方面，以实现触类旁通;（4）加强对先修知识和内容的解释和补充，以利于基础薄弱的本专业学生和跨专业学生对课程知识的理解和掌握。《车辆系统动力学》课程教学改革的大体思路如图1所示。

4 课程教学实践

4.1 更新课程教学内容和教学讲义

补充电动汽车和智能驾驶相关的内容，例如，在车辆纵向动力学教学中补充电动汽车驱动、制动等内容，在车辆侧向动力学教学中补充线控转向系统、车道保持辅助系统等内容，在车辆垂向动力学教学中补充了悬架系统仿真、主动悬架系统控制等内容。针对专业流动性增大，跨专业学生增加等情况，在课程讲义中补充了汽车构造、汽车理论、自动控制等先修课程的知识点小贴士，以帮助学生能够更好地理解和掌握本课程内容。例如，在汽车制动动力学部分，补充了汽车制动系统组成和工作原理的内容。在讲解汽车防抱死制动系统时，补充了PID控制的知识等。为了增进课程内容与工程实践之间的关系，编写多个工程应用实例教案，包含运动模型物理描述、数学模型建立、系统特性分析、系统指标确定、仿真模型或程序、结果分析等内容，帮助学生进一步理解车辆系统动力学的理论的用途和如何运用。

4.2 综合运用多种教学方法，提高教学效果

与文字相比，图片、动画、视频等更加直观，也更易被理解。因此，本课程教学前收集和整理了很多汽车动力学理论、原理和汽车动力学系统的图片、动画、视频等素材，加入到教学的PPT中，形成多媒体的展示材料，通过可视化的多媒体教学手段，辅助运用仿真软件，使学生更加容易地理解和记忆理论、公式和原理。采用启发式和问题导向教学方法，引导学生站位转向系统、制动系统、悬架系统工程师等角色，进行启发性提问，引导学生进行主动式学习。采用讨论式教学方法，例如，针对目前一些配备辅助驾驶功能的电动汽车出现制动失效的问题，从汽车驱动和制动动力学、电动汽车与内燃机汽车的制动系统差异、线控制动的控制策略、冗余设计等多个角度，与学生进行讨论。制作多个贴近工程实際的教学案例，进行案例式教学，激发学生的学习兴趣，引导学生主动运用知识解决工程实际问题。

4.3 优化课程考核评价方式，以评促学

课程考核是教学中的重要一环，具有导向功能、反馈功能、评价功能等作用，对学生的学习方式和效果具有重要影响，也是考查课程教学效果和学生学习情况最有效的手段。本课程的考核目标是客观真实地反映学生对知识的理解、掌握和运用情况，同时引导学生进行主动思考、创新思维、提出问题、分析问题和解决问题，将传统的闭卷考试考核方式改为考查制。课程成绩由平时表现、案例实践、课程论文、期末答辩四部分组成。平时表现主要考查学生在课堂上的学习表现、问题回答参与情况等;案例实践与课程论文是由学生自选或与教师讨论后选取一个车辆动力学领域的工程问题，采用仿真、实验、理论分析中的一种或两种方法对问题进行分析和讨论，并形成一篇课程论文，教师从工作量、难度、创新性、完成程度等多方面进行评定;期末答辩是学生使用PPT对自己完成的工程问题分析案例和课程论文进行答辩，根据答辩时的表现进行成绩评定。这种综合的考核评价方式，能够学生的知识运用、创新和实践能力，还可以引导学生主动学习，缩短学校教育与工程实践之间的距离，取得了较好的效果。

5 总结

以电动化和智能化为显著特征的汽车科技革命和产业变革快速推进，汽车行业对人才专业知识和技能的需求发生了很大变化。针对新形势、新技术和新工科建设的要求，在调研和分析目前课程内容和教学上存在的问题的基础上，开展《车辆系统动力学》课程的教学改革探索和实践。革新教学理念，更新教学内容和教学讲义，补充电动汽车和智能驾驶相关的内容，针对跨专业学生增加了先修课程知识点小贴士;综合运用多媒体素材、启发式教学、案例式教学等方法;优化课程考核评价方式，以评促学，引导学生主动学习和思考问题。通过课程教学改革实践，学生对知识的理解和掌握效果提升明显，对学生的工程实践能力、创新思维培养起到了积极的作用，可以为卓越的车辆工程技术和科学研究人才培养提供参考。

基金项目：北航研究生教育与发展研究专项基金项目“汽车电动化和智能化背景下《车辆系统动力学》课程教学探索与实践”;北航教改项目“汽车产业变革背景下车辆工程新工科人才培养模式研究”;北航一流本科课程建设项目。

参考文献：

[1]罗浩. 车辆工程专业新能源汽车方向教学改革与探索[J]. 汽车实用技术，2018， 279（24）： 278-280.

[2]葛平淑， 赵秀春， 张江燕， 等. 车辆工程专业应用型创新人才培养方案研究与实践[J]. 实验室科学， 2018， 21（03）： 108-110.

[3]潘公宇. 双一流建设背景下专业硕士核心课程的教学改革与实践——以《车辆系统动力学》课程为例[J]. 教育现代化， 2020， 7（23）： 15-18.

[4]胡艳， 黄盼盼. 车辆工程专业《车辆系统动力学》教学改革探讨[J]. 科技创新导报， 2020， 17（01）： 188+190.

[5]李立军， 孙凌玉， 徐国艳， 等. 汽车产业变革背景下车辆工程专业人才培养模式改革探讨[J]. 教育现代化， 2021， 8（8）： 31-34.

[6]魏超， 刘辉. 研究生车辆动力学课程教学改革探讨[J]. 课程教育研究， 2016（33）： 25-26.

[7]蒋益平， 朱海燕， 李萍. 卓越计划背景下的车辆系统动力学课程教学改革探索[J]. 学周刊， 2018， 382（34）： 10-11.

[8]Weaver W， Anderson C， Naber J， et al. An interdisciplinary program for education and outreach in hybrid & Electric Drive Vehicle Engineering at Michigan Technological University[C]. IEEE Vehicle Power & Propulsion Conference. IEEE， 2011.

[9]Hulme K， Kasprzak E， English K， et al. Experiential Learning in Vehicle Dynamics Education via Motion Simulation and Interactive Gaming[J]. International journal of computer games technology， 2009， 3： 1-15.

[10]Redkar S. Teaching Advanced Vehicle Dynamics Using a Project Based Learning （PBL） Approach.[J]. Journal of Stem Education Innovations & Research， 2012， 13：17-29.

作者簡介

李立军：男，博士，北京航空航天大学交通科学与工程学院，硕士生导师，研究方向为汽车轻量化和智能化。