《车辆动力学及控制》教学方法新探索

王智冲 姬鹏 肖欢

摘要：《車辆动力学及控制》是车辆工程专业的一门专业课程。该文基于构建工程人才为核心的STEM教育理念，以车辆垂向动力学及控制为例，围绕动力学规律（S）、仿真分析（T）、悬架设计（E）、控制方程（M），开展项目学习、问题导向和学科融合的教学方法探索。结合作者的教学实践，通过使用仿真软件，将枯燥的理论知识可视化;利用现代化教学平台，对部分教学内容与问题解答开展云端教学实践;利用课后差异化的辅导，帮助学有余力的学生积极探究更深层次的知识。从而，提高学生的参与度和学习兴趣，引导和启发学生从实际工程中发现问题，并灵活运用所学的专业知识分析解决工程实际问题。

关键词：车辆动力学及控制   STEM 教育理念  可视化  现代化教学平台  差异化

中图分类号：G642;U461-4   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）07（b）-0000-00

New Exploration on Teaching Method of Vehicle Dynamics and Control

WANG Zhichong1* JI Peng1 XIAO Huan2

（1. School of Mechanical and Equipment Engineering， Hebei University of Engineering;

2. Office of Academic Affairs， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei Province， 056038 China）

Abstract： Vehicle Dynamics and Control is a professional course of vehicle engineering. Based on the STEM education concept of building engineering talents as the core， taking vehicle vertical dynamics and control as an example， this paper explores the teaching methods of project learning， problem orientation and subject integration around dynamics law （S）， simulation analysis （T）， suspension design （E） and control equation （M）. Combined with the author's teaching practice， the boring theoretical knowledge is visualized by using simulation software; Use the modern teaching platform to carry out cloud teaching practice for some teaching contents and problem answers; Make use of differentiated counseling after class to help students who have spare power to actively explore deeper knowledge. Thus， it can improve students' participation and learning interest， guide and inspire students to find problems in practical engineering， and flexibly use their professional knowledge to analyze and solve practical engineering problems.

Key Words： Vehicle Dynamics and Control; STEM Education Concept; Visualization; Modern Teaching Platform; Differentiated

作为车辆工程方向学生的一门专业课，《车辆动力学及控制》研究所有与车辆系统运动有关的科学。内容涉及车辆动力学模型的建立、计算机仿真、动态性能分析以及运用现代控制理论对动力学系统的控制器进行设计等，是一门既涉及较深理论，又具有很强实践性，而且内容不断更新发展的课程[1]。

《车辆动力学及控制》是传统的车辆专业的研究生课程。为了应对新一轮科技革命与产业变革，该课程成为本科生的一门专业课。但是，由于该课程涉及的知识体系覆盖较广，本科生和研究生对基础知识的掌握程度差异较大，本科生和研究生分别作为应用型人才和研究型人才的培养目标不同，因此，需要针对不同的授课对象，使用合适的教学方法[2]。

《车辆动力学及控制》教材中涉及大量的公式推导，要求学生有较好的数学和力学功底。学生面对众多的推动公式，往往望而却步，容易产生抵触情绪[3]。在有关车辆控制系统的教学中，由于研究和控制对象比较复杂、控制效果不直观、学生参与度低、学生学习兴趣不高，导致教学效果比较差[4]。对照新工科对人才专业能力和综合素质培养的要求，我国应用型本科教育与教学方法存在诸多不足之处，对本科学生的创新能力与实践动手能力的培养有待进一步地提高 [5]。高校在“创新产出”指标维度上的实际贡献度明显不足，在服务国家重大战略需求和产业需求上仍然有比较大的提升空间 [6]。

STEM是（Science） 科学、（Technology） 技术、（Engineering） 工程和（Mathematics）数学四门学科的英文首字母的缩写[7]。这其中，科学关注的是认识世界和解释自然界的客观规律;技术和工程是以自然规律为基础，解决社会发展过程中遇到的难题;数学是技术和工程学科的基础工具。这四门学科是紧密联系和密不可分的，科学依托技术、数学和工程，工程依靠科学的发现、数学的应用和技术工具的使用。将四门学科紧密地融合，通过学科融合、项目学习、问题导向，学生能够学到更多的知识，学到更多与生活息息相关的实用课程，从而引领学生达到STEM的学习目的和实现未来就业的目标[8-9]。

针对《车辆动力学及控制》课程教学中出现的问题，依托STEM教育理念，在该课程的教学过程中充分发挥学生的主观能动性，突出运用探究性和启发式教学理念，引导和启发學生从实际工程中发现问题，并灵活地运用所学专业知识分析解决工程实际问题。与此同时，充分利用“学习通”以及“腾讯课堂”等现代化的教学平台，对部分教学内容与问题解答开展云端教学实践，以达到良好的教学效果。

1 教学方法探究——以车辆垂向动力学及控制为例

河北工程大学，旨在培养具有深厚科学理论基础和扎实工程技术基础、创新能力和实践能力俱强、科学精神和人文精神兼备的复合型应用人才。应用型人才的任务主要是熟练掌握社会生产或社会活动一线的基础知识和基本技能，把成熟的科学原理和方法转换成具体的产品构型或操作流程，把系统的专业知识和技能应用于具体的规模生产或社会实践[10]。

围绕服务国家重大战略需求和产业需求，结合学校发展定位和人才培养目标，对《车辆动力学及控制》课程进行教学方法改革与实践。《车辆动力学及控制》同力学、机械工程、控制工程等学科密切相关。课程研究的问题，来源于工程实际;课程研究的结论，不断地为工程服务。因此，与该课程相关的案例也较为丰富，如发动机与变速箱的匹配控制、特斯拉制动能量回收系统、保时捷911的四轮转向系统、奥迪Q7的空气悬架等。同时，在《车辆动力学及控制》课程教学中，引导学生实践，是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，有助于培养具有创新意识的高素质工程技术人员。下面以车辆垂向动力学及控制为例，将半主动悬架控制设计作为一个项目，探索如何引导学生思考、鼓励学生实践、推动学生创新。教学过程分3个阶段：课前准备、课堂互动和课后深化。

2 课前准备

2.1  明确教学内容和目的

该节课的教学内容为车辆半主动悬架控制，讲授内容包括：半主动悬架的提出、分类、控制原理和应用，半主动的控制策略，阻尼可调式阻尼器。通过学习该节课的知识，使学生掌握半主动悬架的结构形式和工作原理，熟练掌握天棚阻尼控制策略。

2.2 梳理教学重点和难点

该节课的教学重点是半主动悬架的控制原理，教学难点是天棚阻尼控制策略。

分析教学内容和目的以及教学重点难点，发现该节课是围绕半主动悬架的设计展开的。半主动悬架的提出、分类、控制原理和应用，是在介绍半主动悬架的概况，属于技术领域（T）和工程领域（E）方面的知识，学生了解这部分知识即可。半主动悬架的控制策略，是在详细讲述悬架的控制方法，涉及动力学规律（S）和控制方程（M）。这是该节课的重点知识，学生需要熟练掌握。由于这部分知识建立在理论力学和控制理论等基础课程之上，要求数学和物理基础要比较好。因此，考虑到部分基础薄弱的学生对知识的理解能力有限，在课程设计中加入仿真分析（T）部分，使枯燥的知识可视化。阻尼可调式阻尼器，是在展示半主动悬架的控制结构，需要用到机械制图、汽车构造和汽车设计的工程领域（E）方面的知识，学生需要具备对该结构的识图和绘图能力。综上所述，为了能够让学生更好地理解该节课的知识点，提出课程项目——半主动悬架控制设计。

2.3 课前导学

课前给学生交代下节课的教学内容，引导学生通过查阅资料，探索如何根据振动规律设计悬架。同时，布置课堂任务，指导学生通过软件的“帮助”功能，自学MATLAB/Simulink仿真软件，学习内容包括软件功能、软件特点、演示操作。图1为其中一名学生通过“腾讯会议”与教师交流的电脑屏幕截图。通过课前自学软件，将枯燥的理论知识可视化，可以激发学生主动学习的兴趣，提升学生的学习参与度。同时，课前自学软件，可以让学生在课堂上能够跟紧教师利用软件教学演示的思路，提高教学效果。

课前准备阶段，不仅要求教师熟练掌握教学内容、目的和重难点，而且要求教师能够根据教学大纲设计项目和提炼问题，从而引导学生主动思考。这就要求教师在掌握课程大纲的基础上，认真观察日常自然现象，勤于参与工程实践，发现日常自然现象和工程实践渗透着的动力学及控制的知识，为后续理论课程的教学奠定基础。教师上课前可以通过“学习通”平台向学生推送相关工程案例背景资料，以激发学生学习的兴趣，增强学生学习的动力。

3 课堂互动

（1）课前10 min，要求学生通过“学习通”打卡。这样可以督促学生按时进入课堂，并且可以省去人工点名花费的时间。

（2）复习汽车的二自由度振动系统模型，通过“学习通”软件的“选人”功能，提问二自由度振动系统力学模型各部分的物理意义、该模型能够分析什么类型的振动问题、该模型的数学表达式等问题。图2为学生回答问题情况，共提问6人，4人回答正确不扣分，2人回答不正确分别扣1分，课堂回答问题情况计入平时成绩。通过复习上节课的知识，可以督促学生养成及时复习知识的习惯，教师也可以通过学生回答问题的情况掌握学生的学习效果，以便于及时调整教学方法。

（3）讲授“汽车半主动悬架及其控制技术”，讲授内容包括：半主动悬架的提出、分类、控制原理和应用，半主动的控制策略，阻尼可调式阻尼器。其中，天棚阻尼控制策略为重点讲授内容。教师利用Simulink软件，教学演示天棚阻尼控制策略的控制框图和隔振效果，强化学生对这部分知识的理解。图3为理想天棚阻尼控制策略、半主动悬架控制策略、被动悬架的控制框图和车身振动情况比较。学生可以通过教学演示，直观理解半主动悬架的控制策略。在讲授过程中，教师通过“学习通”软件中的“抢答”和“选人”功能与学生讨论与互动，这样可以及时掌握学生的学习效果。

（4）该节课下课前5 min，教师总结该节课的重点知识点，再次强化学生对半主动的控制策略的理解。

课堂互动阶段，“互动”需要占据一定比重。课堂提问是学生向教师反馈学习效果、教师对教学效果自我认知的主要方式。通过“学习通”软件的“选人”功能，开展随机抽样形式的课堂提问，能够比较客观地反映学生对知识吸收的情况。通过“学习通”软件的“抢答”功能，对抢答学生一定的平时成绩奖励，对调动学生在课堂学习的积极性有很大帮助。同时，《车辆动力学及控制》是一门综合性专业课程，涉及力学、机械工程、控制工程等多学科融合。教师在教学过程中，引导学生对工程问题进行深入分析，充分利用各种教学资源，整合工程需求、理论分析、仿真分析、实验验证、工程应用等教学内容，从工程问题里提出科学问题，利用丰富实用的教学内容，激发学生的学习兴趣，加深学生对知识的理解。

4 课后深化

（1）课后半小时内，要求学生在“学习通”提交学习笔记，这样可以督促学生上课认真听讲，以便于课后及时复习。图4为学生提交的部分学习笔记。

（2）教师布置课后作业，指导并鼓励学生利用Simulink仿真软件复现课上半主动悬架控制策略，让“控制”动起来。

（3）师生在“微信”交流群分享悬架实物图片，交流不同车型的悬架控制系统的控制策略。图5为师生“微信”互动截图。教师可以带领学有余力的学生到实训中心，实地讲解悬架减震的工作原理，引导学生思考如何设计合理的悬架系统。通过课后的一系列活动，使得学生都能够掌握该节课的知识要点。同时，通过布置课后作业，使得大部分学生能够加深对知识点的理解;利用课后指导和现场教学，引导学生从实际工程中发现问题并灵活运用所学的专业知识分析解决工程实际问题，使得学有余力的学生能够“吃饱”。

课后深化阶段，是课堂教学的延伸和拓展。网络平台为师生提供了更加便捷高效的交流平台，学生可以不受时间和空间的限制，有任何问题都可以随时随地地和授课教师进行互动交流。从互动交流中，教师可以了解学生对知识的掌握情况，从而进一步优化课堂教学。同时，课后深化阶段可以开展差异化辅导。在课堂教学过程中，教师要面向全體学生，使得全体学生都能够掌握该节课的知识要点。在课后深化阶段，教师可以在了解和把握学生的个性特点、学习情况和学习能力等方面的差异的基础上，开展有针对性的“因材施教”的辅导。对接受能力强和兴趣浓厚的学生，教师应该鼓励他们勇于质疑，秉承“实事求是”的精神，在工程实践中获得更多的领悟。

5 结论

该文基于构建工程人才为核心的STEM教育理念，以车辆垂向动力学及控制为例，围绕动力学规律（S）、仿真分析（T）、悬架设计（E）和控制方程（M），开展项目学习、问题导向和学科融合的教学方法探索，强调学生的实践水平和创新能力的培养。学生在学习知识的过程中，面向实际项目，运用多学科知识，发现和解决工程问题。这种方法是应用型高校提升学生学习力的一种有效的教学模式。

该次教学方法新探索对教师和学生都提出了更高的要求。在教学方法实施的过程中，教师花费了很多时间和精力。从教学效果上看，学生的参与度得到了提高，学生的学习兴趣得到了提升。教学方法的突出特点，主要体现在3个方面：（1）通过使用仿真软件，将枯燥的理论知识可视化，激发了学生主动学习的兴趣，提升学生的学习参与度.（2）利用“学习通”“腾讯课堂”“微信”等现代化教学平台，对部分教学内容与问题解答开展云端教学实践，提升了教学效率，提高了师生互动的频率。（3）课后差异化的辅导，不仅可以保证全部学生能够掌握课堂重点知识，而且可以帮助学有余力的学生积极探究更深层次的知识，引导和启发学生从实际工程中发现问题，并灵活运用所学的专业知识分析解决工程实际问题。

参考文献

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