高水平大学混合动力汽车课程改革与探索

曾小华 黄钰峰

吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室 吉林省长春市 130025

1 引言

随着科技、工业的不断进步，人民的生活质量不断提高，环境污染、能源短缺日益成为我国重点关注并攻坚的难题。为打赢“碳达峰，碳中和”的绿色转型攻坚战，汽车产业当仁不让、首当其冲。2020年10 月中国汽车工程学会颁布《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，技术路线图2.0指出，至 2035 年，新能源汽车市场占比将超过50%，节能汽车将全面实现混合动力化，即混动新车占传统能源车100%，汽车产业将实现电动化转型。因此，为服务经济、社会发展，实现汽车产业“100%”目标，高校应充分发挥人才培养、学科建设、基础研究等方面的优势，为汽车能源绿色转型发展做出更大的贡献。

当下，汽车节能技术是整车性能的主要研究内容之一，是汽车设计开发的关键技术。其中混合动力汽车技术在节能与新能源汽车工业中是发展最快，也是成熟度更高且市场竞争力更强的一项综合技术。通过使学生在研究生阶段对混合动力汽车技术课程进行学习，可以使研究生更系统地掌握现代混合动力汽车节能新技术发展方向和技术特点、设计理论和控制方法。随着节能与新能源汽车战略的提出，为培养混合动力汽车关键技术人才，目前，国内很多高校相继开展混合动力汽车技术研究生课程。例如，清华大学《车辆新型驱动系统》，武汉理工大学《新能源汽车系统分析与设计》，青岛理工大学《汽车电子控制与电动汽车技术》，同济大学《汽车电子控制技术》，以及北京理工大学刘辉教授团队所开设研究生精品课程《车辆性能数字仿真技术》将混合动力技术的相关建模、设计、仿真、分析等内容总结成教学案例，使学生掌握车辆性能相关前沿技术的基本理论，具备独立进行车辆性能相关技术仿真和分析的能力。除了我国，国外诸多知名高校也相继在研究生课程中开设混合动力课程，例如，密歇根大学、克莱姆林大学、俄亥俄州立大学、加州大学戴维斯分校、德州大学等等，但大部分高校仅仅是针对电力电子控制，电机控制进行讲授，只有极少拥有汽车研究背景的高校才会从汽车宏观整体角度出发设计课程内容。

吉林大学作为国家“双一流”、“211工程”、“985 工程”重点建设高校，其车辆工程专业依托汽车仿真与控制国家重点实验室具备国家特色的专业背景，应该充分利用自己行业背景、学科优势，站在服务汽车能源绿色转型的高度，进一步凝练学科方向，优化学科布局，形成低碳优势学科。为助力全面实现节能汽车混动化，满足汽车行业对节能与新能源汽车技术人才的需求，笔者所在研究团队结合团队多年的研究积累，自2008 年起向吉林大学汽车工程学院研究生开设《混合动力汽车设计与控制》课程。但事实上，为加快中国汽车能源绿色转型，高校传统的教学内容和授课方式已经满足不了汽车行业自主创新对于新工科应用型人才培养的需求，新能源汽车方向的课程必须通过不断改革才能保障向当下汽车行业源源不断输入的人才的质量，实现行业急需人才和高端创新人才的精准培养。因此，本文以笔者多年的教学实践为基础，通过对《混合动力汽车设计与控制》课程内容与授课方式进行讨论，为新能源方向课程的改革提供新的思路。

2 教学内容

《混合动力汽车设计与控制》课程面向吉林大学汽车工程学院车辆工程专业研究生开设，旨在让研究相关方向或具有相关研究背景的学生对汽车节能技术之一的混合动力技术有系统而全面的认识。常见的混合动力汽车区别于传统燃油车最大的差异在于增加了电驱系统，相应地也增加了电池、电机和电控即“三大电”的核心技术，同时发动机与电机的相对位置不同增加了混合动力结构的多样性和复杂性，给混合动力系统的控制增添不小难度。因此，该课程要求学生能够掌握和了解混合动力汽车技术的发展方向、动态及趋势的同时，也能够熟悉混合动力汽车基本构型、工作原理，进一步地能够掌握混合动力汽车技术的基本应用，主要包括设计技术、控制技术及仿真技术，并对混合动力汽车技术发展的国内外前沿技术有所了解。故而，在笔者教授的《混合动力汽车设计与控制》课程中，共分为如下九个章节：第1章，混合动力汽车概述；第2 章，混合动力汽车的基本结构与原理；第3 章，车用驱动电机及其控制；第4 章，车用动力电池及其能量管理；第5 章，混合动力汽车设计基础；第6 章，混合动力汽车控制与开发流程；第7 章，增程器及燃料电池汽车构型及控制方法；第8 章，制动能量回收系统；第9 章，混合动力系统仿真。

3 课程教学存在的问题及分析

3.1 学科交叉性强

作为传统燃油车辆发展至纯电动车辆的中间过渡产物，混合动力汽车涉及学科类型更多，故而对授课老师的学科背景要求也更为苛刻。《混合动力汽车设计与控制》课程的教学内容涉及面广，车辆工程学科作为机械工程学科下的二级学科，首先要求授课教师具备机械工程学科背景，其次，课程所授动力电池部分涉及材料科学、电化学专业知识，驱动电机部分涉及电气工程、机械工程专业知识，而对混合动力汽车的整车控制及能量管理则需授课教师能够熟练掌握控制工程学科专业知识。此外，随着计算机技术、通信技术对工业产品革命的不断推动，人们对机械、电子产品功能的需求也在不断攀升，相应地，汽车产品功能在不断增多的过程中也加快了汽车功能集成化的发展，这也要求混合动力汽车相关课程的授课教师具备学科知识更广，专业涉猎更全。另外，市面鲜有以混合动力汽车为主体对象的专业书籍，多学科交叉特性也导致单一的专业书籍无法精准涵盖课程要求的教学内容，同时，相关技术和产品在各国政策和市场需求的推动下发展迅速，课程理论推陈出新，其均为教材的选择带来不小难度。

3.2 实践平台欠缺

传统燃油汽车的教学在各大高校专业教育体系中沉淀多年，早已具备完善的教学与实践平台，基本能够实现产学研互相结合，形成了一套适用于传统车辆工程专业学生培养的教育体系。然而，新能源汽车特别是混合动力汽车方向相关课程的理论性更为复杂，涉及学科面更广，其工程性也相应更强，从电机控制及整车控制层面考虑，混合动力汽车相较于传统燃油汽车更具教学可实践性，学生个体也理应有更加丰富的课堂实践来帮助对所学复杂专业知识进行理解、消化和吸收，因此向学生提供《混合动力汽车设计与控制》课程实践平台具有重要意义。然而，因国内混合动力汽车发展时间较短，具备完整混合动力技术开发及混合动力车辆生产能力的企业并不多，而相关企业自主研发技术与生产设备很难向高校师生开放，同时大多高校并不具备混合动力汽车研发与试验平台。课程缺乏配套的实践平台，学生缺乏合理的实践环节，混合动力汽车相关课程教学体系不够完善。

3.3 教学手段单一

现高校专业课程大多仍为大班式教学，且沿用传统的面授式、“填鸭”式教学方式。《混合动力汽车设计与控制》作为一门研究生专业课程，其授课内容本枯燥而复杂，在传统单一授课方式下，学生课堂注意力集中困难，知识理解程度低下，且课堂、课后与专业老师均无法得到有效的交流。学生缺乏学习兴趣，课程缺乏教学质量。另外，随着国内新冠病毒疫情的影响，高校教学受到直面冲击，在当下尽量减少近距离接触、减少聚集的号召下，传统的教学方式显然无法满足后疫情时代教学需求。

3.4 考核方式片面

现高校专业课程大多仍沿用“平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%）”的考核方式，《混合动力汽车设计与控制》课程也不例外。本门课程作为研究生必修科目，期末考试方式为闭卷考核，内容以客观知识考核为主，因此往往出现学生在考试前一周临时抱佛脚的不合理备考方式，以及仅靠死记硬背便能取得理想成绩的不合理评价体系。所以，传统的考核方式完全忽略了对平时学习、过程学习和实践学习的考核和评估，对学生学习的差异性无法有效区分。

4 课程教学过程的优化探索与实践

4.1 优化学科授课体系

针对《混合动力汽车设计与控制》课程存在的多学科交叉特性，及单一授课教师学科涉猎不足特点，笔者及所在教学团队提出并实践了采用多学科背景、多研究方向、多工程类型教师联合授课的教学方式。按照国内高校人才培养方法，授课教师研究方向涉及专业门类往往较窄，很难多学科全覆盖，而对于跨学科的专业知识很难在较短时间内熟练掌握并有所精通，因此采用不同学科背景，不同领域精通的教师进行本门课程的教学工作是基于现有条件的最有效的解决方式之一。自2008年课程开设以来，笔者及所在教学团队广泛吸纳相关基础课程教学优秀人才加入课程教学队伍，目前教育团队博士学位全覆盖，拥有核心成员6 名，其中教授5 名，副教授1 名，且大部分教师拥有出国经历，了解最前沿混合动力国际研究动态，教师队伍可持续发展。此外，在《混合动力汽车设计与控制》课程教学中，实现了由不同学科背景教师教授不同课程内容，例如，第3 章车用驱动电机及其控制课程内容由专门从事电机控制研究的王伟华教授负责讲授；第8 章制动能量回收系统课程内容由专门从事再生制动控制研究的初亮教授负责讲授；而本门课程前期较基础的第1、2 章节和涉及混合动力汽车设计的第5 章节由自1999 年开始持续研究混合动力汽车设计与控制的曾小华教授负责讲授……因此，在授课团队不断优化的过程中，《混合动力汽车设计与控制》课程专业性、授课质量得到了有效的保障。

针对《混合动力汽车设计与控制》课程存在的教材选用困难特点，同时考虑到现有专业书籍无法完全涵盖并贴合课程既定教学大纲和教学内容，笔者以多年教学实践为基础，结合研究团队在混合动力汽车设计和控制领域的长期研究成果，编撰了由王庆年、曾小华著，化学工业出版社出版的《新能源汽车关键技术》2017，由曾小华、杨南南著，机械工业出版社出版的《商用车混合动力系统关键技术》2019，以及与北京理工大学何洪文教授（曾小华为副主编）合著，由机械工业出版社出版的《电动汽车工程手册第2 卷——混合动力电动汽车整车设计》2020，完全实现了课程教材自编，充分保障了选用教材的强针对性，同时所撰教材因结合长期课程教学实践故具有更加广泛的适应性和受众群体，在全国其他高校得到了一定程度的应用；制作与教材配套的PPT 和课程讲义，教学团队相关负责教师可根据当前技术背景及时更新PPT 及讲义内容，以充分保障选用教材的灵活性、适应性。此外，《混合动力汽车设计与控制》课程除使用自编教材外，针对特定课程内容还为学生提供了笔者及所在研究团队编撰的由北京理工大学出版社出版的《混合动力耦合系统构型与耦合装置分析设计方法》及由机械工业出版社出版的《ADVISOR 2002 电动汽车仿真与再开发应用》作为相关技术的课外参考书目，特别是后者是本门课仿真技术的重要参考书目，也是对本门课的教学与仿真实践的良好的补充教材。

4.2 构建实践教学平台

针对《混合动力汽车设计与控制》课程存在的实践环节、实践平台欠缺特点，同时考虑企业向高校师生直接开放研发、生产流程作为实践平台存在困难，笔者基于吉林大学汽车工程学院及汽车仿真与控制国家重点实验室平台条件，从混合动力汽车理论认知、系统“V 流程”开发技术实现两方面出发，提出“课堂讲授演示+开发实现”的混合实践教学模式。

“课堂讲授演示”实践环节旨在以更加形象、直观的方式加深学生对混合动力系统及其关键部件的理解和认识。例如，课程的第二章教学内容涉及混联型混合动力汽车基本结构与原理的教学，为加深学生对其中功率分流构型关键部件行星排的理解，笔者在课堂创新性地引入实车用行星排作为课堂教学用具，使得理论与应用得到了较好的结合。此外，笔者及教学团队依托实验室研究及工程项目背景，形成了较丰富的混合动力汽车开发与测试平台，课堂教学演示环节将为学生适时开放实验室研究平台，使得学生能够更加清晰、系统地认识混合动力汽车开发与测试过程。当然，理论教学结合简单的课堂演示实践仍不足以使得学生对混合动力汽车相较于传统燃油汽车的差异有直观而系统的辨识，为此，笔者及所在教学团队计划利用自身产学研工程合作背景，类比传统燃油汽车及发动机拆装试验演示，搭建混合动力汽车实车拆装教学演示平台，进而为《混合动力汽车设计与控制》课程提供更加丰富的教学实践环境。

“开发实现”实践环节是在遵循混合动力汽车开发“V”流程的基础上，笔者及所在教学团队结合自身实验室条件为学生提供符合课程学时要求的混合动力汽车开发关键技术的教学实践。例如，受课时要求可个性化地让学生自主选择开发实践项目类型，包括依托教学团队现有dSpace的Midsize Simulator 模拟器及快速控制原型TTC200 或华海控制器U2 等控制器设备对整车控制策略的硬件在环（HIL, Hardware In the Loop）测试进行简单实现，或依托现有直流电机台架实现对直流电机的控制过程实践等。

4.3 丰富课程教学手段

传统的专业课程教学存在教学手段单一的问题，学生往往只能被动地接受知识，而非主动汲取知识，学生学习参与度较低，学习效果欠佳。为解决所述问题，同时充分发挥学生在学习上的主观能动性，笔者基于多年教学实践提出如下改进方法。

融合多种教学方法。多种教学方法具体包括代入式教学、启发式教学及案例式教学方法。代入式教学，如可在课堂中提出混合动力节能技术发展历程相关问题，进而引导学生通过小组讨论或文献调研等方式主动解决实际问题，进一步地，可激发学生主动查阅和思考科学问题的能力，充分发挥学生主观能动性，同时使得学生在发现并主动解决问题的过程中体会学科的交叉、碰撞和融合。启发式教学，如可在课堂上提出混合动力汽车的技术优势及对传统汽车的冲击和挑战，激发学生学习和研究兴趣，引导学生对关键技术进行更加深入的探究，或鼓励学生自由探索，进而激发学生探究汽车产业发展需求的积极性和解决科学问题的主动性，进一步地，可培养学生对待学术的批判性思维，帮助其养成严谨的研究态度。案例式教学，如可准备多个简单到复杂的混合动力汽车设计与控制的实际案例，通过对典型案例的深入分析和详细阐述，引出理论学习所涉及的工程原理与企业实际开发流程，最后再由学生分组完成案例的过程分析，加强学生对理论知识实际应用的理解。

发展混合教学模式。随着“后疫情时代”到来，传统的线下教学模式仍然无法应对复杂多变的国内疫情形势，而在疫情期间积累的线上教学的宝贵经验与教训，都可成为探索线下线上混合教学模式的积累和基础，从而形成特殊时期、特殊时代背景下的最有利于学生及教师专业化发展目标实现的混合教学模式，即采用“线下课堂+ 线上课堂+ 授课视频录制”的多模式混合授课方式。在减少近距离接触、减少聚集的前提下，小规模的线下课堂仍可满足学生与授课教师直面交流的需要，授课教师也可直接通过学生课堂表现反馈获得学生学习状态和课堂疑问，进而适时地、有针对性地修正课堂教学方式。此外，为适应疫情防护需要，在满足无法返回线下课堂学生的专业知识教学基本要求的基础上，利用线上教学平台还可丰富专业知识教学方式，以学生喜爱、擅长的方式实施教学可提升学生课堂趣味性和参与度，采用“线下课堂+ 线上课堂”混合教学模式，可有效弥补传统线下课堂学生参与度较低的不足。以笔者线上教学经验挖掘混合教学模式优势，即利用“微信群通知”、“腾讯会议”、“雨课堂”、“钉钉”等线上网络平台，可实现通过线上平台发布课前任务、学习资源和在线测试等，进而可提高学生自主学习度；利用线上学习平台可发布实时投票、在线抢答、随机抽查等课堂活动，另外，线上评论区的开放使得学生可在不打扰课堂秩序的情况下进行实时地学术交流和讨论，也可有效避免线下课堂集体交流环节的冷场现象，在为枯燥乏味的专业课程课堂增添趣味性的同时，也大大提高了学生课堂参与度；利用线上教学平台还可发布课后作业、课后自测及拓展学习等教学任务，帮助学生巩固所学课程内容。“线下课堂+ 线上课堂+ 授课视频录制”混合教学模式还引入了授课视频录制的方式，即由对应授课教师录制完整授课视频同时上传至中国MOOC 网，供受疫情影响在校外无条件或因网络问题无法正常参与完整课堂学生的专业知识自主学习，也可实现差异化教学即考虑不同基础、不同能力学生对于实时课堂的接受速度和理解程度，供学生课后查缺补漏，进而保障“后疫情时代”专业课程教学质量。

引入课堂反馈机制。丰富的教学模式可在一定程度上打破师生天然交流壁垒，以学生熟悉的形式即通过线上教学平台可加强学生与老师的交流，通过线上教学平台可在课程结束后以对课程打分、问卷调研或意见收集的方式直接获取学生对于当堂教学的直观反馈，以便授课教师对课程内容及授课方式进行及时改进，进而在满足大部分学生教学质量的同时，也能够尽量兼顾个别学生的特殊需求，实现个性化课堂定制。

4.4 人性化考核方式

针对《混合动力汽车设计与控制》课程存在的考核方式片面特点，笔者提出“平时成绩+ 调研报告/ 实践成绩+ 期末考试成绩”的人性化考核方式。“平时成绩”部分主要以学生到课率、课堂表现和线上或线下课后作业为依据，其中，无故缺课给负分；课堂表现不以学生回答问题是否正确为依据，主要考察学生是否积极主动思考问题；课后作业不以答案是否正确为唯一依据，更重要的是考察学生分析问题的思路和方法，独立完成作业的能力等。调研报告即可针对相关技术前沿完成开放性探索，报告题目予以推荐但不予以限制，学生可根据自己兴趣方向进行调研，如可针对混合动力汽车相关热点问题、关键技术或泛化领域展开文献调研，同时结合本门课程知识，提出个人分析和见解等。对于期末考试，授课老师将成立命题组，在不断扩大试题库的同时实时更新过时题目，增加开放性试题比例，在考察学生对所学知识的理解和掌握的同时也可考察学生对知识的吸收、转化和实际应用能力。因此，该人性化考核方式相较于传统考核方式能够更全面地区分学生学习差异性，具备实践意义。

5 结语

本文以吉林大学《混合动力汽车设计与控制》课程教学存在的问题为基础，结合笔者及所在教学团队多年的教学实践和经验，对《混合动力汽车设计与控制》课程授课体系、实践教学、教学手段及考核方式进行了改革和探索。通过近两年的教学改革实践能够发现，《混合动力汽车设计与控制》课堂上学生积极性和专注度明显提高，课堂、课后主动与授课教师交流的学生人数和交流频次也显著增加；学生对于实践课程兴趣尤为浓厚，动手与实际操作能力显著增强；作为研究生自选专业必修课程，选报《混合动力汽车设计与控制》课程的人数连年增长，学生课堂缺勤率连年下降；此外，在课程教学的不断改革下，本门课程的学生平均成绩每一学年均有一定程度的提升。因此笔者认为，高校只有对专业课程不断改革创新才能为行业源源不断地培养出企业急需人才和高端创新人才。本文以吉林大学《混合动力汽车设计与控制》课程教学改革与探索为实例，希望能够为高水平大学新能源方向课程的改革提供新的思路。