力学专业汽车构造课程的组织与实施

周令　文聘　陈建中　李旭　段波

摘 要：武汉理工大学工程力学（卓越工程师）班是国家第二批“卓越工程师计划”试点专业，该专业旨在培养工程力学与汽车的复合型人才，解决汽车及相关领域的实际工程力学问题。《汽车构造》作为该专业的一门重要学科基础课，其教学成效对于后续课程的学习尤为关键。鉴于力学专业与汽车专业的不同，本文以力学专业所开设的《汽车构造》为例，详细介绍该课程在组织与实施方面的改革举措、教学效果和不足之处。

关键词：工程力学（卓越工程师） 汽车构造 教学改革 虚拟实验 专题研讨

1 引言

新工科建设是我国针对新兴产业的发展，对高等教育提出的新要求，新挑战，其核心是要求培养具备实践能力、创新能力强、具有国际竞争力的高素质复合型新工科人才。我院工程力学（卓越工程师）班是国家第二批“卓越工程师计划”试点专业，该专业在设立之初，便立足学校在车辆工程的专业特色与行业优势，将汽车类课程纳入到培养计划中，旨在培养工程力学与汽车的复合型人才，解决汽车及相关领域的实际工程力学问题。

《汽车构造》是汽车类课程的基础，内部结构复杂，工作原理较为抽象，技术更新换代较快，专业教师在课堂组织、教学手段等方面进行了大量教学改革研究[1-5]。然而对于工程力学专业的学生，其教学内容应不同于车辆工程专业，除了基本原理和基本构造的教学，还应促进工程力学与汽车的有机结合与交叉，培养学生利用力学手段解决汽车领域实际工程问题，提高学生的创新能力和核心竞争力。因此，本文以武汉理工大学工程力学（卓越工程师）方向为例，介绍《汽车构造》课程的组织实施与教学效果。

2 课程教学目标及学情分析

本课程教学目标分为四个层次：1）知识贡献：通过本课程的学习，学生能够了解汽车总体构造、汽车发动机（含曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系、冷却系、润滑系、点火系、起动系）、汽车底盘（含传动系、行驶系、转向系、制动系）各总成和零部件的组成、作用、结构特点和工作原理；了解汽车及零部件的新构造和发展趋势。2）能力贡献：通过本课程的学习，学生能够针对汽车故障、工程实际中的问题，获得逻辑思维和创新创造能力。3）素质贡献：通过本课程的学习，学生能坚定正确的政治信念，提高思想道德水平，锻炼表达交流能力和团队协作精神。4）价值贡献：通过本课程的学习，学生能产生对汽车整车及零部件中的力学和材料相关问题的研究兴趣，锻炼自主学习能力，成长成才。

学情分析：卓越工程师方向的学生为工程力学专业学生自由报名加考试选拔组班，学生基础较好，汽车构造安排在第四学期开课，学生前期已完成数理类、理论力学、材料力学等专业基础课的学习，同期开设机械设计力学基础，后续课程为汽车理论、机械制造技术基础、工程热力学等。然而，汽车构造是学生接触的第一门汽车类课程，其要求是通过学习，掌握汽车总体构造、汽车发动机各总成和零部件的组成、作用、结构特点和工作原理方面的知识。该课程知识点繁多，学时相对较少，尤其实践学时少，仅有4个学时，即2次参观实习，学生缺乏对汽车零部件的具体认识，对于如何利用力学专业的知识和工具解决汽车领域实际工程问题更是不明所以，对“为什么学”产生疑惑，无法建立知识体系之间的联系。

3 课程教学的组织与实施

基于上述教学目标以及学情分析，本团队以工程力学卓越工程师专业方向的《汽車构造》课程为研究对象，采用多种教学手段促进课堂教学质量提高；引入汽车发动机和底盘虚拟拆装实验，辅助课内认知实践，加深学生对基本构造和基本原理的理解；采用案例及讨论式教学法将力学基础知识、力学测试技术、计算机辅助设计与计算应用于汽车领域特定案例，通过讨论式教学启发学生思维，培养学生解决复杂工程应用问题的实践能力与创新能力；通过校企联合，邀请企业专家开展行业热点等讲座，为学生介绍行业发展前沿，帮助学生树立投身行业建设的目标。具体课程教学组织架构如图1所示，其各环节的实施方案将在后文详细介绍。

3.1 课堂教学手段

汽车构造知识点多，内容繁杂，涉及到大量复杂机构的内部结构及工作原理。传统课堂教学手段以多媒体教学为主，通过图片文字等对各知识点进行介绍。然而这种“填鸭式”介绍性的教学方式，容易引起学生乏味，注意力集中时间有限，难以对教学内容形成深刻的理解和记忆。因此，在教学资源方面，团队教师进一步优化多媒体课件，选用彩色高清三维立体图、实物图、动画、视频等增强课件的知识性和趣味性，使学生更直观更主动地了解汽车各零部件或总成的结构和原理。其次，在课堂教学组织方面，采用设问—讲授-解答的方式进行教学，即在新知识点学习之前，先提出多个问题，促使学生带着问题去学习，课堂结束之前，当堂收取问题答案，将其记为考勤及平时成绩；在课程教学过程中，还通过雨课堂、现场提问等环节进行互动，一方面吸引学生注意力，激起学习兴趣，另一方面对容易混淆的知识点进行强化记忆，同时雨课堂的计分功能完成随堂测验和课堂教学效果评价。

3.2 虚实结合的实验教学

汽车构造课内实践学时少，仅有4学时认知实践，而且实践环节一般安排在理论教学环节完成之后，学生很难将课内的理论知识和实践相结合，以期通过认知实践环节促进理论教学的效果不显著。因此，教学团队增加了汽车发动机及底盘虚拟拆装课外实验，以增强学生对各零部件和总成结构、原理的感性认识。以发动机拆装为例，在讲授曲柄连杆机构之后，就在课内集中讲授虚拟拆装软件的基本操作，并要求学生利用课外的时间观看实物拆装教学视频，并在虚拟拆装软件依次完成曲柄连杆机构——配气机构及气缸盖——外围机构的安装。虚拟软件设有步骤分，操作错误会扣除相应的分数，为了使同学熟练掌握，要求学生将每一部分练习的得分结果截图，截图放在实验报告中，得分不得低于各模块分数的85%。

3.3 专题研讨的组织及评价

专题研讨是本课程在组织和实施中的一个关键举措，研讨主题为“力学仿真技术在汽车领域的应用”，其目的是要通过小组合作，查阅国内外相关期刊论文、硕博士论文，通过阅读文献、PPT制作、交流研讨，理清力学基础知识、力学测试技术、仿真技术应用于汽车零部件或整车的基本思路和基本方法，启发思维，培养学生利用力学工具解决汽车领域实际工程问题的能力，激发学生对汽车整车及零部件中的力学和材料相关问题的研究兴趣，锻炼自主学习能力，成长成才。

研讨大作业的具体要求是：1）分工协作，两人一组，查阅期刊和硕博士论文，对其研究背景，研究任务，基本原理及方法、仿真结果等进行PPT展示；2）尊重知识产权，资料来源需注明出处，PPT制作需图文并茂，简洁美观；3）每周1次研讨分享，分享讲述时间不超过15分钟，提问或教师点评时间5分钟。

任务下达以后，同学们迅速分组排序，确定了研讨分享的时间，并在规定时间内完成了资料查阅和PPT制作等工作。例如，在讲授配气机构后，有一组同学分享了华中科技大学陶海的硕士毕业论文《某船用柴油机的气门疲劳寿命研究》，介绍了某型船用柴油机进排气门的模型建立，利用 ANSYS 软件进行了动力学计算和疲劳寿命估算的过程。还有一组同学分享了重庆大学周晓斌的硕士学位论文《发动机配气机构振动噪声仿真分析》，对于没有涉及过的专有名词，还通过查阅相关资料做了一页资料卡片的PPT。

讲授环节完成后，师生就感兴趣的问题进行交流，引导学生积极有效地参与讨论，并及时进行点评和小结，引导学生读懂文献，了解基本思路和基本方法。通过学生的课题展示和讨论环节，从知识点掌握情况、创新思维评价和表达展示情况进行小组评分及个人评分，并将分数作为期末考核的重要组成部分，有助于激励学生参与讨论的积极性，同时也可以为教学效果评价提供量化指标。

3.4 专家讲座

为了开拓学生视野，树立学好力学专业，投身汽车领域发展的信心，教学团队还利用课外时间组织专家讲座，邀请了合肥工业大学汽车工程研究院的朱波副教授进行《电动汽车能耗分析与优化》的专题讲座，介绍了电动汽车的发展趋势、能耗优化的多种方案，同时也提出了通过力学仿真手段进行结构优化和能耗优化的需求，激发了学生的学习兴趣和动力；也邀请了长期从事汽车发动机设计的工程师，2010级学姐现身说法，以某一具体零件为例，分享发动机缸盖、水套和气道优化设计的方法和步骤，所需要的工具软件等，并进行求学求职以及在企业的工作经验交流。

3.5 考核方式

基于以上教学方式改革，考核方式也做了相应的调整。期末总评成绩由四部分组成，其中期末考试占60%，闭卷考试，通过填空、选择等客观题、识图题、分析题考查学生对基本构造、基本原理的识记、理解和简单分析能力；平时成绩占20%，主要为雨课堂记录的考勤情况、课堂互动及答题情况；实验成绩占10%，主要为虚拟实验操作得分和实验报告、认知实践作业情況；研讨大作业占10%，主要考查学生查阅资料、展示和讲授的情况。综合评价结果，以2020级为例，总人数33人，90分以上3人，80～90区间17人，70～80分区间10人，60～70分区间3人，无不及格情况。综合评价和期末考试卷面成绩均基本符合正态分布，也从侧面反映了该考核方式的科学性和合理性。

4 教学效果及评价

为了了解教学效果，教学团队对2020级学生进行了问卷调查，问卷时间设置在期末考试成绩公布之后，并采用匿名形式，共计33人选课，23人提交问卷，部分统计结果如下：74%的同学认为通过课堂作业（雨课堂、课堂提问），可以加深对知识点的记忆和理解；83%的同学认为通过虚拟实验，对汽车发动机和底盘的基本构造有了更清晰的认识；65%的同学认为通过翻转课堂即文献调研和讲解，了解了如何通过力学仿真工具解决汽车零部件及相关领域的实际工程问题；74%的同学通过专家讲座，对汽车发展前沿以及未来职业规划有了更清晰的认识。91%的同学认为教学方法多样，74%的同学认为通过本课程的学习，了解了汽车发动机和底盘的基本构造和工作原理，对汽车及其零部件领域有了更深更广的认识，也树立了利用本专业知识解决实际工程问题的信心，整体效果良好。

5 课程思政建设

教学团队还积极开展课程思政建设，深入挖掘思政元素，例如在讲授国内外汽车发展史时，介绍国内外汽车工业发展的差距，强调中国汽车快速发展的现状，激发学生的爱国主义情怀和为汽车工业发展贡献力量的信心和决心；讲授发动机结构时，结合不同的工况讲授两大机构五大系统的相互配合，帮助学生建立辩证统一的观点，增强团结合作意识，提升分析问题和解决问题的能力；讲授电控喷射技术时，通过介绍稀薄燃烧、均质燃烧、分层燃烧等前沿技术，激发学生结合自身所长，在发动机优化设计、车身轻量化等领域不断进取，为实现碳达峰与碳中和的双碳目标贡献自己的力量。

6 结语

本教学团队以提升工程力学卓越工程师专业方向的《汽车构造》教学效果为目标，采用线上线下结合、课内课外结合、虚拟实验与动手操作结合等多种教学方法，促进了课堂教学质量提高，加深了学生对基本构造和基本原理的理解；采用文献查阅、案例讨论式教学法，引导学生针对汽车领域的实际工程问题，将力学基础知识、测试技术、计算机辅助设计等应用于特定案例，培养分析问题和解决问题的能力；通过校企联合，为学生介绍行业发展前沿，帮助学生树立投身汽车行业建设的信心和目标，教学效果良好。

然而，通过学生反馈和团队的教学反思，由于汽车构造设置在有限元分析课程之前，学生缺乏相关知识基础，对讨论式教学过程中的相关案例理解不够透彻，未能进行相应的模拟仿真，教学效果有待进一步提高。针对这种情况，教学团队也积极开展了后续相关课程实践，在教育部产学合作协同育人项目 “simdroid仿真软件力学专业师资培训项目”的资助下，组织学生利用课外时间针对汽车各零部件进行工作模态分析等，为进一步提升教学效果提供了重要途径。

本项目由武汉理工大学教学研究改革项目“案例讨论式教学法推进工程力学卓越工程师方向《汽车构造》课程建设”（w2020130）、教育部产学合作协同育人项目“simdroid仿真软件力学专业师资培训项目”（220506517311318）资助。

参考文献：

[1]徐国艳，姬芬竹，王岩，张奇，基于四条主线的工科专业课程思政体系设计与实践——以“汽车构造及拆装实习”课程为例. 高等工程教育研究， 2022，03，91-94．

[2]李淼林，李长玉，戴海燕，王丽，张春花. 基于“三位一体”的汽车构造课程混合式教学初探.高教学刊，2022，33，125-128．

[3]侯占峰，刘海洋，佟鑫，闫建国，基于混合式教学模式的汽车构造课程网络教学平台建设.内蒙古农业大学学报（ 社会科学版），2018，3，45-48．

[4]胡亚楠， 汽车构造课程教学改革研究.大学教育，2018.6，81-83．

[5]孙悦超，黄明鑫，李明圣，李曼，基于“工程教育”背景下的《汽车构造》课程教学改革与实践.汽车教育，2021，6，159-163．