力學專業汽車構造課程的組織與實施

周令　文聘　陳建中　李旭　段波

摘 要：武漢理工大學工程力學（卓越工程師）班是國家第二批“卓越工程師計劃”試點專業，該專業旨在培養工程力學與汽車的復合型人才，解決汽車及相關領域的實際工程力學問題?！镀嚇嬙臁纷鳛樵搶I的一門重要學科基礎課，其教學成效對于后續課程的學習尤為關鍵。鑒于力學專業與汽車專業的不同，本文以力學專業所開設的《汽車構造》為例，詳細介紹該課程在組織與實施方面的改革舉措、教學效果和不足之處。

關鍵詞：工程力學（卓越工程師） 汽車構造 教學改革 虛擬實驗 專題研討

1 引言

新工科建設是我國針對新興產業的發展，對高等教育提出的新要求，新挑戰，其核心是要求培養具備實踐能力、創新能力強、具有國際競爭力的高素質復合型新工科人才。我院工程力學（卓越工程師）班是國家第二批“卓越工程師計劃”試點專業，該專業在設立之初，便立足學校在車輛工程的專業特色與行業優勢，將汽車類課程納入到培養計劃中，旨在培養工程力學與汽車的復合型人才，解決汽車及相關領域的實際工程力學問題。

《汽車構造》是汽車類課程的基礎，內部結構復雜，工作原理較為抽象，技術更新換代較快，專業教師在課堂組織、教學手段等方面進行了大量教學改革研究[1-5]。然而對于工程力學專業的學生，其教學內容應不同于車輛工程專業，除了基本原理和基本構造的教學，還應促進工程力學與汽車的有機結合與交叉，培養學生利用力學手段解決汽車領域實際工程問題，提高學生的創新能力和核心競爭力。因此，本文以武漢理工大學工程力學（卓越工程師）方向為例，介紹《汽車構造》課程的組織實施與教學效果。

2 課程教學目標及學情分析

本課程教學目標分為四個層次：1）知識貢獻：通過本課程的學習，學生能夠了解汽車總體構造、汽車發動機（含曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系、冷卻系、潤滑系、點火系、起動系）、汽車底盤（含傳動系、行駛系、轉向系、制動系）各總成和零部件的組成、作用、結構特點和工作原理；了解汽車及零部件的新構造和發展趨勢。2）能力貢獻：通過本課程的學習，學生能夠針對汽車故障、工程實際中的問題，獲得邏輯思維和創新創造能力。3）素質貢獻：通過本課程的學習，學生能堅定正確的政治信念，提高思想道德水平，鍛煉表達交流能力和團隊協作精神。4）價值貢獻：通過本課程的學習，學生能產生對汽車整車及零部件中的力學和材料相關問題的研究興趣，鍛煉自主學習能力，成長成才。

學情分析：卓越工程師方向的學生為工程力學專業學生自由報名加考試選拔組班，學生基礎較好，汽車構造安排在第四學期開課，學生前期已完成數理類、理論力學、材料力學等專業基礎課的學習，同期開設機械設計力學基礎，后續課程為汽車理論、機械制造技術基礎、工程熱力學等。然而，汽車構造是學生接觸的第一門汽車類課程，其要求是通過學習，掌握汽車總體構造、汽車發動機各總成和零部件的組成、作用、結構特點和工作原理方面的知識。該課程知識點繁多，學時相對較少，尤其實踐學時少，僅有4個學時，即2次參觀實習，學生缺乏對汽車零部件的具體認識，對于如何利用力學專業的知識和工具解決汽車領域實際工程問題更是不明所以，對“為什么學”產生疑惑，無法建立知識體系之間的聯系。

3 課程教學的組織與實施

基于上述教學目標以及學情分析，本團隊以工程力學卓越工程師專業方向的《汽車構造》課程為研究對象，采用多種教學手段促進課堂教學質量提高；引入汽車發動機和底盤虛擬拆裝實驗，輔助課內認知實踐，加深學生對基本構造和基本原理的理解；采用案例及討論式教學法將力學基礎知識、力學測試技術、計算機輔助設計與計算應用于汽車領域特定案例，通過討論式教學啟發學生思維，培養學生解決復雜工程應用問題的實踐能力與創新能力；通過校企聯合，邀請企業專家開展行業熱點等講座，為學生介紹行業發展前沿，幫助學生樹立投身行業建設的目標。具體課程教學組織架構如圖1所示，其各環節的實施方案將在后文詳細介紹。

3.1 課堂教學手段

汽車構造知識點多，內容繁雜，涉及到大量復雜機構的內部結構及工作原理。傳統課堂教學手段以多媒體教學為主，通過圖片文字等對各知識點進行介紹。然而這種“填鴨式”介紹性的教學方式，容易引起學生乏味，注意力集中時間有限，難以對教學內容形成深刻的理解和記憶。因此，在教學資源方面，團隊教師進一步優化多媒體課件，選用彩色高清三維立體圖、實物圖、動畫、視頻等增強課件的知識性和趣味性，使學生更直觀更主動地了解汽車各零部件或總成的結構和原理。其次，在課堂教學組織方面，采用設問—講授-解答的方式進行教學，即在新知識點學習之前，先提出多個問題，促使學生帶著問題去學習，課堂結束之前，當堂收取問題答案，將其記為考勤及平時成績；在課程教學過程中，還通過雨課堂、現場提問等環節進行互動，一方面吸引學生注意力，激起學習興趣，另一方面對容易混淆的知識點進行強化記憶，同時雨課堂的計分功能完成隨堂測驗和課堂教學效果評價。

3.2 虛實結合的實驗教學

汽車構造課內實踐學時少，僅有4學時認知實踐，而且實踐環節一般安排在理論教學環節完成之后，學生很難將課內的理論知識和實踐相結合，以期通過認知實踐環節促進理論教學的效果不顯著。因此，教學團隊增加了汽車發動機及底盤虛擬拆裝課外實驗，以增強學生對各零部件和總成結構、原理的感性認識。以發動機拆裝為例，在講授曲柄連桿機構之后，就在課內集中講授虛擬拆裝軟件的基本操作，并要求學生利用課外的時間觀看實物拆裝教學視頻，并在虛擬拆裝軟件依次完成曲柄連桿機構——配氣機構及氣缸蓋——外圍機構的安裝。虛擬軟件設有步驟分，操作錯誤會扣除相應的分數，為了使同學熟練掌握，要求學生將每一部分練習的得分結果截圖，截圖放在實驗報告中，得分不得低于各模塊分數的85%。

3.3 專題研討的組織及評價

專題研討是本課程在組織和實施中的一個關鍵舉措，研討主題為“力學仿真技術在汽車領域的應用”，其目的是要通過小組合作，查閱國內外相關期刊論文、碩博士論文，通過閱讀文獻、PPT制作、交流研討，理清力學基礎知識、力學測試技術、仿真技術應用于汽車零部件或整車的基本思路和基本方法，啟發思維，培養學生利用力學工具解決汽車領域實際工程問題的能力，激發學生對汽車整車及零部件中的力學和材料相關問題的研究興趣，鍛煉自主學習能力，成長成才。

研討大作業的具體要求是：1）分工協作，兩人一組，查閱期刊和碩博士論文，對其研究背景，研究任務，基本原理及方法、仿真結果等進行PPT展示；2）尊重知識產權，資料來源需注明出處，PPT制作需圖文并茂，簡潔美觀；3）每周1次研討分享，分享講述時間不超過15分鐘，提問或教師點評時間5分鐘。

任務下達以后，同學們迅速分組排序，確定了研討分享的時間，并在規定時間內完成了資料查閱和PPT制作等工作。例如，在講授配氣機構后，有一組同學分享了華中科技大學陶海的碩士畢業論文《某船用柴油機的氣門疲勞壽命研究》，介紹了某型船用柴油機進排氣門的模型建立，利用 ANSYS 軟件進行了動力學計算和疲勞壽命估算的過程。還有一組同學分享了重慶大學周曉斌的碩士學位論文《發動機配氣機構振動噪聲仿真分析》，對于沒有涉及過的專有名詞，還通過查閱相關資料做了一頁資料卡片的PPT。

講授環節完成后，師生就感興趣的問題進行交流，引導學生積極有效地參與討論，并及時進行點評和小結，引導學生讀懂文獻，了解基本思路和基本方法。通過學生的課題展示和討論環節，從知識點掌握情況、創新思維評價和表達展示情況進行小組評分及個人評分，并將分數作為期末考核的重要組成部分，有助于激勵學生參與討論的積極性，同時也可以為教學效果評價提供量化指標。

3.4 專家講座

為了開拓學生視野，樹立學好力學專業，投身汽車領域發展的信心，教學團隊還利用課外時間組織專家講座，邀請了合肥工業大學汽車工程研究院的朱波副教授進行《電動汽車能耗分析與優化》的專題講座，介紹了電動汽車的發展趨勢、能耗優化的多種方案，同時也提出了通過力學仿真手段進行結構優化和能耗優化的需求，激發了學生的學習興趣和動力；也邀請了長期從事汽車發動機設計的工程師，2010級學姐現身說法，以某一具體零件為例，分享發動機缸蓋、水套和氣道優化設計的方法和步驟，所需要的工具軟件等，并進行求學求職以及在企業的工作經驗交流。

3.5 考核方式

基于以上教學方式改革，考核方式也做了相應的調整。期末總評成績由四部分組成，其中期末考試占60%，閉卷考試，通過填空、選擇等客觀題、識圖題、分析題考查學生對基本構造、基本原理的識記、理解和簡單分析能力；平時成績占20%，主要為雨課堂記錄的考勤情況、課堂互動及答題情況；實驗成績占10%，主要為虛擬實驗操作得分和實驗報告、認知實踐作業情況；研討大作業占10%，主要考查學生查閱資料、展示和講授的情況。綜合評價結果，以2020級為例，總人數33人，90分以上3人，80～90區間17人，70～80分區間10人，60～70分區間3人，無不及格情況。綜合評價和期末考試卷面成績均基本符合正態分布，也從側面反映了該考核方式的科學性和合理性。

4 教學效果及評價

為了了解教學效果，教學團隊對2020級學生進行了問卷調查，問卷時間設置在期末考試成績公布之后，并采用匿名形式，共計33人選課，23人提交問卷，部分統計結果如下：74%的同學認為通過課堂作業（雨課堂、課堂提問），可以加深對知識點的記憶和理解；83%的同學認為通過虛擬實驗，對汽車發動機和底盤的基本構造有了更清晰的認識；65%的同學認為通過翻轉課堂即文獻調研和講解，了解了如何通過力學仿真工具解決汽車零部件及相關領域的實際工程問題；74%的同學通過專家講座，對汽車發展前沿以及未來職業規劃有了更清晰的認識。91%的同學認為教學方法多樣，74%的同學認為通過本課程的學習，了解了汽車發動機和底盤的基本構造和工作原理，對汽車及其零部件領域有了更深更廣的認識，也樹立了利用本專業知識解決實際工程問題的信心，整體效果良好。

5 課程思政建設

教學團隊還積極開展課程思政建設，深入挖掘思政元素，例如在講授國內外汽車發展史時，介紹國內外汽車工業發展的差距，強調中國汽車快速發展的現狀，激發學生的愛國主義情懷和為汽車工業發展貢獻力量的信心和決心；講授發動機結構時，結合不同的工況講授兩大機構五大系統的相互配合，幫助學生建立辯證統一的觀點，增強團結合作意識，提升分析問題和解決問題的能力；講授電控噴射技術時，通過介紹稀薄燃燒、均質燃燒、分層燃燒等前沿技術，激發學生結合自身所長，在發動機優化設計、車身輕量化等領域不斷進取，為實現碳達峰與碳中和的雙碳目標貢獻自己的力量。

6 結語

本教學團隊以提升工程力學卓越工程師專業方向的《汽車構造》教學效果為目標，采用線上線下結合、課內課外結合、虛擬實驗與動手操作結合等多種教學方法，促進了課堂教學質量提高，加深了學生對基本構造和基本原理的理解；采用文獻查閱、案例討論式教學法，引導學生針對汽車領域的實際工程問題，將力學基礎知識、測試技術、計算機輔助設計等應用于特定案例，培養分析問題和解決問題的能力；通過校企聯合，為學生介紹行業發展前沿，幫助學生樹立投身汽車行業建設的信心和目標，教學效果良好。

然而，通過學生反饋和團隊的教學反思，由于汽車構造設置在有限元分析課程之前，學生缺乏相關知識基礎，對討論式教學過程中的相關案例理解不夠透徹，未能進行相應的模擬仿真，教學效果有待進一步提高。針對這種情況，教學團隊也積極開展了后續相關課程實踐，在教育部產學合作協同育人項目 “simdroid仿真軟件力學專業師資培訓項目”的資助下，組織學生利用課外時間針對汽車各零部件進行工作模態分析等，為進一步提升教學效果提供了重要途徑。

本項目由武漢理工大學教學研究改革項目“案例討論式教學法推進工程力學卓越工程師方向《汽車構造》課程建設”（w2020130）、教育部產學合作協同育人項目“simdroid仿真軟件力學專業師資培訓項目”（220506517311318）資助。

參考文獻：

[1]徐國艷，姬芬竹，王巖，張奇，基于四條主線的工科專業課程思政體系設計與實踐——以“汽車構造及拆裝實習”課程為例. 高等工程教育研究， 2022，03，91-94．

[2]李淼林，李長玉，戴海燕，王麗，張春花. 基于“三位一體”的汽車構造課程混合式教學初探.高教學刊，2022，33，125-128．

[3]侯占峰，劉海洋，佟鑫，閆建國，基于混合式教學模式的汽車構造課程網絡教學平臺建設.內蒙古農業大學學報（ 社會科學版），2018，3，45-48．

[4]胡亞楠， 汽車構造課程教學改革研究.大學教育，2018.6，81-83．

[5]孫悅超，黃明鑫，李明圣，李曼，基于“工程教育”背景下的《汽車構造》課程教學改革與實踐.汽車教育，2021，6，159-163．