《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》教學(xué)方法新探索

王智沖 姬鵬 肖歡

摘要：《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》是車輛工程專業(yè)的一門專業(yè)課程。該文基于構(gòu)建工程人才為核心的STEM教育理念，以車輛垂向動(dòng)力學(xué)及控制為例，圍繞動(dòng)力學(xué)規(guī)律（S）、仿真分析（T）、懸架設(shè)計(jì)（E）、控制方程（M），開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向和學(xué)科融合的教學(xué)方法探索。結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐，通過使用仿真軟件，將枯燥的理論知識(shí)可視化;利用現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)，對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容與問題解答開展云端教學(xué)實(shí)踐;利用課后差異化的輔導(dǎo)，幫助學(xué)有余力的學(xué)生積極探究更深層次的知識(shí)。從而，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題，并靈活運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)分析解決工程實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：車輛動(dòng)力學(xué)及控制???STEM?教育理念??可視化??現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)??差異化

中圖分類號(hào)：G642;U461-4???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：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

作為車輛工程方向?qū)W生的一門專業(yè)課，《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》研究所有與車輛系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)有關(guān)的科學(xué)。內(nèi)容涉及車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立、計(jì)算機(jī)仿真、動(dòng)態(tài)性能分析以及運(yùn)用現(xiàn)代控制理論對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)等，是一門既涉及較深理論，又具有很強(qiáng)實(shí)踐性，而且內(nèi)容不斷更新發(fā)展的課程[1]。

《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》是傳統(tǒng)的車輛專業(yè)的研究生課程。為了應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，該課程成為本科生的一門專業(yè)課。但是，由于該課程涉及的知識(shí)體系覆蓋較廣，本科生和研究生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度差異較大，本科生和研究生分別作為應(yīng)用型人才和研究型人才的培養(yǎng)目標(biāo)不同，因此，需要針對(duì)不同的授課對(duì)象，使用合適的教學(xué)方法[2]。

《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》教材中涉及大量的公式推導(dǎo)，要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)和力學(xué)功底。學(xué)生面對(duì)眾多的推動(dòng)公式，往往望而卻步，容易產(chǎn)生抵觸情緒[3]。在有關(guān)車輛控制系統(tǒng)的教學(xué)中，由于研究和控制對(duì)象比較復(fù)雜、控制效果不直觀、學(xué)生參與度低、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，導(dǎo)致教學(xué)效果比較差[4]。對(duì)照新工科對(duì)人才專業(yè)能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的要求，我國(guó)應(yīng)用型本科教育與教學(xué)方法存在諸多不足之處，對(duì)本科學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有待進(jìn)一步地提高?[5]。高校在“創(chuàng)新產(chǎn)出”指標(biāo)維度上的實(shí)際貢獻(xiàn)度明顯不足，在服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)需求上仍然有比較大的提升空間?[6]。

STEM是（Science）?科學(xué)、（Technology）?技術(shù)、（Engineering）?工程和（Mathematics）數(shù)學(xué)四門學(xué)科的英文首字母的縮寫[7]。這其中，科學(xué)關(guān)注的是認(rèn)識(shí)世界和解釋自然界的客觀規(guī)律;技術(shù)和工程是以自然規(guī)律為基礎(chǔ)，解決社會(huì)發(fā)展過程中遇到的難題;數(shù)學(xué)是技術(shù)和工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具。這四門學(xué)科是緊密聯(lián)系和密不可分的，科學(xué)依托技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程，工程依靠科學(xué)的發(fā)現(xiàn)、數(shù)學(xué)的應(yīng)用和技術(shù)工具的使用。將四門學(xué)科緊密地融合，通過學(xué)科融合、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向，學(xué)生能夠?qū)W到更多的知識(shí)，學(xué)到更多與生活息息相關(guān)的實(shí)用課程，從而引領(lǐng)學(xué)生達(dá)到STEM的學(xué)習(xí)目的和實(shí)現(xiàn)未來就業(yè)的目標(biāo)[8-9]。

針對(duì)《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》課程教學(xué)中出現(xiàn)的問題，依托STEM教育理念，在該課程的教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，突出運(yùn)用探究性和啟發(fā)式教學(xué)理念，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題，并靈活地運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)分析解決工程實(shí)際問題。與此同時(shí)，充分利用“學(xué)習(xí)通”以及“騰訊課堂”等現(xiàn)代化的教學(xué)平臺(tái)，對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容與問題解答開展云端教學(xué)實(shí)踐，以達(dá)到良好的教學(xué)效果。

1?教學(xué)方法探究——以車輛垂向動(dòng)力學(xué)及控制為例

河北工程大學(xué)，旨在培養(yǎng)具有深厚科學(xué)理論基礎(chǔ)和扎實(shí)工程技術(shù)基礎(chǔ)、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力俱強(qiáng)、科學(xué)精神和人文精神兼?zhèn)涞膹?fù)合型應(yīng)用人才。應(yīng)用型人才的任務(wù)主要是熟練掌握社會(huì)生產(chǎn)或社會(huì)活動(dòng)一線的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，把成熟的科學(xué)原理和方法轉(zhuǎn)換成具體的產(chǎn)品構(gòu)型或操作流程，把系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)和技能應(yīng)用于具體的規(guī)模生產(chǎn)或社會(huì)實(shí)踐[10]。

圍繞服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)需求，結(jié)合學(xué)校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》課程進(jìn)行教學(xué)方法改革與實(shí)踐?！盾囕v動(dòng)力學(xué)及控制》同力學(xué)、機(jī)械工程、控制工程等學(xué)科密切相關(guān)。課程研究的問題，來源于工程實(shí)際;課程研究的結(jié)論，不斷地為工程服務(wù)。因此，與該課程相關(guān)的案例也較為豐富，如發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的匹配控制、特斯拉制動(dòng)能量回收系統(tǒng)、保時(shí)捷911的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、奧迪Q7的空氣懸架等。同時(shí)，在《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》課程教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐，是鞏固理論知識(shí)和加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)的有效途徑，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員。下面以車輛垂向動(dòng)力學(xué)及控制為例，將半主動(dòng)懸架控制設(shè)計(jì)作為一個(gè)項(xiàng)目，探索如何引導(dǎo)學(xué)生思考、鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)踐、推動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新。教學(xué)過程分3個(gè)階段：課前準(zhǔn)備、課堂互動(dòng)和課后深化。

2?課前準(zhǔn)備

2.1??明確教學(xué)內(nèi)容和目的

該節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容為車輛半主動(dòng)懸架控制，講授內(nèi)容包括：半主動(dòng)懸架的提出、分類、控制原理和應(yīng)用，半主動(dòng)的控制策略，阻尼可調(diào)式阻尼器。通過學(xué)習(xí)該節(jié)課的知識(shí)，使學(xué)生掌握半主動(dòng)懸架的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，熟練掌握天棚阻尼控制策略。

2.2?梳理教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

該節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是半主動(dòng)懸架的控制原理，教學(xué)難點(diǎn)是天棚阻尼控制策略。

分析教學(xué)內(nèi)容和目的以及教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該節(jié)課是圍繞半主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)展開的。半主動(dòng)懸架的提出、分類、控制原理和應(yīng)用，是在介紹半主動(dòng)懸架的概況，屬于技術(shù)領(lǐng)域（T）和工程領(lǐng)域（E）方面的知識(shí)，學(xué)生了解這部分知識(shí)即可。半主動(dòng)懸架的控制策略，是在詳細(xì)講述懸架的控制方法，涉及動(dòng)力學(xué)規(guī)律（S）和控制方程（M）。這是該節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)，學(xué)生需要熟練掌握。由于這部分知識(shí)建立在理論力學(xué)和控制理論等基礎(chǔ)課程之上，要求數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)要比較好。因此，考慮到部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解能力有限，在課程設(shè)計(jì)中加入仿真分析（T）部分，使枯燥的知識(shí)可視化。阻尼可調(diào)式阻尼器，是在展示半主動(dòng)懸架的控制結(jié)構(gòu)，需要用到機(jī)械制圖、汽車構(gòu)造和汽車設(shè)計(jì)的工程領(lǐng)域（E）方面的知識(shí)，學(xué)生需要具備對(duì)該結(jié)構(gòu)的識(shí)圖和繪圖能力。綜上所述，為了能夠讓學(xué)生更好地理解該節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，提出課程項(xiàng)目——半主動(dòng)懸架控制設(shè)計(jì)。

2.3?課前導(dǎo)學(xué)

課前給學(xué)生交代下節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料，探索如何根據(jù)振動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)懸架。同時(shí)，布置課堂任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生通過軟件的“幫助”功能，自學(xué)MATLAB/Simulink仿真軟件，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括軟件功能、軟件特點(diǎn)、演示操作。圖1為其中一名學(xué)生通過“騰訊會(huì)議”與教師交流的電腦屏幕截圖。通過課前自學(xué)軟件，將枯燥的理論知識(shí)可視化，可以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。同時(shí)，課前自學(xué)軟件，可以讓學(xué)生在課堂上能夠跟緊教師利用軟件教學(xué)演示的思路，提高教學(xué)效果。

課前準(zhǔn)備階段，不僅要求教師熟練掌握教學(xué)內(nèi)容、目的和重難點(diǎn)，而且要求教師能夠根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)計(jì)項(xiàng)目和提煉問題，從而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考。這就要求教師在掌握課程大綱的基礎(chǔ)上，認(rèn)真觀察日常自然現(xiàn)象，勤于參與工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)日常自然現(xiàn)象和工程實(shí)踐滲透著的動(dòng)力學(xué)及控制的知識(shí)，為后續(xù)理論課程的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。教師上課前可以通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)向?qū)W生推送相關(guān)工程案例背景資料，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

3?課堂互動(dòng)

（1）課前10?min，要求學(xué)生通過“學(xué)習(xí)通”打卡。這樣可以督促學(xué)生按時(shí)進(jìn)入課堂，并且可以省去人工點(diǎn)名花費(fèi)的時(shí)間。

（2）復(fù)習(xí)汽車的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)模型，通過“學(xué)習(xí)通”軟件的“選人”功能，提問二自由度振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型各部分的物理意義、該模型能夠分析什么類型的振動(dòng)問題、該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式等問題。圖2為學(xué)生回答問題情況，共提問6人，4人回答正確不扣分，2人回答不正確分別扣1分，課堂回答問題情況計(jì)入平時(shí)成績(jī)。通過復(fù)習(xí)上節(jié)課的知識(shí)，可以督促學(xué)生養(yǎng)成及時(shí)復(fù)習(xí)知識(shí)的習(xí)慣，教師也可以通過學(xué)生回答問題的情況掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以便于及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。

（3）講授“汽車半主動(dòng)懸架及其控制技術(shù)”，講授內(nèi)容包括：半主動(dòng)懸架的提出、分類、控制原理和應(yīng)用，半主動(dòng)的控制策略，阻尼可調(diào)式阻尼器。其中，天棚阻尼控制策略為重點(diǎn)講授內(nèi)容。教師利用Simulink軟件，教學(xué)演示天棚阻尼控制策略的控制框圖和隔振效果，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的理解。圖3為理想天棚阻尼控制策略、半主動(dòng)懸架控制策略、被動(dòng)懸架的控制框圖和車身振動(dòng)情況比較。學(xué)生可以通過教學(xué)演示，直觀理解半主動(dòng)懸架的控制策略。在講授過程中，教師通過“學(xué)習(xí)通”軟件中的“搶答”和“選人”功能與學(xué)生討論與互動(dòng)，這樣可以及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（4）該節(jié)課下課前5?min，教師總結(jié)該節(jié)課的重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，再次強(qiáng)化學(xué)生對(duì)半主動(dòng)的控制策略的理解。

課堂互動(dòng)階段，“互動(dòng)”需要占據(jù)一定比重。課堂提問是學(xué)生向教師反饋學(xué)習(xí)效果、教師對(duì)教學(xué)效果自我認(rèn)知的主要方式。通過“學(xué)習(xí)通”軟件的“選人”功能，開展隨機(jī)抽樣形式的課堂提問，能夠比較客觀地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)吸收的情況。通過“學(xué)習(xí)通”軟件的“搶答”功能，對(duì)搶答學(xué)生一定的平時(shí)成績(jī)獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的積極性有很大幫助。同時(shí)，《車輛動(dòng)力學(xué)及控制》是一門綜合性專業(yè)課程，涉及力學(xué)、機(jī)械工程、控制工程等多學(xué)科融合。教師在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)工程問題進(jìn)行深入分析，充分利用各種教學(xué)資源，整合工程需求、理論分析、仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工程應(yīng)用等教學(xué)內(nèi)容，從工程問題里提出科學(xué)問題，利用豐富實(shí)用的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

4?課后深化

（1）課后半小時(shí)內(nèi)，要求學(xué)生在“學(xué)習(xí)通”提交學(xué)習(xí)筆記，這樣可以督促學(xué)生上課認(rèn)真聽講，以便于課后及時(shí)復(fù)習(xí)。圖4為學(xué)生提交的部分學(xué)習(xí)筆記。

（2）教師布置課后作業(yè)，指導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生利用Simulink仿真軟件復(fù)現(xiàn)課上半主動(dòng)懸架控制策略，讓“控制”動(dòng)起來。

（3）師生在“微信”交流群分享懸架實(shí)物圖片，交流不同車型的懸架控制系統(tǒng)的控制策略。圖5為師生“微信”互動(dòng)截圖。教師可以帶領(lǐng)學(xué)有余力的學(xué)生到實(shí)訓(xùn)中心，實(shí)地講解懸架減震的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)合理的懸架系統(tǒng)。通過課后的一系列活動(dòng)，使得學(xué)生都能夠掌握該節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)。同時(shí)，通過布置課后作業(yè)，使得大部分學(xué)生能夠加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解;利用課后指導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題并靈活運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)分析解決工程實(shí)際問題，使得學(xué)有余力的學(xué)生能夠“吃飽”。

課后深化階段，是課堂教學(xué)的延伸和拓展。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為師生提供了更加便捷高效的交流平臺(tái)，學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，有任何問題都可以隨時(shí)隨地地和授課教師進(jìn)行互動(dòng)交流。從互動(dòng)交流中，教師可以了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，從而進(jìn)一步優(yōu)化課堂教學(xué)。同時(shí)，課后深化階段可以開展差異化輔導(dǎo)。在課堂教學(xué)過程中，教師要面向全體學(xué)生，使得全體學(xué)生都能夠掌握該節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)。在課后深化階段，教師可以在了解和把握學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)、學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)能力等方面的差異的基礎(chǔ)上，開展有針對(duì)性的“因材施教”的輔導(dǎo)。對(duì)接受能力強(qiáng)和興趣濃厚的學(xué)生，教師應(yīng)該鼓勵(lì)他們勇于質(zhì)疑，秉承“實(shí)事求是”的精神，在工程實(shí)踐中獲得更多的領(lǐng)悟。

5?結(jié)論

該文基于構(gòu)建工程人才為核心的STEM教育理念，以車輛垂向動(dòng)力學(xué)及控制為例，圍繞動(dòng)力學(xué)規(guī)律（S）、仿真分析（T）、懸架設(shè)計(jì)（E）和控制方程（M），開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向和學(xué)科融合的教學(xué)方法探索，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐水平和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的過程中，面向?qū)嶋H項(xiàng)目，運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，發(fā)現(xiàn)和解決工程問題。這種方法是應(yīng)用型高校提升學(xué)生學(xué)習(xí)力的一種有效的教學(xué)模式。

該次教學(xué)方法新探索對(duì)教師和學(xué)生都提出了更高的要求。在教學(xué)方法實(shí)施的過程中，教師花費(fèi)了很多時(shí)間和精力。從教學(xué)效果上看，學(xué)生的參與度得到了提高，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提升。教學(xué)方法的突出特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）通過使用仿真軟件，將枯燥的理論知識(shí)可視化，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度.（2）利用“學(xué)習(xí)通”“騰訊課堂”“微信”等現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)，對(duì)部分教學(xué)內(nèi)容與問題解答開展云端教學(xué)實(shí)踐，提升了教學(xué)效率，提高了師生互動(dòng)的頻率。（3）課后差異化的輔導(dǎo)，不僅可以保證全部學(xué)生能夠掌握課堂重點(diǎn)知識(shí)，而且可以幫助學(xué)有余力的學(xué)生積極探究更深層次的知識(shí)，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生從實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)問題，并靈活運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)分析解決工程實(shí)際問題。

參考文獻(xiàn)

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