張學敏 李金鳳 侯秀寧 劉思瑤

摘? 要：提升為解決發(fā)動機課程包括發(fā)動機原理、發(fā)動機構(gòu)造和發(fā)動機拆裝中存在的學生自學能力不強、課內(nèi)外教學環(huán)節(jié)脫節(jié)、學生動手實踐機會少、對發(fā)動機構(gòu)造和原理理解不深等問題，同時聚焦于“OBE”理念在課程教學中的實施，構(gòu)建了以工程教育認證為導向，包含“課程實驗、實習實踐、綜合創(chuàng)新”的“三平臺”發(fā)動機課程“教學做一體化”教學模式。圍繞成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進這三個工程教育認證教學理念開展了相應的教學實踐，取得了良好的效果，也為將來發(fā)動機課程的持續(xù)改進提供了實踐經(jīng)驗。

關鍵詞：工程教育認證;發(fā)動機課程;教學做一體化;OBE

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）34-0100-04

Abstract： In order to solve the students' problems in the engine course， such as， weak self-study ability， disjoint of in-class and out-of-class teaching， fewer opportunities for students to practice and poor understanding of engine structure and principle， and focusing on the implementation of "OBE" concept in the course teaching， this paper constructs a "three-platform" engine course "teaching-learning-doing integration" teaching mode. The mode is oriented by engineering education certification and includes "course experiment， practice and comprehensive innovation". Relevant teaching practices have been carried out around the three teaching concepts of achievement-oriented， student-centered and continuous improvement. Good results have been obtained and practical experience has been provided for the continuous improvement of engine courses in the future.

Keywords： engineering education accreditation; engine courses; integration of teaching and learning and practicing; OBE

一、發(fā)動機課程教學背景

工程教育認證強調(diào)以學生學習為中心，遵循持續(xù)改進的基本理念[1]。工程教育專業(yè)認證所突出強調(diào)的學生學習成果，是聚焦于學生“應該得到什么”，能夠有力地保障高校的教育質(zhì)量。世界各國的工程教育認證明確提出畢業(yè)生應具備一定的基本知識、能力和素質(zhì)。美國工程教育認證委員會ABET在2014～2015年的工程認證標準中，列出十一項學生學習成果。我國的工程教育專業(yè)認證工作開始于2006年，對工程教育專業(yè)的畢業(yè)生的十項基本能力和素質(zhì)提出明確要求，不僅僅是學習書本上的知識，更是對解決復雜的工程應用和學科研究能力的提高。其目標是促進我國的工程教育改革，提高教育質(zhì)量，已成為我國“五位一體”的高教評估體系的重要組成部分。工程教育專業(yè)認證的標準既充分反映當代社會對工程師能力的基本要求，也體現(xiàn)了以學生為中心的理念，考慮了學生未來的發(fā)展需要[2-7]。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確提出：“關心每個學生，促進每個學生主動地、生動活潑地發(fā)展，尊重教育規(guī)律和學生身心發(fā)展規(guī)律，為每個學生提供適合的教育?！贝罅Τ珜б詫W生為中心的工程教育專業(yè)認證為實現(xiàn)這一目標提供了可借鑒的框架體系和具體操作模式[8]。

發(fā)動機課程教學過程中存在多模塊、結(jié)構(gòu)復雜、學科交叉等現(xiàn)象，受時間和空間限制，實踐教學與課堂教學無法緊密銜接。而合理的課程體系是優(yōu)化整體知識體系的關鍵一環(huán)，能夠有效保障專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)[9-11]。針對發(fā)動機課程教學中存在的問題，以全面提高學生創(chuàng)新精神、實踐能力和綜合素質(zhì)為宗旨，以工程教育專業(yè)認證為導向，構(gòu)建了包含發(fā)動機構(gòu)造、發(fā)動機原理以及發(fā)動機拆裝三門發(fā)動機課程在內(nèi)的新教學內(nèi)容，以實踐貫穿理論，來培養(yǎng)學生自我學習及動手實踐的能力，加強學生對發(fā)動機相關知識的理解和掌握。

二、課程進行改革的必要性

（一）教學理念亟需轉(zhuǎn)變

大學作為培養(yǎng)高層次創(chuàng)造性人才、進行科學研究和知識創(chuàng)新的重要基地，將直接影響到國家的綜合國力和國際競爭能力的強弱。傳統(tǒng)的“重教有余、重學不足;灌輸有余，啟發(fā)不足;復制有余、創(chuàng)新不足”教學理念在培養(yǎng)學生能力方面存在著明顯的不足，嚴重影響學生的思維獲利，壓抑了學生的主觀能動性?？茖W的教學應該注重學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，充分發(fā)揮學生的個性能力。教學的目標，關鍵是提高學生創(chuàng)造性、應用現(xiàn)有知識解決復雜問題[12]。因此，應轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學理念，以提高學生創(chuàng)新精神和適應能力為目標，增強學生實踐能力。

（二）教學手段需與時俱進

發(fā)動機構(gòu)造課程中點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，發(fā)動機原理課程中燃燒室燃燒、排氣凈化過程等內(nèi)容，由于部件復雜，而且有的內(nèi)容涉及到化學反應等微觀內(nèi)容，不容易被學生理解。發(fā)動機拆裝課程中，各部件的裝配關系、配合情況等內(nèi)容由于教學條件限制，不能滿足每個學生都拆裝一次的要求。傳統(tǒng)的教學方式難以發(fā)揮學生的創(chuàng)新實踐能力，需要引入虛擬仿真、三維制圖軟件、流場分析軟件FLUENT軟件等信息手段，從而加強學生的訓練，強化知識的掌握。在此基礎上，學生可以應用該平臺對相類似的系統(tǒng)進行分析，提高自我學習能力和創(chuàng)新能力[13]。

（三）教學方法需要改革

傳統(tǒng)教學中只注重教師的講授，學生聽課，單項傳授知識的教學方法。在教學中，教師占據(jù)了課堂的絕大部分時間，導致教學中的教師中心化。一節(jié)課中，教師的說話、活動時間占了課堂的一大半，為板書而板書，為演示而演示的現(xiàn)象也不少見。教師更多的是從自身出發(fā)，重點關注于自身如何教好，而不是學生如何學好，學生是否真正學到了知識等。教學中明顯的反映出是學生在幫助教師完成教學任務，而不是教師在幫助學生完成學習任務。而一支高水平的師資隊伍能夠真正滿足于工程教育專業(yè)認證的要求，教師不僅只完成自己的教學任務，更為學生提供整體的指導與咨詢，以提高學生素質(zhì)能力為主。因此，傳統(tǒng)教學方法難以適應工程認證導向的教學要求，必須堅持“理論結(jié)合實踐、以能力培養(yǎng)為導向”的原則，把“教學”傳統(tǒng)的以教為主的思想轉(zhuǎn)化為以學為主，不斷對其進行調(diào)整[14-16]。

三、新的課程教學模式

（一）教學內(nèi)容方面

發(fā)動機教材內(nèi)容滯后于汽車新技術的發(fā)展，一些新的發(fā)動機技術沒有在課本上體現(xiàn)，與工廠正在應用的技術相脫節(jié)，導致學生到了工廠后不能很好進入工作狀態(tài)，企業(yè)需要花費較大精力進行培訓。在與企業(yè)進行多次調(diào)研和溝通的情況下，對教學內(nèi)容進行改進。將發(fā)動機構(gòu)造和發(fā)動機原理的實驗單獨獨立出來，設立構(gòu)造與原理實驗課程，增加實驗實踐課時。實驗內(nèi)容中增加共軌實驗、汽油電控噴射實驗、排放測試等相關實驗;在增加操作實驗的基礎上，也增加了虛擬實驗系統(tǒng)，可以進行虛擬拆裝、系統(tǒng)部件認知等。

另外，針對學生需要增加新技術的掌握和了解，利用北京舉行的國際內(nèi)燃機展和國際汽車展，組織學生到展覽會進行學習，了解國內(nèi)及國際發(fā)動機的新技術、市場主流技術及技術的發(fā)展趨勢，從而增加學生國際視野。

（二）教學方法與手段

虛擬實驗和真實實驗不僅具有很強的互補性，還是相互依存的關系。虛擬實驗以真實實驗原理為基礎，利用多媒體技術和現(xiàn)實仿真技術對真實實驗進行模擬;真實實驗需要以虛擬實驗作為補充和拓展。只有充分發(fā)揮虛擬實驗和真實實驗的優(yōu)勢，利用其互補性克服各自的局限性，才能使學生得到全面的鍛煉，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，達到提升本科實踐教學質(zhì)量的目的。在教學過程中，利用PRO/E、SOLIDWORKS、UG等三維軟件對發(fā)動機原理的部件進行建模，利用FLUENT軟件對發(fā)動機原理的流場進行分析，利用3DMAX軟件對發(fā)動機拆裝進行實訓。

發(fā)動機構(gòu)造課程主要講述發(fā)動機各部件的結(jié)構(gòu)及其功用。包括了發(fā)動機的兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)。發(fā)動機各部件都有實物造型，形狀特點容易被學生理解，由于受到部件的尺寸和重量、復雜程度的影響，在課堂上不宜將各部件和系統(tǒng)帶入進行講解。所以需要課上課下結(jié)合，課上主要以三維造型、軟件進行原理模擬為主，課下進行實物測量，結(jié)構(gòu)認知為主。發(fā)動機構(gòu)造課程實踐性強，所以主要以實物測量及認知為主，仿真模擬進行輔助。

出于學生認知的需要，依據(jù)發(fā)動機的裝配關系，建立了發(fā)動機立體分解模型，按照發(fā)動機結(jié)構(gòu)和位置關系進行拆解，發(fā)動機立體拆解現(xiàn)場如圖1所示。

本課程建立了汽、柴油發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)的三維仿真模型。每部分三維圖形都是基于實物進行，參考性強。

發(fā)動機拆裝課程主要考核學生的動手實踐能力，是發(fā)動機構(gòu)造課程的后續(xù)實踐課程。課程主要強化各部件之間的裝配關系，工具的使用情況，考核對各個機構(gòu)、系統(tǒng)的位置、作用及拆裝方法的掌握程度。本課程基于虛擬仿真實驗室的虛擬仿真平臺，進行發(fā)動機及其子系統(tǒng)工作原理的仿真演示，創(chuàng)制基于虛擬仿真模型的汽、柴油發(fā)動機拆裝實訓模塊，實現(xiàn)了發(fā)動機的虛擬交互式拆卸與裝配實訓，汽車發(fā)動機三維仿真拆裝實訓系統(tǒng)如圖2所示。教學方法主要包括軟件操作示范、重要系統(tǒng)及機構(gòu)功能展示講解、互動探討及學生實際操作、單位時間模擬拆裝考核、關鍵零部件結(jié)構(gòu)功能復述等。使每一位學生都能結(jié)合虛擬拆裝，熟悉并掌握汽車發(fā)動機構(gòu)造相關知識，深化對相關專業(yè)課程的認知，達到“一人一機”、可反復拆裝的教學效果。在計算機上進行模擬拆裝后，再到發(fā)動機實驗室進行實物拆裝，可以避免由于小組拆裝時由于不能實現(xiàn)每一個學生都從頭到尾親自完成每一步拆裝而導致的無法全面考核每個學生的動手能力的問題。通過仿真實訓和實地拆裝綜合表現(xiàn)確定學生成績。

發(fā)動機原理課程主要講述發(fā)動機的動力輸出與能量利用原理，包括動力性經(jīng)濟性指標、燃料與工質(zhì)特性、熱力循環(huán)分析與能量利用、充量更換過程、以及運行特性與性能調(diào)控。發(fā)動機的燃燒與排放問題，包括燃燒基礎知識、混合氣形成和燃燒過程、特殊燃燒問題的機理與對策、有害排放物的生成與控制、以及高效低污染新燃燒方法與新能源。這些內(nèi)容都十分抽象，且由于涉及到微觀氣體運動、燃燒高溫等理化現(xiàn)象，在實際實驗中，不易觀察，所以利用虛擬仿真技術模擬發(fā)動機內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。例如開展發(fā)動機噴油泵實驗進行噴油量的調(diào)整和在FLUENT中對噴霧形狀的特點進行模擬，將兩者結(jié)合應用，使學生能更深刻理解燃油噴射過程。

課程教學中，應用一維整機性能仿真軟件GT-POWER以及三維仿真軟件FIRE，STAR-CD，KIVA，CONVERGE等模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程、流場模擬機性能仿真。例如：應用CHEMKIN對發(fā)動機滯燃期、層流火焰速度以及HCCI燃燒等內(nèi)容進行仿真。應用美國GAMMA Technologies公司開發(fā)的GT-POWER仿真軟件、奧地利AVL公司開發(fā)的BOOST仿真軟件和英國 Ricardo公司開發(fā)的WAVE仿真軟件對發(fā)動機性能進行仿真分析。在發(fā)動機原理的授課教學中，此類計算機仿真技術的應用也更好的將科研與教學相結(jié)合，將最新的科研成果以及研究方法對學生們進行講解與展示，使教學內(nèi)容與方式做到與時俱進。

（三）課程組織形式方面

除了傳統(tǒng)的課堂教學模式，在課程組織上，選擇2-4學時進行“翻轉(zhuǎn)課堂”式教學模式，以小組方式進行學習，學生可以自由組合，分別研究發(fā)動機構(gòu)造或原理課程教學目標的一小部分。每組確定一名小組長作為組織者，各組學生根據(jù)教學要求去查詢資料，歸納總結(jié)，提出自己的觀點和看法，經(jīng)過小組內(nèi)部討論后，以小組為單位闡述對主題的見解，限定15分鐘內(nèi)以多媒體的方式進行展示和匯報，由其他的同學和教師提問，并對匯報內(nèi)容提出改進建議。

由此，學生在課堂上有更多自主時間與教師參與關鍵學習活動，能從中學到更多的知識和技能，不僅是關于知識本身，還有個人的演講能力、口頭表達能力和團隊精神。同時，增加學生和教師互動和個性化溝通的方法，讓所有的學生都能參與到其中，都能獲得個性化的教育。

四、結(jié)束語

通過對課程內(nèi)容的持續(xù)改進，使發(fā)動機構(gòu)造、發(fā)動機拆裝和發(fā)動機原理課程相結(jié)合。課堂上主要進行部件和原理的傳授，課下虛擬仿真技術支持的虛擬仿真平臺上先對發(fā)動機進行虛擬裝配，再對發(fā)動機實物進行拆裝，利用三維軟件繪制各零部件的三維圖及運動仿真，以便更深刻的理解發(fā)動機構(gòu)造及其裝配關系，達到教學目標。同時通過虛擬仿真技術應用、翻轉(zhuǎn)課堂、展覽會學習等教學方法和手段的應用，開拓學生視野，實現(xiàn)課堂學習與課下學習結(jié)合、校內(nèi)學習與校外學習結(jié)合，使學生更加積極主動地學習。

這種教學模式涵蓋了車輛工程專業(yè)發(fā)動機系列課程，并在實際中取得了良好的效果，為今后的其他課程改革提供參考和經(jīng)驗。

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*基金項目：教育部首批“新工科”研究與實踐項目“面向智能農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)新型工程人才培養(yǎng)需求的教育信息化探索與實踐”（教高廳函〔2018〕17號）

作者簡介：張學敏（1975-），男，漢族，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，副教授，博士研究生導師，研究方向：車輛節(jié)能環(huán)保與新能源技術。