金光燦，劉淼，李炎亮

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

引言

“新工科”是基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹(shù)人新要求而提出的我國(guó)工程教育改革方向[1]。新工科既包括新的工科專業(yè)，又包括工科的新要求。前者指一個(gè)全新的領(lǐng)域，后者指?jìng)鹘y(tǒng)工科專業(yè)的理念、內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)、方法技術(shù)都需要更新改造。建設(shè)新工科并不等于一味增加新工科專業(yè)，更應(yīng)注重傳統(tǒng)工科的改革，它為新工科建設(shè)提供了重要基礎(chǔ)[2]。同時(shí)，地方高校更易于打破學(xué)科藩籬，理應(yīng)因時(shí)而動(dòng)，探索個(gè)性化的辦學(xué)模式，重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)傳統(tǒng)工科專業(yè)的轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)，體現(xiàn)地方高校在新工科建設(shè)中的特色和創(chuàng)新[3]。

上海工程技術(shù)大學(xué)作為特色鮮明的地方工科高校，有眾多傳統(tǒng)工科專業(yè)和課程正在轉(zhuǎn)型、改造和升級(jí)。這其中，《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理》是傳統(tǒng)車輛工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)其的課程改革也一直進(jìn)行著，如從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式等進(jìn)行探討研究，制定了有本校特色的課程模式，取得了一定的成效，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。但是，距離“新工科”的要求還有很大差距，還需不斷進(jìn)行教學(xué)改革的探索，本文以深度學(xué)習(xí)在節(jié)氣門教學(xué)中的實(shí)踐，來(lái)探索該課程改革。

1 課程授課情況

新工科建設(shè)如火如荼，傳統(tǒng)專業(yè)基礎(chǔ)課程更不應(yīng)該一成不變，特別是以往《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理》的授課內(nèi)容和方式已經(jīng)出現(xiàn)一系列問(wèn)題：課堂內(nèi)容主要是零部件的結(jié)構(gòu)與原理的講授，形式單調(diào)且不易理解，與汽車行業(yè)的前沿脫離，不符合新工科的理念。

由于新工科涵蓋了以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，將智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造。因此，針對(duì)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理》課程存在的問(wèn)題，并且根據(jù)“新工科”工程技術(shù)人員培養(yǎng)的目標(biāo)，實(shí)踐了深度學(xué)習(xí)在節(jié)氣門教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)改革。

2 教學(xué)實(shí)踐方案

本教學(xué)實(shí)踐以新工科建設(shè)為契機(jī)，按照工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，從《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理》課程內(nèi)容入手，探索將人工智能引入傳統(tǒng)課程的教學(xué)過(guò)程中，以適應(yīng)新工科培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展的基本要求。節(jié)氣門是汽油機(jī)汽車中非常重要的零部件，在多年教學(xué)過(guò)程中，其一直是教學(xué)難點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，在本文中，提出“深度學(xué)習(xí)+節(jié)氣門”的教學(xué)方式，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生們主動(dòng)學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再將不同汽車不同工況下節(jié)氣門開(kāi)度與進(jìn)氣需求進(jìn)行對(duì)比分析，從而學(xué)生可以直觀了解節(jié)氣門在實(shí)際工作狀態(tài)中的應(yīng)用，以及不同汽車選擇節(jié)氣門的依據(jù)。

根據(jù)以上教學(xué)方式，進(jìn)行了相應(yīng)教學(xué)實(shí)施，如圖1所示[4]，本教學(xué)實(shí)施方式，既有理論教學(xué)，又有師生互動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程，具體教學(xué)實(shí)施如下：

2.1 課堂教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，講授汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的原理，重點(diǎn)介紹節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)與作用，這是學(xué)生往往只會(huì)機(jī)械的記憶，哪怕通過(guò)視頻觀看也很難理解，從而大大影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。在新的教學(xué)過(guò)程中，采用理論與設(shè)計(jì)項(xiàng)目相結(jié)合的方式，在理論教學(xué)后，將學(xué)生分成若干組，每個(gè)組選擇不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道與節(jié)氣門。

具體教學(xué)過(guò)程的主要內(nèi)容是：引入節(jié)氣門開(kāi)發(fā)的流程介紹；通過(guò)流程，向?qū)W生講授人工智能在汽車零部件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用；進(jìn)而介紹深度學(xué)習(xí)的基本概念；然后進(jìn)行分組，不同的組別選擇不同的汽油機(jī)汽車，根據(jù)該款汽車的節(jié)氣門和進(jìn)氣道進(jìn)行CAD建模。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為CAD制圖，流體力學(xué)分析和圖像的深度學(xué)習(xí)三個(gè)部分。但是本課程課時(shí)較少，項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容需學(xué)生課后分組完成，所以本課程將項(xiàng)目拆分成多個(gè)遞進(jìn)步驟的小項(xiàng)目，每個(gè)小項(xiàng)目可以作為一個(gè)單獨(dú)模塊，而多個(gè)模塊可以再構(gòu)成一個(gè)綜合性項(xiàng)目。通過(guò)小項(xiàng)目的成果，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步完成后續(xù)項(xiàng)目的積極性，并引導(dǎo)學(xué)生完成完整的項(xiàng)目教學(xué)。

具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容是：基于現(xiàn)有汽油機(jī)車輛的檢索，選擇一款車作為對(duì)象；根據(jù)其進(jìn)氣道和節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAD建模；其次，將模型導(dǎo)入Ansys中，對(duì)節(jié)氣門打開(kāi)不同角度進(jìn)行空氣流動(dòng)仿真；然后，將分析圖片導(dǎo)入Matlab的深度學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行分類分析；最后將該款汽車的工況導(dǎo)入分析結(jié)果，可分析出該工況下的節(jié)氣門開(kāi)度等信息。

2.3 互動(dòng)實(shí)驗(yàn)

因?yàn)轫?xiàng)目教學(xué)內(nèi)容需課后完成，為了保證學(xué)生們可以順利進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，本課程在超星學(xué)習(xí)通上上傳了實(shí)驗(yàn)相關(guān)視頻，學(xué)生們可以通過(guò)該App跟老師進(jìn)行相關(guān)交流。這樣學(xué)生們可以根據(jù)不同的項(xiàng)目以及不同的進(jìn)度，分別去參照對(duì)應(yīng)的視頻，并與教師進(jìn)行互動(dòng)交流。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，包括很多類似于節(jié)氣門這樣重要且十分難于學(xué)習(xí)的零部件，但是教學(xué)時(shí)間有限。因此，本課程在超星學(xué)習(xí)通上建立的若干零部件相關(guān)深度學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)視頻，供學(xué)生課下主動(dòng)學(xué)習(xí)。

另外，在互動(dòng)教學(xué)階段，要求學(xué)生們將實(shí)驗(yàn)的三個(gè)過(guò)程視頻化，并上傳到超星學(xué)習(xí)通。也就是說(shuō)，每個(gè)小組在完成一個(gè)小項(xiàng)目時(shí)，需要錄制一個(gè)小視頻，學(xué)生通過(guò)視頻講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)心得。利用視頻化的方法來(lái)考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，既可以通過(guò)微視頻來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，又能鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和語(yǔ)言組織能力。

圖1 深度學(xué)習(xí)在節(jié)氣門教學(xué)中的實(shí)踐

3 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)工科專業(yè)課—《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理》中，引入深度學(xué)習(xí)的人工智能的知識(shí)來(lái)講授節(jié)氣門，從而實(shí)現(xiàn)該課程面向“新工科”的教學(xué)改革。本課程的教學(xué)改革經(jīng)歷了一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，從考試結(jié)果來(lái)看學(xué)生們對(duì)于節(jié)氣門相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握比往常提高很多；從相關(guān)調(diào)查結(jié)果來(lái)看，學(xué)生們認(rèn)同這樣的教學(xué)改革，并表示從單純的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)為實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)理解得更深刻。

在“深度學(xué)習(xí)+節(jié)氣門”的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生們從被動(dòng)接受知識(shí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)，既培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的自主學(xué)習(xí)能力，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神和表達(dá)溝通能力。