王智沖 姬鵬 肖歡

摘要：《車輛動力學及控制》是車輛工程專業(yè)的一門專業(yè)課程。該文基于構建工程人才為核心的STEM教育理念，以車輛垂向動力學及控制為例，圍繞動力學規(guī)律（S）、仿真分析（T）、懸架設計（E）、控制方程（M），開展項目學習、問題導向和學科融合的教學方法探索。結合作者的教學實踐，通過使用仿真軟件，將枯燥的理論知識可視化;利用現(xiàn)代化教學平臺，對部分教學內(nèi)容與問題解答開展云端教學實踐;利用課后差異化的輔導，幫助學有余力的學生積極探究更深層次的知識。從而，提高學生的參與度和學習興趣，引導和啟發(fā)學生從實際工程中發(fā)現(xiàn)問題，并靈活運用所學的專業(yè)知識分析解決工程實際問題。

關鍵詞：車輛動力學及控制???STEM?教育理念??可視化??現(xiàn)代化教學平臺??差異化

中圖分類號：G642;U461-4???文獻標識碼：A???文章編號：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，《車輛動力學及控制》研究所有與車輛系統(tǒng)運動有關的科學。內(nèi)容涉及車輛動力學模型的建立、計算機仿真、動態(tài)性能分析以及運用現(xiàn)代控制理論對動力學系統(tǒng)的控制器進行設計等，是一門既涉及較深理論，又具有很強實踐性，而且內(nèi)容不斷更新發(fā)展的課程[1]。

《車輛動力學及控制》是傳統(tǒng)的車輛專業(yè)的研究生課程。為了應對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體系覆蓋較廣，本科生和研究生對基礎知識的掌握程度差異較大，本科生和研究生分別作為應用型人才和研究型人才的培養(yǎng)目標不同，因此，需要針對不同的授課對象，使用合適的教學方法[2]。

《車輛動力學及控制》教材中涉及大量的公式推導，要求學生有較好的數(shù)學和力學功底。學生面對眾多的推動公式，往往望而卻步，容易產(chǎn)生抵觸情緒[3]。在有關車輛控制系統(tǒng)的教學中，由于研究和控制對象比較復雜、控制效果不直觀、學生參與度低、學生學習興趣不高，導致教學效果比較差[4]。對照新工科對人才專業(yè)能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的要求，我國應用型本科教育與教學方法存在諸多不足之處，對本科學生的創(chuàng)新能力與實踐動手能力的培養(yǎng)有待進一步地提高?[5]。高校在“創(chuàng)新產(chǎn)出”指標維度上的實際貢獻度明顯不足，在服務國家重大戰(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、（Technology）?技術、（Engineering）?工程和（Mathematics）數(shù)學四門學科的英文首字母的縮寫[7]。這其中，科學關注的是認識世界和解釋自然界的客觀規(guī)律;技術和工程是以自然規(guī)律為基礎，解決社會發(fā)展過程中遇到的難題;數(shù)學是技術和工程學科的基礎工具。這四門學科是緊密聯(lián)系和密不可分的，科學依托技術、數(shù)學和工程，工程依靠科學的發(fā)現(xiàn)、數(shù)學的應用和技術工具的使用。將四門學科緊密地融合，通過學科融合、項目學習、問題導向，學生能夠?qū)W到更多的知識，學到更多與生活息息相關的實用課程，從而引領學生達到STEM的學習目的和實現(xiàn)未來就業(yè)的目標[8-9]。

針對《車輛動力學及控制》課程教學中出現(xiàn)的問題，依托STEM教育理念，在該課程的教學過程中充分發(fā)揮學生的主觀能動性，突出運用探究性和啟發(fā)式教學理念，引導和啟發(fā)學生從實際工程中發(fā)現(xiàn)問題，并靈活地運用所學專業(yè)知識分析解決工程實際問題。與此同時，充分利用“學習通”以及“騰訊課堂”等現(xiàn)代化的教學平臺，對部分教學內(nèi)容與問題解答開展云端教學實踐，以達到良好的教學效果。

1?教學方法探究——以車輛垂向動力學及控制為例

河北工程大學，旨在培養(yǎng)具有深厚科學理論基礎和扎實工程技術基礎、創(chuàng)新能力和實踐能力俱強、科學精神和人文精神兼?zhèn)涞膹秃闲蛻萌瞬拧眯腿瞬诺娜蝿罩饕鞘炀氄莆丈鐣a(chǎn)或社會活動一線的基礎知識和基本技能，把成熟的科學原理和方法轉換成具體的產(chǎn)品構型或操作流程，把系統(tǒng)的專業(yè)知識和技能應用于具體的規(guī)模生產(chǎn)或社會實踐[10]。

圍繞服務國家重大戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)需求，結合學校發(fā)展定位和人才培養(yǎng)目標，對《車輛動力學及控制》課程進行教學方法改革與實踐?！盾囕v動力學及控制》同力學、機械工程、控制工程等學科密切相關。課程研究的問題，來源于工程實際;課程研究的結論，不斷地為工程服務。因此，與該課程相關的案例也較為豐富，如發(fā)動機與變速箱的匹配控制、特斯拉制動能量回收系統(tǒng)、保時捷911的四輪轉向系統(tǒng)、奧迪Q7的空氣懸架等。同時，在《車輛動力學及控制》課程教學中，引導學生實踐，是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術人員。下面以車輛垂向動力學及控制為例，將半主動懸架控制設計作為一個項目，探索如何引導學生思考、鼓勵學生實踐、推動學生創(chuàng)新。教學過程分3個階段：課前準備、課堂互動和課后深化。

2?課前準備

2.1??明確教學內(nèi)容和目的

該節(jié)課的教學內(nèi)容為車輛半主動懸架控制，講授內(nèi)容包括：半主動懸架的提出、分類、控制原理和應用，半主動的控制策略，阻尼可調(diào)式阻尼器。通過學習該節(jié)課的知識，使學生掌握半主動懸架的結構形式和工作原理，熟練掌握天棚阻尼控制策略。

2.2?梳理教學重點和難點

該節(jié)課的教學重點是半主動懸架的控制原理，教學難點是天棚阻尼控制策略。

分析教學內(nèi)容和目的以及教學重點難點，發(fā)現(xiàn)該節(jié)課是圍繞半主動懸架的設計展開的。半主動懸架的提出、分類、控制原理和應用，是在介紹半主動懸架的概況，屬于技術領域（T）和工程領域（E）方面的知識，學生了解這部分知識即可。半主動懸架的控制策略，是在詳細講述懸架的控制方法，涉及動力學規(guī)律（S）和控制方程（M）。這是該節(jié)課的重點知識，學生需要熟練掌握。由于這部分知識建立在理論力學和控制理論等基礎課程之上，要求數(shù)學和物理基礎要比較好。因此，考慮到部分基礎薄弱的學生對知識的理解能力有限，在課程設計中加入仿真分析（T）部分，使枯燥的知識可視化。阻尼可調(diào)式阻尼器，是在展示半主動懸架的控制結構，需要用到機械制圖、汽車構造和汽車設計的工程領域（E）方面的知識，學生需要具備對該結構的識圖和繪圖能力。綜上所述，為了能夠讓學生更好地理解該節(jié)課的知識點，提出課程項目——半主動懸架控制設計。

2.3?課前導學

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

課前準備階段，不僅要求教師熟練掌握教學內(nèi)容、目的和重難點，而且要求教師能夠根據(jù)教學大綱設計項目和提煉問題，從而引導學生主動思考。這就要求教師在掌握課程大綱的基礎上，認真觀察日常自然現(xiàn)象，勤于參與工程實踐，發(fā)現(xiàn)日常自然現(xiàn)象和工程實踐滲透著的動力學及控制的知識，為后續(xù)理論課程的教學奠定基礎。教師上課前可以通過“學習通”平臺向?qū)W生推送相關工程案例背景資料，以激發(fā)學生學習的興趣，增強學生學習的動力。

3?課堂互動

（1）課前10?min，要求學生通過“學習通”打卡。這樣可以督促學生按時進入課堂，并且可以省去人工點名花費的時間。

（2）復習汽車的二自由度振動系統(tǒng)模型，通過“學習通”軟件的“選人”功能，提問二自由度振動系統(tǒng)力學模型各部分的物理意義、該模型能夠分析什么類型的振動問題、該模型的數(shù)學表達式等問題。圖2為學生回答問題情況，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入平時成績。通過復習上節(jié)課的知識，可以督促學生養(yǎng)成及時復習知識的習慣，教師也可以通過學生回答問題的情況掌握學生的學習效果，以便于及時調(diào)整教學方法。

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

（4）該節(jié)課下課前5?min，教師總結該節(jié)課的重點知識點，再次強化學生對半主動的控制策略的理解。

課堂互動階段，“互動”需要占據(jù)一定比重。課堂提問是學生向教師反饋學習效果、教師對教學效果自我認知的主要方式。通過“學習通”軟件的“選人”功能，開展隨機抽樣形式的課堂提問，能夠比較客觀地反映學生對知識吸收的情況。通過“學習通”軟件的“搶答”功能，對搶答學生一定的平時成績獎勵，對調(diào)動學生在課堂學習的積極性有很大幫助。同時，《車輛動力學及控制》是一門綜合性專業(yè)課程，涉及力學、機械工程、控制工程等多學科融合。教師在教學過程中，引導學生對工程問題進行深入分析，充分利用各種教學資源，整合工程需求、理論分析、仿真分析、實驗驗證、工程應用等教學內(nèi)容，從工程問題里提出科學問題，利用豐富實用的教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對知識的理解。

4?課后深化

（1）課后半小時內(nèi)，要求學生在“學習通”提交學習筆記，這樣可以督促學生上課認真聽講，以便于課后及時復習。圖4為學生提交的部分學習筆記。

（2）教師布置課后作業(yè)，指導并鼓勵學生利用Simulink仿真軟件復現(xiàn)課上半主動懸架控制策略，讓“控制”動起來。

（3）師生在“微信”交流群分享懸架實物圖片，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”互動截圖。教師可以帶領學有余力的學生到實訓中心，實地講解懸架減震的工作原理，引導學生思考如何設計合理的懸架系統(tǒng)。通過課后的一系列活動，使得學生都能夠掌握該節(jié)課的知識要點。同時，通過布置課后作業(yè)，使得大部分學生能夠加深對知識點的理解;利用課后指導和現(xiàn)場教學，引導學生從實際工程中發(fā)現(xiàn)問題并靈活運用所學的專業(yè)知識分析解決工程實際問題，使得學有余力的學生能夠“吃飽”。

課后深化階段，是課堂教學的延伸和拓展。網(wǎng)絡平臺為師生提供了更加便捷高效的交流平臺，學生可以不受時間和空間的限制，有任何問題都可以隨時隨地地和授課教師進行互動交流。從互動交流中，教師可以了解學生對知識的掌握情況，從而進一步優(yōu)化課堂教學。同時，課后深化階段可以開展差異化輔導。在課堂教學過程中，教師要面向全體學生，使得全體學生都能夠掌握該節(jié)課的知識要點。在課后深化階段，教師可以在了解和把握學生的個性特點、學習情況和學習能力等方面的差異的基礎上，開展有針對性的“因材施教”的輔導。對接受能力強和興趣濃厚的學生，教師應該鼓勵他們勇于質(zhì)疑，秉承“實事求是”的精神，在工程實踐中獲得更多的領悟。

5?結論

該文基于構建工程人才為核心的STEM教育理念，以車輛垂向動力學及控制為例，圍繞動力學規(guī)律（S）、仿真分析（T）、懸架設計（E）和控制方程（M），開展項目學習、問題導向和學科融合的教學方法探索，強調(diào)學生的實踐水平和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生在學習知識的過程中，面向?qū)嶋H項目，運用多學科知識，發(fā)現(xiàn)和解決工程問題。這種方法是應用型高校提升學生學習力的一種有效的教學模式。

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

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