郝 琪，吳勝軍，尹長城

專業(yè)學(xué)位研究生汽車碰撞安全技術(shù)課程案例教學(xué)建構(gòu)

郝 琪，吳勝軍，尹長城

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

汽車碰撞安全技術(shù)課程涉及多學(xué)科融合，仿真算法理論難度大，工程問題研究系統(tǒng)復(fù)雜。針對專業(yè)碩士研究生力學(xué)理論基礎(chǔ)相對薄弱和工程意識弱的狀況，提出以案例多重覆蓋知識點的課程案例教學(xué)方法。以打牢理論基礎(chǔ)，提高工程能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識為目標(biāo)進行課程案例庫的構(gòu)建。以學(xué)生為中心進行案例教學(xué)組織與實施，提高課程獲得感,為案例教學(xué)不斷改進提供依據(jù)。

案例教學(xué)；汽車碰撞安全技術(shù)課程；專業(yè)學(xué)位研究生；課程教學(xué)改革；安全庫構(gòu)建

近年來研究生招生規(guī)模增加，2021年較2017年增加招生38.2%，專業(yè)學(xué)位研究生成為研究生培養(yǎng)的主要類型。湖北汽車工業(yè)學(xué)院車輛工程專業(yè)是行業(yè)背景突出的國家一流專業(yè)，汽車碰撞安全技術(shù)基礎(chǔ)課程是該專業(yè)專業(yè)碩士研究生汽車輕量化方向一門特色鮮明的專業(yè)選修課。課程涉及車輛、材料、力學(xué)等學(xué)科，綜合性較強，具有工程意義的典型實驗均為破壞性實驗，實驗成本巨大。專業(yè)學(xué)位研究生的力學(xué)理論基礎(chǔ)相對薄弱，車輛碰撞相關(guān)內(nèi)容的工程意識欠缺，課程重點章節(jié)“碰撞有限元理論”“汽車碰撞安全設(shè)計”相關(guān)內(nèi)容理論性強、不易理解，學(xué)生由于理論不清晰對后期仿真及設(shè)計結(jié)果出現(xiàn)的問題，沒有工程直覺和初步判斷及調(diào)試能力，初期教學(xué)效果不理想。

案例教學(xué)是以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，經(jīng)過研究加工，通過情景模擬、現(xiàn)場體驗、交流討論等手段，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高能力的教學(xué)方式[1-3]。在汽車碰撞安全研究領(lǐng)域，除了國家強制執(zhí)行的碰撞安全法規(guī)，還有中國新車評價規(guī)程（China-New Car Asses- sment Program, C-NCAP）和中國保險研究協(xié)會推出的車輛碰撞性能評價體系。汽車企業(yè)針對法規(guī)和評價指標(biāo)，進行并公布了大量車輛碰撞性能測試實驗。課程組教師多年汽車碰撞仿真研究積累了大量具有原創(chuàng)性的汽車碰撞有限元仿真案例。實車碰撞測試+有限元結(jié)構(gòu)仿真+結(jié)構(gòu)技術(shù)、性能分析的融合匹配為案例教學(xué)所必備的案例庫建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

1 課程采用案例教學(xué)法的意義

由于汽車碰撞試驗的巨大花費，學(xué)生很難在理想的時間看到理想的碰撞類型實車實驗。建立汽車碰撞安全技術(shù)課程案例庫，是解決無法進行的高花費實驗的有效手段。案例可以讓學(xué)生了解不同類型碰撞的基本過程和特點。經(jīng)過案例加工，重點關(guān)注的碰撞安全結(jié)構(gòu)設(shè)計可以讓學(xué)生充分分析碰撞過程，通過研究結(jié)構(gòu)變形的時序性與整車碰撞加速度的匹配情況，分析結(jié)構(gòu)改進方法。

基于課程的特點，通過案例的合理設(shè)計，即使在理論內(nèi)容較強的章節(jié)也可以做到案例全覆蓋，做到重要理論均有案例支撐。通過案例深入細分，理論文字及其對結(jié)果影響可以具像表達，易于學(xué)生理解。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，車輛強制被動安全法規(guī)發(fā)展的越來越完善，對設(shè)計者的挑戰(zhàn)越來越苛刻，而車企的設(shè)計技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化。不同車企設(shè)計工程師的思路各有獨到之處，將不同車企在解決同一法規(guī)問題時采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)手段通過案例進行對比分析，有利于激發(fā)研究生創(chuàng)新性思維，結(jié)合小組討論，力爭做到理實融合與思辨的統(tǒng)一。

2 案例庫的構(gòu)成

案例庫建設(shè)主題明確，重點突出三大教學(xué)主題，即夯實研究生理論功底、提高專業(yè)碩士工程能力與素養(yǎng)、培養(yǎng)研究生創(chuàng)新意識和能力。案例選擇在系統(tǒng)化原則指導(dǎo)下進行，即入選案例、案例與教材、案例與培養(yǎng)目標(biāo)三方面構(gòu)成一個有機的整體，使案例高效服務(wù)課程。

2.1 助力培養(yǎng)創(chuàng)新意識

課程案例庫分為素材案例庫和整車案例庫，如圖1所示。素材庫案例為小型案例，便于課堂實時計算，主要配合授課中理論部分的驗證及其工程方法在仿真中實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容。整車案例庫案例規(guī)模大、涉及內(nèi)容多，使用時更加突出學(xué)生的主體地位，以小組調(diào)試、分析、討論為主，且此部分案例緊跟汽車行業(yè)發(fā)展。

圖1 課程案例庫構(gòu)成

如圖1中1區(qū)案例通過討論采用漸進式可移動吸能壁障（Mobile Progresssive Deformable Bar- rier, MPDB）正面碰撞工況評價指標(biāo)代替40%重疊吸能壁障（Overlap Deformable Barrier, ODB）正面碰撞評價指標(biāo)的原因，繼而引出對MPDB評價車輛碰撞相容性與攻擊性的新參數(shù)的討論，使得課程在進行法規(guī)內(nèi)容授課的同時，也體現(xiàn)評價產(chǎn)品特性的創(chuàng)新概念以及作為管理者的法規(guī)制定創(chuàng)新思維。如1區(qū)、2區(qū)案例在應(yīng)對保險公司新推出的小偏置碰撞工況時，分析討論Volvo、Benz、Honda汽車在車身及底盤設(shè)計中分別采用削弱底盤構(gòu)件強度、加強車身結(jié)構(gòu)強度、車身新結(jié)構(gòu)三種完全不同、甚至是相悖的思路成功提高小偏置碰撞中車輛碰撞性能，體現(xiàn)不同汽車生產(chǎn)商為解決相同目標(biāo)采用的不同創(chuàng)新設(shè)計方案，在帶入新技術(shù)的同時重點突出工程師的創(chuàng)新思想。2區(qū)、3區(qū)案例，體現(xiàn)新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時展現(xiàn)學(xué)科融合的創(chuàng)新設(shè)計手段，提升材料+汽車+力學(xué)+傳感測試的多學(xué)科綜合解決復(fù)雜工程問題的能力。同時，案例的展開與討論使課程自然融入工匠精神、家國情懷、矛盾論、知行合一等課程思政內(nèi)容。

2.2 夯實理論功底

案例教學(xué)的根本目的，是通過案例分析過程，加深學(xué)生對理論知識要點的理解、掌握和領(lǐng)悟[4-5]。本課程涉及碰撞設(shè)計理論、實驗測試、碰撞仿真及算法等內(nèi)容，不同部分案例設(shè)置數(shù)量、深度要合適；是通過案例引出理論，還是理論學(xué)習(xí)后通過案例討論鞏固，需要經(jīng)過精心的設(shè)計。

圖2為案例庫內(nèi)容與課程理論及主要知識點的對應(yīng)關(guān)系。如應(yīng)變率影響的素材案例圍繞材料本構(gòu)的理論教學(xué)內(nèi)容進行設(shè)置。通過考察材料應(yīng)變率在不同碰撞速度對前保險杠碰撞應(yīng)力結(jié)果的影響，深入理解材料本構(gòu)的作用、理解極簡思想處理應(yīng)變率對本構(gòu)影響的方法，比較不同工程問題處理應(yīng)變率影響的不同方法，此時再引入材料粘塑性特性，學(xué)生接受的非常順暢。新內(nèi)容進行的同時是對本科階段材料力學(xué)中材料本構(gòu)知識的鞏固和深入，將本科階段結(jié)構(gòu)設(shè)計僅停留在材料彈性范圍的理論，提升到結(jié)構(gòu)設(shè)計進入材料塑性階段的行為特征，開始進入材料非線性階段學(xué)習(xí)。

圖2 案例庫與理論內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系

單元算法案例通過應(yīng)力不同顯示方式結(jié)果差異的討論，鞏固有限元插值方法及其相關(guān)數(shù)值分析方法，鞏固強度問題中不同應(yīng)力的概念，引入理論課程中單元的剪力自鎖和沙漏問題。又如頭部和薄壁構(gòu)件A柱的碰撞案例圍繞課程接觸算法的理論教學(xué)內(nèi)容展開，接觸內(nèi)容的引入帶來工程問題的邊界非線性和幾何非線性，通過案例展示接觸中單向搜索和雙向搜索算法的差異，展現(xiàn)算法帶來的主面與從節(jié)點選取問題，案例繼續(xù)深入討論接觸類型的可替代性、各種接觸算法的細節(jié)特點，為學(xué)生理解接觸算法特點、把握接觸類型應(yīng)用掃清了初學(xué)時理論概念過于抽象的障礙。案例庫已建成大類案例15個，內(nèi)含細分案例共74個，案例形式為汽車碰撞視頻案例、汽車及其零部件碰撞仿真案例、碰撞數(shù)據(jù)分析案例。其中部分案例落實到案例教學(xué)課堂，其余案例保證課程案例的充足性及可替換性。從圖2也可看出，在應(yīng)用一個案例闡述主要知識點時，會同時涉及其他相關(guān)知識點，形成知識點的多重覆蓋。

3 案例教學(xué)組織與實施

3.1 確定案例教學(xué)實施方案

“師者，傳道授業(yè)解惑也”，其中“道”是理論知識體系，“業(yè)”則是學(xué)生自己在知識的指導(dǎo)下所努力的結(jié)果。沒有理論知識的積累，對案例的分析是盲目和淺顯的[6-7]。但是，學(xué)生更容易理解具體的實踐，較難理解系統(tǒng)的理論體系，因此，“道”的傳授方式與方法更重要。

調(diào)研顯示，國內(nèi)一些案例教學(xué)的課程實踐沒有給學(xué)生留下深刻的印象，教師僅把案例做成講義進行講述。這樣的方式課程雖然生動了一些，但沒有給學(xué)生帶來特別的啟發(fā)，并不是現(xiàn)代意義上的案例教學(xué)[8-9]。

汽車碰撞安全技術(shù)課程經(jīng)過4輪教學(xué)改革，案例教學(xué)組織方式經(jīng)過了3次調(diào)整，從原有的先講授理論再案例說明，到理論內(nèi)容拆解為兩部分進行，先獨立講授部分課程理論，另一部分理論與案例融合開展教學(xué)，最后確定以案例開啟教學(xué)+期間理論融合案例+后期獨立案例研究的模式進行，具體案例教學(xué)組織配置如表1所示。教學(xué)組織方式的轉(zhuǎn)變使學(xué)生從首先要充分接受理論，然后才是通過案例進行驗證、分析；到先通過案例進行感性認識，進而理論與案例相互驗證，最后綜合應(yīng)用理論解決案例問題提升工程能力，使理論與案例形成有機統(tǒng)一。

表1 課程案例教學(xué)組織配置表

階段時間大類案例個數(shù)案例類型作用 1課程前期1碰撞仿真案例認識課程作用及基本內(nèi)容 2實車碰撞案例 2課程過程中5碰撞仿真案例闡明課程知識點、引導(dǎo)思考、展現(xiàn)教師科研成果 3實車碰撞案例 3課程后期3碰撞仿真案例綜合應(yīng)用所學(xué)知識，解決碰撞工程仿真調(diào)試問題、實車碰撞性能評價問題 1碰撞數(shù)據(jù)分析案例

3.2 實施案例教學(xué)，提高工程能力與素養(yǎng)

案例教學(xué)堅持以學(xué)生為中心，針對表1中的1、2階段以小組研究、討論為主，教師引導(dǎo)拓深、適時歸納；3階段以分組研究、匯報答辯的方式進行，教師進行專題案例總結(jié)。小組在課程開課即進行劃分，不同案例分為不同的主講組和提問組。討論的案例材料視難度在課前1周～2周提前發(fā)放，準(zhǔn)備相關(guān)理論知識，部分案例需要自行完成仿真流程。課堂上首先由教師根據(jù)案例及相關(guān)模型進行引導(dǎo)分析，讓學(xué)生熟悉該案例的背景及技術(shù)知識，如該案例的關(guān)聯(lián)法規(guī)、研究對象的結(jié)構(gòu)布置、連接方式、材料特性、碰撞邊界條件等。接下來重要的一步是，以學(xué)生自主分析、教師引導(dǎo)的方式進行工程分析。在此，以主講組學(xué)生為主體進行案例相關(guān)問題的解答或匯報，對該案例提出技術(shù)要點、解決方案、仿真關(guān)鍵方法、調(diào)試方法、結(jié)果分析及評價等。最后，提問組和教師提問討論，根據(jù)結(jié)果進行合理性分析，確認匯報組結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性，并就案例中闡述內(nèi)容進行討論，如仿真案例中某參數(shù)設(shè)置的意義，是否具有其他可行性方案等。

課程后期的案例討論分兩類，第一類按小組給出不同的實車碰撞仿真模型，但模型會提前由教師根據(jù)課程重點問題設(shè)置錯誤，學(xué)生小組需分析出模型錯誤產(chǎn)生的原因，相關(guān)理論是什么，依據(jù)理論如何調(diào)整，并最終調(diào)整出正確模型。第二類給出某車碰撞正確的仿真結(jié)果文件，要求學(xué)生根據(jù)文件提取相關(guān)參數(shù)，進行數(shù)據(jù)后處理，結(jié)合理論做出該車碰撞特性評價參數(shù)。教師會根據(jù)學(xué)生的分析情況進行評價和總結(jié)，講授一些學(xué)生在分析過程中存在的問題，補充工程應(yīng)用過程中的一些經(jīng)驗總結(jié)和技巧。整體案例教學(xué)組織旨在通過案例多重覆蓋知識將工程與理論有機結(jié)合。

通過該模式的實施，學(xué)生的團隊協(xié)作及表達能力得到鍛煉，工程問題中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力得到提高，對碰撞問題的相關(guān)直覺判斷能力有所體會，學(xué)生的歸納性思維模式得到訓(xùn)練，開啟了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)視野。在課程改革的推動下，近兩年研究生結(jié)合新法規(guī)、新材料、新結(jié)構(gòu)申請汽車碰撞類發(fā)明專利4項，已成功獲批1項。

4 結(jié)束語

汽車碰撞安全技術(shù)案例庫具有緊跟行業(yè)發(fā)展、原創(chuàng)性高的特點，通過對案例的反復(fù)對比和打磨，形成了案例和課程理論的有機融合。通過案例教學(xué)的有效組織，在教師引導(dǎo)，學(xué)生自行研究的模式下，能夠發(fā)揮學(xué)生的潛力，較好地提高學(xué)生的課程獲得感。

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Construction on Case Teaching of Vehicle Crash Safety Technology Course for Professional Degree Master

HAO Qi, WU Shengjun, YIN Changcheng

( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China )

The performances of vehicle crash safety technology course is the integration of multidisciplinary, the great difficulty of simulation algorithm theory and the complexity of engineering research system. In view of the relatively weak mechanics foundation and engineering consciousness of professional degree masters, the case teaching method of covering knowledge points with mult-case is proposed. The course case library is built aimed to the solid theoretical foundation, improving the engineering ability and training innovation consciousness.The case teaching is constructed and implemented centered on students to improve the gain of course.The research provided the reference for the continuous improvement of case teaching.

Case teaching; Vehicle crash safety technology course; Professional degree master;Course teaching reform;Case library construction

G643.2

A

1671-7988(2022)21-171-05

G643.2

A

1671-7988(2022)21-171-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.032

郝琪（1973—），女，碩士，教授，研究方向為車輛被動安全，E-mail:1293169789@qq.com。

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目（2018378）；湖北汽車工業(yè)學(xué)院研究生教學(xué)研究改革項目（Y202003）。