周令　文聘　陳建中　李旭　段波

摘 要：武漢理工大學(xué)工程力學(xué)（卓越工程師）班是國家第二批“卓越工程師計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，該專業(yè)旨在培養(yǎng)工程力學(xué)與汽車的復(fù)合型人才，解決汽車及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際工程力學(xué)問題?！镀嚇?gòu)造》作為該專業(yè)的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課，其教學(xué)成效對于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)尤為關(guān)鍵。鑒于力學(xué)專業(yè)與汽車專業(yè)的不同，本文以力學(xué)專業(yè)所開設(shè)的《汽車構(gòu)造》為例，詳細(xì)介紹該課程在組織與實(shí)施方面的改革舉措、教學(xué)效果和不足之處。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)（卓越工程師） 汽車構(gòu)造 教學(xué)改革 虛擬實(shí)驗(yàn) 專題研討

1 引言

新工科建設(shè)是我國針對新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對高等教育提出的新要求，新挑戰(zhàn)，其核心是要求培養(yǎng)具備實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。我院工程力學(xué)（卓越工程師）班是國家第二批“卓越工程師計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，該專業(yè)在設(shè)立之初，便立足學(xué)校在車輛工程的專業(yè)特色與行業(yè)優(yōu)勢，將汽車類課程納入到培養(yǎng)計(jì)劃中，旨在培養(yǎng)工程力學(xué)與汽車的復(fù)合型人才，解決汽車及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際工程力學(xué)問題。

《汽車構(gòu)造》是汽車類課程的基礎(chǔ)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理較為抽象，技術(shù)更新?lián)Q代較快，專業(yè)教師在課堂組織、教學(xué)手段等方面進(jìn)行了大量教學(xué)改革研究[1-5]。然而對于工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，其教學(xué)內(nèi)容應(yīng)不同于車輛工程專業(yè)，除了基本原理和基本構(gòu)造的教學(xué)，還應(yīng)促進(jìn)工程力學(xué)與汽車的有機(jī)結(jié)合與交叉，培養(yǎng)學(xué)生利用力學(xué)手段解決汽車領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和核心競爭力。因此，本文以武漢理工大學(xué)工程力學(xué)（卓越工程師）方向?yàn)槔?，介紹《汽車構(gòu)造》課程的組織實(shí)施與教學(xué)效果。

2 課程教學(xué)目標(biāo)及學(xué)情分析

本課程教學(xué)目標(biāo)分為四個層次：1）知識貢獻(xiàn)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解汽車總體構(gòu)造、汽車發(fā)動機(jī)（含曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系、冷卻系、潤滑系、點(diǎn)火系、起動系）、汽車底盤（含傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系、制動系）各總成和零部件的組成、作用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理；了解汽車及零部件的新構(gòu)造和發(fā)展趨勢。2）能力貢獻(xiàn)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠針對汽車故障、工程實(shí)際中的問題，獲得邏輯思維和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。3）素質(zhì)貢獻(xiàn)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能堅(jiān)定正確的政治信念，提高思想道德水平，鍛煉表達(dá)交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。4）價值貢獻(xiàn)：通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能產(chǎn)生對汽車整車及零部件中的力學(xué)和材料相關(guān)問題的研究興趣，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力，成長成才。

學(xué)情分析：卓越工程師方向的學(xué)生為工程力學(xué)專業(yè)學(xué)生自由報名加考試選拔組班，學(xué)生基礎(chǔ)較好，汽車構(gòu)造安排在第四學(xué)期開課，學(xué)生前期已完成數(shù)理類、理論力學(xué)、材料力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，同期開設(shè)機(jī)械設(shè)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)，后續(xù)課程為汽車?yán)碚摗C(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、工程熱力學(xué)等。然而，汽車構(gòu)造是學(xué)生接觸的第一門汽車類課程，其要求是通過學(xué)習(xí)，掌握汽車總體構(gòu)造、汽車發(fā)動機(jī)各總成和零部件的組成、作用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理方面的知識。該課程知識點(diǎn)繁多，學(xué)時相對較少，尤其實(shí)踐學(xué)時少，僅有4個學(xué)時，即2次參觀實(shí)習(xí)，學(xué)生缺乏對汽車零部件的具體認(rèn)識，對于如何利用力學(xué)專業(yè)的知識和工具解決汽車領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題更是不明所以，對“為什么學(xué)”產(chǎn)生疑惑，無法建立知識體系之間的聯(lián)系。

3 課程教學(xué)的組織與實(shí)施

基于上述教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)情分析，本團(tuán)隊(duì)以工程力學(xué)卓越工程師專業(yè)方向的《汽車構(gòu)造》課程為研究對象，采用多種教學(xué)手段促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量提高；引入汽車發(fā)動機(jī)和底盤虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)，輔助課內(nèi)認(rèn)知實(shí)踐，加深學(xué)生對基本構(gòu)造和基本原理的理解；采用案例及討論式教學(xué)法將力學(xué)基礎(chǔ)知識、力學(xué)測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算應(yīng)用于汽車領(lǐng)域特定案例，通過討論式教學(xué)啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程應(yīng)用問題的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力；通過校企聯(lián)合，邀請企業(yè)專家開展行業(yè)熱點(diǎn)等講座，為學(xué)生介紹行業(yè)發(fā)展前沿，幫助學(xué)生樹立投身行業(yè)建設(shè)的目標(biāo)。具體課程教學(xué)組織架構(gòu)如圖1所示，其各環(huán)節(jié)的實(shí)施方案將在后文詳細(xì)介紹。

3.1 課堂教學(xué)手段

汽車構(gòu)造知識點(diǎn)多，內(nèi)容繁雜，涉及到大量復(fù)雜機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段以多媒體教學(xué)為主，通過圖片文字等對各知識點(diǎn)進(jìn)行介紹。然而這種“填鴨式”介紹性的教學(xué)方式，容易引起學(xué)生乏味，注意力集中時間有限，難以對教學(xué)內(nèi)容形成深刻的理解和記憶。因此，在教學(xué)資源方面，團(tuán)隊(duì)教師進(jìn)一步優(yōu)化多媒體課件，選用彩色高清三維立體圖、實(shí)物圖、動畫、視頻等增強(qiáng)課件的知識性和趣味性，使學(xué)生更直觀更主動地了解汽車各零部件或總成的結(jié)構(gòu)和原理。其次，在課堂教學(xué)組織方面，采用設(shè)問—講授-解答的方式進(jìn)行教學(xué)，即在新知識點(diǎn)學(xué)習(xí)之前，先提出多個問題，促使學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，課堂結(jié)束之前，當(dāng)堂收取問題答案，將其記為考勤及平時成績；在課程教學(xué)過程中，還通過雨課堂、現(xiàn)場提問等環(huán)節(jié)進(jìn)行互動，一方面吸引學(xué)生注意力，激起學(xué)習(xí)興趣，另一方面對容易混淆的知識點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化記憶，同時雨課堂的計(jì)分功能完成隨堂測驗(yàn)和課堂教學(xué)效果評價。

3.2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

汽車構(gòu)造課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時少，僅有4學(xué)時認(rèn)知實(shí)踐，而且實(shí)踐環(huán)節(jié)一般安排在理論教學(xué)環(huán)節(jié)完成之后，學(xué)生很難將課內(nèi)的理論知識和實(shí)踐相結(jié)合，以期通過認(rèn)知實(shí)踐環(huán)節(jié)促進(jìn)理論教學(xué)的效果不顯著。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)增加了汽車發(fā)動機(jī)及底盤虛擬拆裝課外實(shí)驗(yàn)，以增強(qiáng)學(xué)生對各零部件和總成結(jié)構(gòu)、原理的感性認(rèn)識。以發(fā)動機(jī)拆裝為例，在講授曲柄連桿機(jī)構(gòu)之后，就在課內(nèi)集中講授虛擬拆裝軟件的基本操作，并要求學(xué)生利用課外的時間觀看實(shí)物拆裝教學(xué)視頻，并在虛擬拆裝軟件依次完成曲柄連桿機(jī)構(gòu)——配氣機(jī)構(gòu)及氣缸蓋——外圍機(jī)構(gòu)的安裝。虛擬軟件設(shè)有步驟分，操作錯誤會扣除相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，為了使同學(xué)熟練掌握，要求學(xué)生將每一部分練習(xí)的得分結(jié)果截圖，截圖放在實(shí)驗(yàn)報告中，得分不得低于各模塊分?jǐn)?shù)的85%。

3.3 專題研討的組織及評價

專題研討是本課程在組織和實(shí)施中的一個關(guān)鍵舉措，研討主題為“力學(xué)仿真技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用”，其目的是要通過小組合作，查閱國內(nèi)外相關(guān)期刊論文、碩博士論文，通過閱讀文獻(xiàn)、PPT制作、交流研討，理清力學(xué)基礎(chǔ)知識、力學(xué)測試技術(shù)、仿真技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件或整車的基本思路和基本方法，啟發(fā)思維，培養(yǎng)學(xué)生利用力學(xué)工具解決汽車領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題的能力，激發(fā)學(xué)生對汽車整車及零部件中的力學(xué)和材料相關(guān)問題的研究興趣，鍛煉自主學(xué)習(xí)能力，成長成才。

研討大作業(yè)的具體要求是：1）分工協(xié)作，兩人一組，查閱期刊和碩博士論文，對其研究背景，研究任務(wù)，基本原理及方法、仿真結(jié)果等進(jìn)行PPT展示；2）尊重知識產(chǎn)權(quán)，資料來源需注明出處，PPT制作需圖文并茂，簡潔美觀；3）每周1次研討分享，分享講述時間不超過15分鐘，提問或教師點(diǎn)評時間5分鐘。

任務(wù)下達(dá)以后，同學(xué)們迅速分組排序，確定了研討分享的時間，并在規(guī)定時間內(nèi)完成了資料查閱和PPT制作等工作。例如，在講授配氣機(jī)構(gòu)后，有一組同學(xué)分享了華中科技大學(xué)陶海的碩士畢業(yè)論文《某船用柴油機(jī)的氣門疲勞壽命研究》，介紹了某型船用柴油機(jī)進(jìn)排氣門的模型建立，利用 ANSYS 軟件進(jìn)行了動力學(xué)計(jì)算和疲勞壽命估算的過程。還有一組同學(xué)分享了重慶大學(xué)周曉斌的碩士學(xué)位論文《發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)振動噪聲仿真分析》，對于沒有涉及過的專有名詞，還通過查閱相關(guān)資料做了一頁資料卡片的PPT。

講授環(huán)節(jié)完成后，師生就感興趣的問題進(jìn)行交流，引導(dǎo)學(xué)生積極有效地參與討論，并及時進(jìn)行點(diǎn)評和小結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生讀懂文獻(xiàn)，了解基本思路和基本方法。通過學(xué)生的課題展示和討論環(huán)節(jié)，從知識點(diǎn)掌握情況、創(chuàng)新思維評價和表達(dá)展示情況進(jìn)行小組評分及個人評分，并將分?jǐn)?shù)作為期末考核的重要組成部分，有助于激勵學(xué)生參與討論的積極性，同時也可以為教學(xué)效果評價提供量化指標(biāo)。

3.4 專家講座

為了開拓學(xué)生視野，樹立學(xué)好力學(xué)專業(yè)，投身汽車領(lǐng)域發(fā)展的信心，教學(xué)團(tuán)隊(duì)還利用課外時間組織專家講座，邀請了合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程研究院的朱波副教授進(jìn)行《電動汽車能耗分析與優(yōu)化》的專題講座，介紹了電動汽車的發(fā)展趨勢、能耗優(yōu)化的多種方案，同時也提出了通過力學(xué)仿真手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能耗優(yōu)化的需求，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力；也邀請了長期從事汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的工程師，2010級學(xué)姐現(xiàn)身說法，以某一具體零件為例，分享發(fā)動機(jī)缸蓋、水套和氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和步驟，所需要的工具軟件等，并進(jìn)行求學(xué)求職以及在企業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)交流。

3.5 考核方式

基于以上教學(xué)方式改革，考核方式也做了相應(yīng)的調(diào)整。期末總評成績由四部分組成，其中期末考試占60%，閉卷考試，通過填空、選擇等客觀題、識圖題、分析題考查學(xué)生對基本構(gòu)造、基本原理的識記、理解和簡單分析能力；平時成績占20%，主要為雨課堂記錄的考勤情況、課堂互動及答題情況；實(shí)驗(yàn)成績占10%，主要為虛擬實(shí)驗(yàn)操作得分和實(shí)驗(yàn)報告、認(rèn)知實(shí)踐作業(yè)情況；研討大作業(yè)占10%，主要考查學(xué)生查閱資料、展示和講授的情況。綜合評價結(jié)果，以2020級為例，總?cè)藬?shù)33人，90分以上3人，80～90區(qū)間17人，70～80分區(qū)間10人，60～70分區(qū)間3人，無不及格情況。綜合評價和期末考試卷面成績均基本符合正態(tài)分布，也從側(cè)面反映了該考核方式的科學(xué)性和合理性。

4 教學(xué)效果及評價

為了了解教學(xué)效果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對2020級學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，問卷時間設(shè)置在期末考試成績公布之后，并采用匿名形式，共計(jì)33人選課，23人提交問卷，部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：74%的同學(xué)認(rèn)為通過課堂作業(yè)（雨課堂、課堂提問），可以加深對知識點(diǎn)的記憶和理解；83%的同學(xué)認(rèn)為通過虛擬實(shí)驗(yàn)，對汽車發(fā)動機(jī)和底盤的基本構(gòu)造有了更清晰的認(rèn)識；65%的同學(xué)認(rèn)為通過翻轉(zhuǎn)課堂即文獻(xiàn)調(diào)研和講解，了解了如何通過力學(xué)仿真工具解決汽車零部件及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際工程問題；74%的同學(xué)通過專家講座，對汽車發(fā)展前沿以及未來職業(yè)規(guī)劃有了更清晰的認(rèn)識。91%的同學(xué)認(rèn)為教學(xué)方法多樣，74%的同學(xué)認(rèn)為通過本課程的學(xué)習(xí)，了解了汽車發(fā)動機(jī)和底盤的基本構(gòu)造和工作原理，對汽車及其零部件領(lǐng)域有了更深更廣的認(rèn)識，也樹立了利用本專業(yè)知識解決實(shí)際工程問題的信心，整體效果良好。

5 課程思政建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)還積極開展課程思政建設(shè)，深入挖掘思政元素，例如在講授國內(nèi)外汽車發(fā)展史時，介紹國內(nèi)外汽車工業(yè)發(fā)展的差距，強(qiáng)調(diào)中國汽車快速發(fā)展的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的愛國主義情懷和為汽車工業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量的信心和決心；講授發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)時，結(jié)合不同的工況講授兩大機(jī)構(gòu)五大系統(tǒng)的相互配合，幫助學(xué)生建立辯證統(tǒng)一的觀點(diǎn)，增強(qiáng)團(tuán)結(jié)合作意識，提升分析問題和解決問題的能力；講授電控噴射技術(shù)時，通過介紹稀薄燃燒、均質(zhì)燃燒、分層燃燒等前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生結(jié)合自身所長，在發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、車身輕量化等領(lǐng)域不斷進(jìn)取，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的力量。

6 結(jié)語

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)以提升工程力學(xué)卓越工程師專業(yè)方向的《汽車構(gòu)造》教學(xué)效果為目標(biāo)，采用線上線下結(jié)合、課內(nèi)課外結(jié)合、虛擬實(shí)驗(yàn)與動手操作結(jié)合等多種教學(xué)方法，促進(jìn)了課堂教學(xué)質(zhì)量提高，加深了學(xué)生對基本構(gòu)造和基本原理的理解；采用文獻(xiàn)查閱、案例討論式教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生針對汽車領(lǐng)域的實(shí)際工程問題，將力學(xué)基礎(chǔ)知識、測試技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等應(yīng)用于特定案例，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力；通過校企聯(lián)合，為學(xué)生介紹行業(yè)發(fā)展前沿，幫助學(xué)生樹立投身汽車行業(yè)建設(shè)的信心和目標(biāo)，教學(xué)效果良好。

然而，通過學(xué)生反饋和團(tuán)隊(duì)的教學(xué)反思，由于汽車構(gòu)造設(shè)置在有限元分析課程之前，學(xué)生缺乏相關(guān)知識基礎(chǔ)，對討論式教學(xué)過程中的相關(guān)案例理解不夠透徹，未能進(jìn)行相應(yīng)的模擬仿真，教學(xué)效果有待進(jìn)一步提高。針對這種情況，教學(xué)團(tuán)隊(duì)也積極開展了后續(xù)相關(guān)課程實(shí)踐，在教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目 “simdroid仿真軟件力學(xué)專業(yè)師資培訓(xùn)項(xiàng)目”的資助下，組織學(xué)生利用課外時間針對汽車各零部件進(jìn)行工作模態(tài)分析等，為進(jìn)一步提升教學(xué)效果提供了重要途徑。

本項(xiàng)目由武漢理工大學(xué)教學(xué)研究改革項(xiàng)目“案例討論式教學(xué)法推進(jìn)工程力學(xué)卓越工程師方向《汽車構(gòu)造》課程建設(shè)”（w2020130）、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“simdroid仿真軟件力學(xué)專業(yè)師資培訓(xùn)項(xiàng)目”（220506517311318）資助。

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