新工科背景下基于OBE理念的“汽车理论”课程内容设计及考核体系研究

陈剑斌 汪小锋 沈涛

摘  要：汽车理论作为汽车文明传承的重要载体，在车辆工程专业课程体系中占据着举足轻重的地位。为适应我国高等教育工程认证及“新工科”建设改革风向，应在保持课程原有知识体系完整性的前提下，在汽车理论课程内容中融入新能源、智能化等“新工科”元素。文章根据课程知识点分类及学习层次要求进行了课程内容与教学模式的匹配设计，提出了基于考核方式和内容的课程目标合理性评价实施方法。

关键词：新工科;OBE教育理念;汽车理论;课程内容设计;考核体系

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）39-0048-04

工程教育专业认证和“新工科”建设是我国高等教育的新风向。2016年我国正式成为《华盛顿协议》成员国，全国各大高校积极开展基于OBE成果导向理念的工程教育改革，推进我国高等工程教育的国际互认工作[1]。以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新一轮科技和产业革命的兴起使得各国间综合国力的竞争愈加剧烈，国务院相继颁布了“中国制造2025”“互联网+”等一系列国家重大战略计划，积极应对世界科技创新速度的全新挑战[2]。2017年以來，教育部也相继发布了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等新工科建设三部曲，明确了我国高等教育新的时代主题，通过主动布局未来新兴领域人才培养，为传统产业转型升级提供支撑，引领新一轮的产业革命[3]。在面对世界新经济重大变革中，作为人工智能、信息通信、云计算、物联网等新技术的最佳应用平台，汽车产业电动化、智能化、网联化及共享化等“新四化”发展趋势也愈发明显。为了应对新形势下汽车行业发展需求，教育部把车辆工程专业列入首批新工科建设专业，传统工科专业的升级改造也迎来了新的历史机遇和前所未有的挑战[4-5]。

“汽车理论”作为汽车文明传承的重要载体，是我国高等教育培养高素质汽车专业人才的基石。为顺应OBE教育理念和“新工科”建设要求，亟须对新时代“汽车理论”课程内容设计及考核体系进行改革研究，探索适应工程教育专业认证标准、面向未来发展的课堂教学新模式，培养学生解决复杂工程问题的能力，具备良好的专业创新能力，引领未来工程。

一、汽车理论课程的教学现状

现阶段， 开设汽车理论课程的高校基本上都以清华大学余志生教授主编的《汽车理论》为授课教材进行教学设计。教材是教育部面向21世纪课程教材、普通高等教育“九五”部级重点教材和“十五”国家级规划教材[6]，内容经典，实用性强。教材根据汽车在车辆坐标系中的受力方向，分析与汽车纵向、横向和垂向动力学相关的汽车六大使用性能，即动力性、经济性、制动性、操稳性、平顺性及通过性。“汽车理论”作为多学科交叉课程，需要具备较强的理论知识，尤其是对数学、物理及力学等自然科学基础知识要求较高，相关性能指标的计算公式推导烦琐，传统的多媒体或板书教学使课堂愈发沉闷枯燥，知识点考查采用“平时+期末”的单一方式难以支撑课程目标及毕业要求达成度。随着汽车工业“节能、环保、安全、舒适与智能化”等主题的落实，高校车辆工程专业培养方案融入了新的元素，要求汽车理论的教学设计也应做到与时俱进，尤其需要反映课程内容与新能源汽车、智能网联汽车等领域的理论及技术关联性，激发学生保持对传统工科专业的信心和学习兴趣，为国家培养出有责任、有担当、有实践创新能力、国际竞争力、能够解决汽车新兴产业复杂工程问题的高素质复合型“新工科”人才。

（一）设计原则

以车辆工程新工科和工程认证人才培养目标为根本出发点，坚持国家和区域需求导向，紧跟新时代汽车产业发展趋势，结合汽车理论课程自身特点，在遵循知识体系的基础性、整体性及时代特性等原则基础前提下进行教学内容整合，应有利于开展以学生为中心的教学模式改革创新，做到知识、能力与教学模式三者的相互统一。

（二）基于新工科建设的汽车理论课程内容设计

清华大学余志生教授主编的《汽车理论》经典教材具有结构简单清晰、知识点覆盖全面的特点，课程教学大纲一般安排3个学分，共51个学时的教学内容。根据新工科建设和工程认证要求，为更好地服务于传统车辆工程专业的升级改造，激发学生对专业课程的学习兴趣，应在原有课程架构基础上找到合适的切入点，建立课程主体知识与新能源汽车、智能车辆等的联系。

1. 纵向动力学使用性能

车辆纵向动力学问题主要讨论传统燃油汽车的动力性、经济性及制动性等使用性能。与内燃机汽车不同，新能源汽车的动力来源之一是驱动电机。在介绍汽车动力性和经济性时，补充电动汽车动力系统原理、驱动能量管理策略及能量经济性测试方法等，强调电动汽车动力性指标的计算关键在于驱动电机特性曲线，电动汽车经济性指标的计算则需要将电机工作消耗的电能转换为等效的燃油量，借助ADVISOR进行电动汽车能量经济性的虚拟仿真案例分析，介绍汽车动力学仿真软件发展现状，如2021年上半年MSC公司最新发布了ADAMS EV电动汽车模块，助力电动汽车快速开发。基于车辆纵向运动控制，将驱动模型、制动模型及反模型等理论知识在智能车辆自适应巡航控制系统ACC、车辆纵向安全性控制中实现起—停巡航S&G、主动避障AEB、防抱死ABS等功能实际应用相联系。

2. 横向动力学使用性能

车辆横向动力学问题主要讨论转向系统导致的不同前轮转角输入下车辆的操纵稳定性。汽车操纵稳定性通常涉及多参数多方面的评价内容，十分复杂。除了与转向性能密切关联外，还需根据悬架系统和传动系统的影响对操纵稳定性评价指标进行适当补充及修正。在汽车理论教学时，一般将汽车作为一个控制系统，基于建立的线性二自由度车辆运动微分方程对汽车进行时域或频域分析来描述汽车的操纵稳定性能。针对智能车辆横向运动控制，将车辆动力学模型用基于状态空间描述的状态方程模型来表达，便于利用现代控制理论对系统稳定性做出快速判断，并易于实现基于MATLAB/Simulink工具箱或Carsim软件的多自由度车辆横向运动控制及自主循迹横向控制等虚拟仿真教学。结合特拉斯高速侧翻及蔚来汽车高速自动驾驶撞车等智能车辆交通事故案例，引导学生思考如何提高智能车辆高速行驶操纵稳定性，守住“高速车辆的生命线”。

3. 垂向动力学使用性能

车辆垂向动力学问题主要讨论“路面—汽车—人”这一振动系统的动态特性，即汽车的平顺性。为保证乘员舒适性及货物完整性，通常用车身传至人体的加速度、悬架弹簧动挠度及车轮与路面间的动载等3个系统输出来评价汽车振动的平顺性好坏。汽车理论的教学中，侧重分析振动系统参数（主要是固有频率及阻尼比）对性能指标的影响。智能车辆垂向运动控制主要是不同控制算法在主动悬架控制中的应用，需要基于振动系统的状态空间模型描述，进一步对主动悬架的鲁棒控制、模糊逻辑控制等算法作重点介绍，借助MATLAB/Simulink实现控制器的设计。

4. 综合运动控制

运动控制是实现智能车辆自主行驶的关键，通常纵向控制和横向控制分别研究的是智能车辆的速度及路径跟踪能力，垂向控制主要保证车辆的行驶平顺性[7]。由于教学学时有限，在保证汽车理论课程主体知识完整性前提下，应合理删减、优化教材部分章节内容，比如第五章涉及操纵稳定性与悬架、转向系、传动系的关系，相关知识点本身较难理解，可以通过设置基于MATLAB/ADAMS智能车辆多工况联合仿真案例，实现车辆横—纵—垂方向动力学耦合及关联特性协调综合控制分析。要求学生在线上网络教学平台完成相关知识点的自主学习。

（三）多元教学模式并用

汽车理论主要是对复杂的车辆系统动力学模型进行合理简化，通过运动微分方程的推导建立汽车结构参数与使用参数的关系，并对使用性能指标进行评价。以教师讲授为主的传统教学模式，很难活跃课堂气氛，学生的学习效率也较低。基于“新工科”建设对汽车理论课程内容设计做出的持续更新，将采用多元教學模式开展丰富的教学活动，支撑工程认证对课程目标及毕业生能力的达成要求。值得一提的是，教学模式与教学活动之间并不是简单的一对一关系，一般可以根据课程知识点的分类及学习层次要求进行教学模式的匹配设计。（如表1）

为便于理解，这里对表1提供的部分知识点与教学模式的对应关系进行简单说明。根据布鲁姆关于知识的分类，将汽车理论课程知识点分为事实性知识、概念性知识和程序性知识，结合课程目标及毕业能力设置情况，在不同知识点分别对学生提出了解、理解、掌握、熟练等四个学习层次要求。

1. 事实性知识通常基于已经存在的事实，主要采取单一的讲授式或探究式教学模式，学生可以通过老师的讲解直接记忆汽车六大使用性能对应的评价指标，也可以通过调研探究的形式了解到常用的车辆系统动力性软件。

2. 概念性知识可以认为是对事实性知识进行的抽象概括或建立的有效联系。汽车理论对六大使用性能的概念描述十分严谨，比如老师在讲授汽车动力性定义时会突出强调几个措辞“良好路面”“直线行驶”“纵向外力”及“平均行驶速度”等帮助学生理解，启发学生思考“坏路面”“转弯行驶”“横向外力”等条件下所对应的汽车使用性能。操纵稳定性与悬架、转向系、传动系等的关系重点在于侧偏角相关影响因素（载荷）的变化，通过车辆驾驶情景体验，感受乘员在加速、制动及转弯等工况下身体的倾斜方向，学生便可以很容易对载荷的重新分布做出正确判断。此外，开展基于MATLAB/ADAMS的车辆多工况联合虚拟仿真案例教学，能够对参数影响结果进行实时、动态的呈现，加深理解。

3.程序性知识主要涉及问题解决的程序或步骤。为了使学生熟练掌握简单的汽车使用性能计算方法，通常可以采用板书+多媒体结合的形式对燃油汽车的经济性、汽车的制动效率及制动距离等的计算过程进行详细讲解。电动化和智能化是汽车的发展方向，也是学生感兴趣的专业方向。通过比较电机与发动机特性曲线的不同能够对电动汽车经济性的计算有所了解，可以通过基于ADVISOR的电动汽车能量经济仿真分析，深入理解混合动力系统的工作过程。智能车辆运动控制主要涉及纵向、横向、垂向及各自间的耦合动力学问题，将汽车运动描述由传统的运动微分方程形式转换成状态空间模型表达，开展针对某个方向的智能车辆运动控制案例教学，并布置独立或分组项目任务，要求学生理解智能车辆的运动控制原理。汽车理论主要是对使用性能的理论预测，可通过多媒体案例教学对试验测试方法作简要了解。

针对融入“新工科”元素的汽车理论课程内容设计，明确课程知识点的分类及学习层次要求，匹配合理的教学模式开展形式多样的教学活动，有利于全面、有效地支撑课程目标及毕业要求的达成度评价。

二、基于OBE理念的汽车理论考核体系

工程教育专业认证的OBE成果导向理念主要强调学生通过学习能够达到的最大能力。汽车理论作为车辆工程的专业核心课程，是学生今后从事汽车行业相关设计、研究和开发创新等工作的重要理论基础，在本专业课程体系中的地位及作用是不可替代的。依据工程教育认证通用标准，要求汽车理论相关教学活动能够对学生在工程知识、问题分析、使用现代工具及终身学习等方面的毕业能力形成较强支撑。毕业要求通过细化的指标点分解落实到课程，因此，需要合理设置课程目标与毕业要求的对应关系，对课程目标的达成情况进行合理性评价。基于OBE理念的课程目标合理性评价不再只是依据学生考试成绩简单做出的及格评价，应该是对贯穿整个教学过程的课程目标、课程教学内容、教学方式、考核方式等的全面分析，重点应该关注课程考核内容与方法的合理性。结合新工科建设需求，汽车理论应紧紧围绕课程目标合理设置考核方式和内容。

1. 细化教学考核点

结合多元教学模式，根据知识点的分类及学习层次要求，从课堂讲授纪律、教学互动、课后习题、平时测验、线上学习、期末测试、探究教学报告、项目教学汇报等方面对知识及能力的达成进行综合评价。

2. 多种考核方式相结合

平时测验及期末测试主要是对工程知识进行较为全面的考查，适合采用集中笔试（开卷或闭卷）;项目式教学任务一般体现对课程多个毕业指标点的综合考查，适合采取论文或设计形式并进行PPT汇报;课堂讲授纪律、教学互动、课后习题、探究式教学任务等主要是教学的过程性考查，适合采取形成性考核;网络教学平台学习情况主要通过上机考试或线上平台数据评价等。

3. 调整考核权重比例

新工科背景下工程认证标准更强调学生对知识的应用和学习能力，用于解决复杂车辆工程问题。因此，与工程知识、问题分析、使用现代工具及终身学习等毕业要求指标点对应的课程目标权重系数由原来的70%、20%、5%、5%分别调整为50%、25%、15%、10%，单一课程目标权重系数落实到整个教学的各个环节。

三、结语

在汽车“新四化”发展浪潮下，汽车基本使用性能依然是汽车产品最重要的市场竞争力。汽车理论作为传授学生汽车基本使用性能知识的课程载体，是我国高等教育培养高素质汽车专业人才的基石。针对传统工科专业课程教学的不足，开展以新工科建设为引领的汽车理论课程内容设计，探索适应工程教育专业认证标准、面向未来发展的汽车理论多元教学模式，制定以OBE为核心理念的汽车理论考核体系，有助于推进车辆工程的新工科改造升级，为国家培养出有责任、有担当、有实践创新能力、国际竞争力、能够解决汽车新兴产业复杂工程问题，能够引领未来工程的高素质复合型人才。

参考文献：

[1] 王中长. 基于OBE理念的“汽车理论”课程教学[J]. 西部素质教育，2020，6（17）：137-138.

[2] 吴娜，刘超，张士强. “新工科”背景下基于CDIO的地方本科院校汽车类专业“引领层进式”实践教学模式的研究[J]. 教育教学论坛，2020，462（16）：163-164.

[3] 牛礼民. “新工科”建设背景下车辆工程专业的教学改革初探[J]. 科技风，2020（28）：55-57.

[4] 杨松. 基于项目驱动的《汽车理论》课程教学改革[J]. 汽车实用技术，2020，45（20）：205-207.

[5] 王俊，万能，习文辉. 新工科背景下车辆工程专业现代设计方法课程课堂教学与实践[J]. 中国现代教育装备，2020，347（19）：59-61.

[6] 余志生. 汽车理论[M]. 北京：机械工业出版社，2018.

[7] 黄妙华，裴晓飞，喻厚宇. 智能车辆控制基础[M]. 北京：机械工业出版社，2020.

（荐稿人：马廷锋，宁波大学教授）

（责任编辑：汪旦旦）