“内燃机设计”课程的思政建设与探索

郭鹏江，刘瑞祥

（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博）

“内燃机设计”课程是能源与动力工程专业（内燃机方向）的一门重要的专业教育课程，每年能源与动力工程专业的本科生学习这门课，48学时。从内燃机的工作需求、设计要求和设计指标入手，综合考虑材料、工艺、承载件的机械载荷和热载荷、运动件润滑与密封、内燃机节能与环保等问题，学习内燃机的总体结构设计方法和主要零部件的结构设计和校核方法，学习内燃机辅助系统的选型设计方法，通过该课程的学习，使学生树立辩证的工程技术思维，能够应用各门知识进行问题的综合分析，初步具有内燃机结构设计和改进的能力，为从事内燃机的设计、生产和技术管理等工程奠定专业基础。从该课程教育目的出发，结合教学改革与实践，从教学内容、教学过程的组织以及教学实践等方面都要有较大的突破，不仅在课堂上讲授课程的主要内容和章节，将GT-SUITE软件引入本课程中，完成某些零部件的设计，加强山东理工大学的网络教学平台建设和使用[1]，在课上和课下借助于学校购买的超星名师讲坛等来实现“内燃机设计”课程的混合式教学改革，而且要引入思政元素，切实把思想政治工作贯穿教育教学的始终，推动形成全员育人、全程育人、全方位育人的教育格局；培育学生一丝不苟、精益求精、吃苦耐劳、勤奋认真的工匠精神，培养学生脚踏实地、勇于探索、协调创新、追求卓越等优秀品质，成长为心系社会并有时代担当的技术人才[2]。

一 “内燃机设计”的课程目标

1.能够根据内燃机的工作需求和设计要求，按照总体设计的方法进行内燃机的选型，并确定内燃机的主要结构参数。

2.能够根据内燃机零部件的设计要求，完成零部件的基本设计，在此基础上，综合考虑材料、工承载件机械负荷和热负荷、运动件的润滑等问题，进行零部件的结构方法设计。应用材料力学或有限元知识进行零件的强度和刚度校核，判断零件的安全性，并提出改进方案。

3.能够培养学生在设计中主动考虑相关的节能、降噪和环保的政策法规，根据设计要求，可以进行内燃机配气机构和辅助系统的初步选择、布置和匹配计算。培养学生遵守行业的技术标准和良好的工程职业道德和规范，严谨敬业的工作作风。为今后的研究生学习和企业的工程设计开发打下坚实基础。

4.能够培养学生紧跟时代脉搏，与时俱进，掌握行业发展的动向，使学生今后不断学习，提高自身的工程技术水平。

本课程分别在2014年和2019年列入了课程负责人支持计划和混合式教学改革项目，根据“内燃机设计”课程特点[3-6]，教学过程中教师以现场课的形式进行讲授，运用讲练结合、案例教学、慕课、信息化计算机仿真等教学方法，促进师生之间的交流和互动。在教学设计中突出学生的主体地位，调动学生学习的积极性，全面培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生综合素质。“内燃机设计”课程结束后有2周的内燃机课程设计，学生进一步运用内燃机设计的理论知识，对发动机典型零部件进行设计，培养团队合作精神，达成“行合一”的学习效果。

二 该课程思政教育的融入点

思想政治工作贯穿本课程的教学全过程，列举思政教育的几个典型的融入点：

1.发动机平衡，所对应的哲学观点为：局部与整体的关系，局部影响整体。本课程的第三章是内燃机平衡，包括内平衡和外平衡。外平衡主要是平衡掉整个曲轴的旋转惯性力和旋转惯性力矩、一阶往复惯性力和力矩，二阶往复惯性力和力矩等。平衡旋转惯性力和力矩主要是加平衡块；平衡往复惯性力和力矩主要是加双轴平衡。

以四缸机为例，为了平衡二阶往复惯性力需要加双轴来平衡，如图1所示。主要的教学方法是借助于发动机图片和课堂PPT讲解的力学分析方法。

图1 双轴平衡机构[7]（此图片来自《内燃机设计》第三版教材与PPT，袁兆成主编）

2.发动机的气门升程，所对应的哲学观点为：分析-归纳-总结。发动机的气门升程属于本课程第五章的内容。先设计出整体的配气机构形式，确定每个结构的尺寸，其中主要是配气凸轮轴的型线设计，然后构造配气机构单质量动力学模型，通过求解微分方程，可以计算出气门的动态位移、速度和加速度，还能够计算机构弹性变形、判断飞脱、落座速度等，如图2所示。

图2 配气机构单质量动力学模型[7]

3.曲轴的应力集中，对应的思想政治教育：培养学生一丝不苟、精益求精。在设计曲轴的过程中，避免曲轴圆角与油孔的应力集中，所以在设计时，要合理地选取曲轴的圆角半径和油孔圆角半径。

三 教育方法和载体途径

（一） 发动机的平衡

一门课程的课程设计在教学中占重要的地位，贯穿课堂教学的始终。下面以单拐和三拐曲轴旋转惯性力和力矩的平衡为例，讲述课程设计的课中环节的一段。

1.知识点导入。让学生观察单缸机曲轴的形状，包括主轴颈、连杆轴径、平衡块布置等（图3）。通过展示曲轴的结构，引入新课，思考平衡块的布置方案和尺寸设计。

图3 单拐曲轴

图4 单拐曲轴旋转惯性力的平衡

3.学生思考环节。如何来平衡旋转惯性力矩呢？图4的单缸机旋转惯性力矩是否平衡了呢？

4.学生慕课环节。通过老师对单缸机的旋转惯性力的平衡分析和讲解，让学生思考四冲程三拐曲轴旋转惯性力的平衡。主要通过慕课方式来学习。在线观看超星尔雅教学视频，如图5所示，学习三拐曲轴的旋转惯性力和力矩的平衡方法，得出平衡块的质径积。

图5 三拐曲轴的平衡视频截图

5.学生作业环节。作业要求学生在网络教学平台上完成，具体的网络平台的功能在参考文献[1]中已经进行了详细的介绍和说明，这里不再叙述。通过课堂慕课和老师的总结，学习了四冲程发动机的往复惯性力和力矩的平衡，课后通过作业的方式学习了四冲程发动机的往复惯性力和力矩的平衡。如图6所示。

图6 网络教学平台作业截图

（二） 发动机的气门升程

在教学中，讲述基本理论的同时，借助于GTSUITE发动机性能仿真软件来求解气门的动态位移、速度和加速度。如图7所示。图7（a）是利用GT-SUITE软件设计，根据凸轮的工作角、凸轮升程、缓冲段的高度、气门开启时的速度和加速度等参数，设计凸轮型线。根据发动机配气机构的具体形式，在软件中输入结构参数，如图7（b）所示。然后离散化，根据转化后的零件map图，如图7（c）所示，计算气门升程、气门落座时的速度、气门的瞬时速度和加速度曲线等，在实际的气门运动中，考虑了机构的弹性变形和惯性力，得到了气门的实际运动规律曲线。

图7 GT-SUITE软件求解气门升程

（三） 曲轴的应力集中

曲轴圆角处和油孔处的应力集中严重，是校核的重点。利用工程有限元软件计算对曲轴的弯曲应力、扭转应力，避免曲轴的压力集中。

四 课程建设与保障

1.整个课程有很好的教学团队，教师有很好的授课经验，并且已经取得了多项教学成果。

2.学校图书馆已经购买了“内燃机设计”这门课的超星名师讲坛，为学生们提供了方便。

3.交通学院几年前已经购买了GT-SUITE发动机仿真软件，并且在毕设环节应用，取得了很好的效果。

4.发动机零部件齐备。

5.目前“内燃机设计”课程的教学完全按照工程教育认证要求进行。

6.“内燃机设计”这门课已经完成了项目负责人建设和混合式教学教改项目[8]。

五 结语

具体的建设采用教堂教学、超星名师讲坛、软件虚拟等手段来建设。预计在2021年下半年的课堂教学中融入思政建设，并且把软件虚拟引入到课堂中去，模拟配气机构，课后观看相关的名师讲坛。预计打算以后每届都在正常的教学环节中引入思政建设，切实把思想政治工作贯穿教学的整个过程，培育学生求真务实、踏实严谨、精益求精的工匠精神，成长为心系社会并有时代担当的技术性人才。