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车辆工程控制系统与仿真技术课程教学研究

发布时间:2019-01-23 08:34

  摘要:针对车辆工程领域汽车电子控制技术的发展趋势,分析了当前“控制系统与仿真技术”课程教学实践中所存在的问题。基于课程定位目标,对原课程内容进行了优化调整。提出了一种基于项目案例任务驱动的“控制系统与仿真技术”课程实践教学方法。采用新的课程教改方案对学生进行了对比实践教学。实践表明,提出的教学方法能够充分调动学生的积极性,提高学生的实践技能和创新能力,明显改善课堂教学效果。


  关键词:车辆工程;控制系统;仿真技术;教学改革


  中图分类号:G642.4文献标志码:A文章编号:1002-2589(2015)23-0142-02


  由于电子控制技术在车辆工程中的应用发展十分迅速[1],车载控制系统已成为车辆工程学科里一个重要的研究方向。现代汽车的电控系统数量一般为几十个,而高档汽车已高达上百个,电控系统控制器的开发对控制系统理论在具体工程中的应用提出了很高的要求。在车辆工程专业教学中,“控制系统与仿真技术”课程作为本科生的培养内容极为必要[2]。通过本课程的学习,使学生掌握控制系统设计的基本思路和方法,培养学生成为具有分析问题和解决问题能力的创新性人才。本文以安徽工程大学车辆工程专业“控制系统与仿真技术”课程改革为例,介绍教学改革实践中的一些体会和有益经验,与同行分享。


  一、课程分析


  1.课程现状分析


  “控制系统与仿真技术”作为车辆工程学科一门专业选修课,是学生走向科研院所或汽车企业应该掌握的一门课程,安排在第三学年的第二学期,总学时为32学时。本课程仅安排4个学时的实验,其中控制系统的MATLAB建模和SIMULINK仿真分别为2个学时。“控制系统与仿真技术”原属于自动化专业的一门专业基础课,教学以理论讲解为主,侧重于数理公式的推导。这种教学无法培养学生的动手能力,不利于学生理解控制系统的理论本质,对于MATLAB软件的一些函数和命令,学生只能依靠死记硬背,降低了学习的积极性,影响教学效果。


  “理论力学”和“控制工程基础”等作为前续课程,学生在学习“控制系统与仿真技术”时已掌握了一定的理论知识,但这些知识点对学生来说是相互孤立的,缺乏对知识体系结构的系统性认识,对具体的理论应用不知所措。“控制系统与仿真技术”教学中对理论过多的讲解也会造成教授内容的重复,降低了讲课效率,不能充分发挥学生学习的主动性。教学方法采用单一的任务驱动教学法,在任务训练的后期,任务小组内部容易出现少数学生具有依赖思想,导致抄袭现象经常发生。具体任务主要为传统控制理论的数字仿真分析,对汽车各种电控系统的工程背景基本没有涉及,这不利于学生了解本领域的科技进展,任务训练难以实现应用MATLAB解决实际工程问题。


  2.课程定位目标


  安徽工程大学车辆工程专业为安徽省首批“卓越工程师教育培养计划”建设专业,“卓越工程师教育培养计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才[3]。在“卓越工程师教育培养计划”引导下,车辆工程专业的培养目标定为:培养德智体全面发展、基础扎实、诚信实干、综合素质高、实践能力强、具有创新精神,从事车辆及其零部件设计、制造、实验研究以及车辆经营管理等领域的高级应用型专门人才。上述培养目标迫使我们必须改革传统的教学方法,积极探索富有活力、促进学生全面发展的新型课堂教学方法,激发学生的内在潜能,培养学生的创新能力和工程能力。


  在广泛调研的基础上,制定了车辆工程专业的培养方案,对专业课程进行了调整,新开设了“控制系统与仿真技术”课程。由于车辆工程专业学科交叉明显,机械、电子、液压、控制等课程均有涉及,“控制系统与仿真设计”课程在整个培养体系中的定位如图1所示。由图1可知,在培养体系中,汽车的各种电子控制系统,如电控燃油喷射系统、稳定性控制系统、电控转向系统、车身控制系统、电控悬架系统、巡航控制系统、电控自动变速器和防抱死制动系统等为具体的工程应用。汽车系统动力学、汽车设计、汽车构造、汽车理论、汽车电子、传感器技术和控制工程基础等为基础理论课程。“控制系统与仿真技术”课程作为基础理论到工程应用的桥梁,在整个培养体系中具有重要意义。


  二、课程教学改革措施


  1.课程内容优化


  根据“控制系统与仿真技术”课程的培养目标,对教学内容进行整合优化,将教学内容划分为理论教学与实践教学两部分。理论教学部分主要完成基本知识点的讲解,以汽车中涉及的动力学系统为分析对象,以汽车电子控制系统的设计方法为设计案例,突出课程特色。实践教学是课程学习的重要内容,在内容设置上力求做到理论联系实际,重视工程概念在实际问题中的应用,提高学生的工程意识和工程实践能力。


  “控制系统与仿真技术”教材目前主要侧重于MATLAB介绍和控制理论的数字仿真等内容,系统地以车辆为研究对象讲解如何设计控制系统的教学案例非常少,适合于车辆工程专业学生及工程技术人员阅读的教材不多。在本次教学改革实践中,增加了汽车中相关控制系统的设计与应用,以车辆工程专业教师的科研成果为基础,编排了适合车辆工程专业学生阅读的教材,其中以汽车电控转向系统、电机调速控制以及自适应巡航控制系统为主要教学案例,在后续教学中继续增加相应的内容。在教材内容修订上,应尽量避免与其他相关课程知识点的重合。


  设计工程项目时需遵循三个原则:融合相关教学内容涉及的知识点,并充分覆盖教学内容;紧跟汽车技术的发展方向,应具有较强的时效性;实施过程中所遇到的问题难度适中,易于激发学生学习的积极性。工程项目分解成实际案例需要与实践教学内容相结合,案例在功能上具有一定的完备性,且各案例之间保持一定的渐进性,逐步引导学生,避免产生抵触情绪。实际案例的筛选应以较为成熟的控制系统或具有代表性的控制方法为案例。实际案例讨论与分析完毕后,根据学生反馈的学习效果,指导学生将实际案例归纳综合成相应的具体任务,将具体任务进一步分解,让每个小组成员都承担一定的具体任务。2.教学方法设计


  案例教学法是一种以案例为基础的教学方法,融合相关知识点于实际案例中。案例中设置的问题为一种两难问题,没有某一特定的解决方案[4]。教师在教学中作为设计者和激励者的角色,积极引导学生解决问题,培养学生主动分析和解决问题的能力。项目教学法是以项目为主线、学生为主体、教学为主导的教学方法。学生在教师的指导下负责信息的收集、方案的设计、项目的实施。项目需要小组成员的通力合作完成,这有利于增强学生的团队精神,提高学生的自主创新能力。而任务驱动教学法是以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学方法。学生结合自己的具体任务模块,构建知识体系,有利于激发学生的学习兴趣。


  由上述三种教学方法的分析可知,三种方法在发挥学生主观能动性和培养学生创新能力等方面各有所侧重点[5]。在当前实践教学中,上述三种教学方法取得了良好的教学效果,但基本上以一种教学方法为主,过分依赖教学方法中所设计的单一项目、案例或任务,影响了教学效果。为此,建立了一种基于项目案例任务驱动的“控制系统与仿真技术”课程实践教学方法,其教学过程如图2所示。由图2可知,该教学方法结合“控制系统与仿真技术”课程,融合三种教学方法为一体,以工程项目为主导、实际案例为引导,用具体任务驱动学生构建车辆工程学科的知识体系结构。


  三、课程教学改革实践


  1.课程教学实施


  “控制系统与仿真技术”课程具有明显的实践性和综合性的特点,特别注重应用能力的培养,因此课程安排理论教学20学时,实践教学12学时。整个课程安排在第8周至第15周,授课在每周的星期二和星期四进行,每次连续两个课时。实践教学安排3个工程项目,分别安排在第10周、12周和14周。理论教学安排在第8周、9周、11周、13周和15周,授课期间加入实际案例讨论,周四课后安排具体任务。


  教师在工程项目的设计上,突出工程背景,结合自己的相关科研成果,加强实践环节的创新性和综合性。本课程的工程项目应用MATLAB软件开展训练,MATLAB是仿真软件中易学、功能强大的一款,成为“控制系统与仿真技术”课程项目训练的首选工具。为加深学生对控制系统、仿真技术的概念,本课程通过让学生参观相关的汽车电控系统,如电控转向系统平台、自适应巡航控制系统模拟器等。在教学手段上,合理使用多媒体课件讲课,为了加强学生对理论知识的理解,还可以穿插些图片、幻灯片等。在教学过程中,注重课外创新活动与课堂实践教学的结合,鼓励学生积极参加一些控制系统设计类的项目和竞赛[6],如大学生创新创业计划项目和飞思卡尔智能汽车竞赛等。


  2.课程教学效果


  采用文献[7]中的教学效果综合评价模型对教改的教学效果进行实证研究。评价指标为个人兴趣K1、职业发展K2、能力培养K3、教学效率K4、学习方法K5、行业经验K6和适应能力K7。个人兴趣为教学方法对激发学生学习兴趣、求知欲,调动学生积极性的评价。职业发展为教学方法对增进学生团队合作与沟通,对学生职业发展的导向性及学生是否提出新观点的评价。能力培养为教学方法对培养学生分析问题、解决问题,以及创造能力的评价。教学效率为学生掌握相关专业知识和考核指标的科学性与合理性的评价。学习方法为学生在课堂上对“控制系统与仿真技术”课程学习方法的掌握程度的评价。行业经验为教学方法对学生获得实务与行业经验的评价。适应能力为教学方法培养学生满足社会人才需求适合程度的评价。教学效果综合评价模型中评价指标的权重表如表1所示。


  传统教学和实施教改后的教学效果评价指标如图3所示。由图3可知,7个评价指标在实施教改后均有不同程度的提高,其中行业经验提高最快,增幅为21.7%。综合评价值由2.4662提高为2.8994,这说明教改的实施提高了学生学习的自觉性,提高了发现问题、分析问题、解决问题的能力,激发了创新意识,调动了学生获取知识的积极性和主动性,从而为学生撰写毕业论文以及毕业后走上工作岗位运用仿真技术打下了坚实的基础。


  四、结论


  首先对车辆工程专业“控制系统与仿真技术”课程现状进行了分析,分析表明传统教学方法无法培养学生的动手能力,不利于学生理解控制系统的理论本质,降低了学习的积极性,影响教学效果。在“卓越工程师教育培养计划”引导下,建立了一种基于项目案例任务驱动的“控制系统与仿真技术”课程实践教学方法,该教学方法结合“控制系统与仿真技术”课程,融合三种教学方法为一体,以工程项目为主导、实际案例为引导,用具体任务驱动学生构建车辆工程学科的知识体系结构。采用新的课程教改方案对学生进行了对比实践教学,并利用教学效果综合评价模型对教学效果进行了综合评价。评价结果表明,提出的教学方法能够充分调动学生的积极性,提高学生的实践技能和创新能力,明显改善课堂教学效果。本文来自《农业装备与车辆工程》杂志

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