师生共同讲授

实例研究为基础、师生共同讲授——“汽车电子与控制”课程

李道飞
　能源工程学系

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—机械工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:先进车辆中70%以上的技术创新都体现在汽车电子控制系统上。本课程旨在使学生掌握汽车电控系统设计开发的理论和方法，培养系统思维和创新思维，提高综合设计能力、实践能力和团队沟通合作能力。

（2）教学内容:经典控制理论基础、现代控制理论基础、控制系统仿真、发动机电子控制系统、车辆动力学建模仿真、制动与巡航控制、传动系—转向与悬架电子控制系统、汽车安全辅助系统、车身电子控制系统、汽车总线技术、汽车电子控制的发展趋势等。

4.教学对象

汽车工程专业三年级本科生，每年约60人。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:40学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室，大作业和小组讨论在课外完成。

二、课程教学重点解决的问题

本课程是5门汽车专业核心课程之一，具有承上启下的重要作用，上接“汽车构造”、“汽车理论”、“汽车发动机原理”等理论课程，下续“汽车设计”课程。学生对“汽车为什么这么设计”还比较模糊，在电控系统设计开发实践方面略显不足。

课程知识点主要涵盖电子控制的理论基础和设计方法、汽车电控应用和普遍性开发方法两方面，但学生思维和能力的培养更重要。传统课程教学方法基本能向学生传授上述知识，但存在问题如下:

（1）课程内容多、学时少、缺乏系统性、重点不够突出:课程仅有40学时，但内容分散，而且涉及发动机、传动系、悬架、制动、转向、车身电控等多个方面，学生不易找到重点，面对教材无所适从。

（2）过于面向产品和实物、课程理论性不足。在发动机/整车动力学的建模仿真方面过于简略，针对市场产品直接进行认识性教学，学生掌握的知识不具普适性，较难融会贯通。而作为专业核心课程，足够的理论性有助于学生举一反三、持续创新能力的培养。

（3）缺乏案例讲授、学生未能参与实际演练:在讲授案例时，一般仅展现流程性知识，未能用“问题剖析—建模—软件仿真验证—半实物仿真验证”的方法让学生亲手参与。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

工程教育要突出学生系统综合、实践和创新、团队协作等多种能力。为此，本课程以学生为中心，融合参与式教学、合作式学习、研究性学习等多种教学方法，激发学生的学习主动性。教师用案例典范做牵引；学生以小组为单位针对某一主题开展大作业形式的课程设计，组内组间同学讨论合作；教师讲授和学生汇报两部分构成讲授内容；教学过程课内课外协同，用过程考核评价学生表现。

（1）教学案例作牵引、学生研究性学习、强调系统性和综合性。首先，教师精炼最新的案例库，在发动机、传动系、底盘、车身电控等四大应用模块中，各找出1～2个控制系统的案例，深入讲授。然后，让学生扮演系统设计总工程师甚至整车开发总工程师的角色，从系统和整车的全局角度来分析问题，运用数学、机械、汽车构造与理论、电工控制等多学科知识，贯穿“建模—仿真—控制—验证”整个流程。

（2）以学生为中心、小组参与式学习、课内课外协同。根据“三人一项”的形式，为学习小组分配代表性的研究主题，优化小组成员的分工协作，改善“问题分析—设计—验证—报告”一系列活动中教师和学生的互动形式。课内讲授和讨论最精炼的内容，引导学生在课外继续查阅文献，完成问题的理解、分析、求解和验证过程，这其中通过课程网站、课代表等渠道与教师进行定期沟通。

（3）“教师＋学生”组合讲授。通过“教师先引导、小组再补充”的流程，由教师讲授和小组汇报来组合完成模块学习。教师讲授本模块中最核心的内容，辅以案例。学生小组首先阅读和消化其他主题内容，通过项目演练和PPT演讲，直接作为教师讲授内容的有益补充。

2.具体实施方法举例

具有现场感的课堂测验与讨论（2011年6月3日课堂内容）。

（1）主题设计:

本例中设计的测验题目如下。根据“工程问题来自于日常生活的体验”的教学设计宗旨，案例直接就来自于新闻报道，而且社会上对此案例的讨论已经非常激烈。作为汽车专业的学生，有必要从专业的角度进行独立思考。将其作为测验题目，一则可以激发学生的学习热情，二则与课堂主题“车身电控系统”非常切合。

测验题目:

“2011年6月1日上午，杭州翠苑二区发生一起事故，年仅20岁的盛小姐驾驶一辆白色轿车冲入河中，由于安全带阻挡，围观群众拉不出来，等消防赶来，已经酿成悲剧。事故造成她大脑缺氧30分钟，情况十分糟糕。而她在18天前刚拿到驾驶证，之前她反复考了7次才通过驾考科目二（桩考加场考）。从目击者的现场还原来看，发生事故的主要原因可能是司机错将油门当成了刹车。”

“油门当刹车”酿成的事故很多，尤其在新手数量较多的中国更是严重。针对目前轿车的油门和刹车踏板设计现状，提出利用电子控制系统来改进设计的思路。

①如何改进系统的设计？

——比如增加“女性尖叫刹车系统”？无论踩刹车还是油门，只要尖叫，就是刹车？

②从控制系统工程师的观点，请提供:

——你的创新思路？

——项目计划:从头脑风暴图到设计流程图？

——控制系统设计:关键问题？

——分析系统集成的关键问题:零部件？匹配问题？用户界面？

（2）案例初释:

教师对测验的内容、背景和要求等方面进行解释，如驾驶员因素（喝酒、新手）、停车场环境（陡坡、外在因素干扰）。教师对问题进行适当简化，对需考虑因素给定范围，保证学生可以聚焦地去解决主要问题。学生答案不限形式，但尽可能要涵盖问题的主要方面。

（3）学生答题:

独立完成测验设计，用时20分钟。期间，教师根据学生到课情况、座位情况，对之后的讨论进行分组、协调。

（4）互批答卷:

回收学生答卷，学生分组互相批改答卷，用时10分钟。首先，将60份试卷分成6组，6组之间相互交换学生答卷，互相批改。然后，向学生指出各项评分标准:思路创新性、思路可实施性、设计可用性、回答的完整性等。每项满分25分，进行评分。

（5）作品讨论:

对6～10个优秀学生作品进行评价、讨论，用时45分钟。

①组织6组同学进行内部相互讨论，对本组10份答卷的设计进行交流、评价，找出1～2个意见比较一致的优秀作品。评选过程尊重学生的观点，以每组投票的形式来角逐。教师在6个组之间来回巡察，不断加入组内的讨论，激发学生提出自己的看法，引导他们以系统性的思路、从多个角度提出问题。

②优秀作品的分享。批卷者指出创新之处，原创者指出设计过程。其他同学提问，指出优缺点。鼓动每位同学提出自己的想法，或赞扬，或批评，或反驳，但都以“工程难题是否解决”作为出发点。为了提高效率，对相似作品一起评价，对创新设计思路进行重点讨论。

③针对学生答卷中存在的不足，如果其他学生未能补充完善，教师要进行补充。例如，学生的思路一般不会涉及系统建模等基础性问题，教师要根据学生的思路进行补充讲解。

（6）课后完善:

作为课后大作业之一，以小组为单位，对所提想法进行完善。鼓励学生综合所学各门课程知识（如机械原理和设计、PROE三维制图、电路原理、汽车构造等），以丰富多彩的形式提交大作业成果。根据设计的复杂程度，学生用时从1小时到若干小时。

（7）课堂讨论总结:

第2次课堂，教师针对课后作业的批改情况，再次以更完整的思路对大作业进行评点，耗时15分钟。评判标准仍以4项为主，着重评价其创新性和思路的清晰性，而对制造成本等方面不予过分关注。

由于案例难题是尚未解决的实际问题，教师给予必要的指点，发动大家的思考，是对创新思维的良好锻炼。测验环节结束后，部分同学的想法十分有新意，甚至尝试去申报专利。部分同学的设计作品如图1和图2所示，充分体现了他们想法的新意，此外他们还主动进行了作品模型的仿真验证。

图1　设计作品1——汽车浮力气囊系统

图2　设计作品2——基于驾驶员尖叫声感测的主动安全系统

3.教学方法特点分析

（1）案例教学法带动课堂氛围，基于问题的学习培养了学生的职业责任感和荣誉感。案例来自于社会事件和工程实际，教学具有现场感。学生乐意扮演“总工程师”角色，根据自己对问题的理解和剖析，综合所学知识（如传感器、控制器、汽车方面）以及个人喜好，提出独特的解决方案，并能根据规范流程进行设计开发和仿真验证。从后期反馈来看，这种“从课上延续到课后，又返回到课上”的教学模式，让他们感到自己的想法得到了关注和赞赏。这种类似于游戏中角色扮演的做法，易于培养学生的专业荣誉感和职业责任感（“作为一名汽车专业人员，应该如何为人类设计更好的汽车？”）。

（2）团队学习和项目学习可提高教学效率、节约教学学时，同时培养学生的系统性和创新性思维。以2～3人的学习小组为单位，为每个小组分配不同内容方向的研究项目，引导他们根据规范的流程完成系统设计分析和验证。把一个想法从最先的头脑风暴图，慢慢细化、清晰化，到一个概念示意图，甚至建模分析的方法流程，对其系统思考的能力培养十分奏效。此外，由于有效地发动了教学主体（学生）的积极性，合理分配各小组项目内容，把资料收集、设计分析、讲授讨论等环节任务细化到各个小组，显著地提高了教学效率，部分程度上可解决“学时不足导致的讲授主题范围偏窄”的弊端。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

无期末考试。考试成绩分为四部分:

（1）课堂表现10%:包括出勤，对教师讲授和学生讲授内容的提问、讨论参与情况。

（2）课后作业20%:结合每次课堂讲授内容布置。

（3）课堂测验20%:主要考查基础性知识的掌握情况（如控制理论基础知识），以及对实例测验问题的分析解决能力。

（4）小组项目大作业50%:

主要包括大作业和演讲汇报综合考核，分为现场打分和汇报材料打分两部分。强调现场打分，包括汇报格式规范、思路清晰、表达流畅程度，对提问的应对能力，团队成员的协调能力。在材料打分方面，主要为大作业报告及其演讲汇报材料的评判，主要评估项目对所选主题的理解是否透彻，是否抓住了问题的本质，是否具有创新性，是否完成了系统建模—仿真—控制设计—仿真验证的整个流程。

2.支撑手段

（1）案例库建设:收集具有代表性、最新的教学案例。例如，在建模—控制设计方面，难易适中，易于利用MATLAB等软件对照练习。通过实践积累，对60组以上的小组项目实例进行了整理，可作为后续教学过程中学生的辅助材料。

（2）课程网站建设:设计专门课程教学网站，提供各种实例文件的在线学习和下载，同时可以满足学生和教师的在线交流用途。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

该教学方法在2009年课程开始实施，至今已实施4年，平均每年60名汽车专业本科生受益。通过4年来的学生反馈改善，现已得到一定程度的完善。由于强调系统性和综合性，本课程在培养学生针对工程问题的“寻找—发现—分析—设计—验证—解决”方面，取得了一定的效果。学生的典型评价如下。

“学习中，每节课课后布置的作业以及reading，需要查阅大量的文献资料，自己都能很好地完成，应该说很大程度上锻炼了自己的文献资料查找能力、自我学习能力以及学习归纳能力……”（王伟明，2008级，学号3080103038）

“Brainstorm是一种很好的思维习惯，不仅仅在科研，在生活中亦能发挥极大的作用。一个人，一个团队思考问题都应该系统化，知道自己的方向和目标，并将其细化，直至产生每一个合理的、可行的子目标，再付之行动。……同学间的交流有时候更能吸引注意力，并且通常同学间提出的问题都恰恰是我们最集中的问题，所以展示结束后解决问题的时候大家都能受益匪浅。”（刘瑞骏，2008级，学号3080104504）

“每次让大家（针对小组汇报）提问题这个想法还是挺好的，每个人都有自己关于汽车的问题，这就相当于给了大家一个平台去解决问题。以前大家和老师的交流几乎是没有的，基本就是下了课就走，就是有问题也不大会去问的。”（江冬冬，2008级，学号3080102530）

“通过团队的协作，不仅学到了课程内容的知识，也懂得了如何与别人交流与沟通；另外，对于个人而言，除了应付平时的小组任务，协调好组员之间的关系之外，还要不断充实自己。”（杨振伟，2008级，学号3080102731）

2.推广性分析

本课程教学方法的改革主旨是发动学生积极性，扮演总工程师角色，综合利用所学知识，尽可能考虑多方面因素，尝试以专业的角度、系统的流程、创新的思路去解决工程实际问题。它主要通过教师案例引导、学生—教师共同讲授等方式激发学生自主学习，培养其系统思维和创新思维，提高团队协调合作能力。该方法要求积累足够的案例，学生在各环节中可能均需要教师的指导，对教学团队要求投入足够的时间、精力和耐心。如针对不同专业进行适应性的调整，相关工程类课程可以借鉴或推广使用。

六、课程教材及实验参考书

本课程属于双语课程，以主讲教师翻译出版的教材为主教材，原版英文教材作为辅助学习材料。此外，针对学习研究小组方向，提供本领域经典论著材料；提供课堂主干内容相关的论文和多媒体素材；在课程网站上提供链接。教材如下:

［1］Kiencke U，Nielsen L.汽车控制系统:发动机、传动系和整车控制.李道飞，俞小莉译.北京:高等教育出版社，2010

［2］Kiencke U，Nielsen L.Automotive control systems:for engine，driveline，and vehicle.Berlin:Springer，2005