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计算机模拟在汽车理论教学的应用

2019-11-08 15:51 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

摘要:《汽车理论》课程理论性较强,传统教学过程显得枯燥乏味。围绕计算机模拟教学方法的类型、学生的参与、与理论教学、试验教学的关系,以及存在的困难四个问题进行分析探讨,结果表明计算机模拟教学方法可以增加汽车理论教学的直观性,提高学生的学习兴趣。

关键词:教学;汽车理论;计算机模拟教学;学生参与

汽车理论是理论性比较强的课程,其中涉及到大量的公式推导,这使得学生对这门课感觉比较枯燥和乏味[1]。同时由于汽车的动态响应通常采用微分方程表达,其计算结果往往是一条曲线,很难与车辆的实际运行状态联系起来,学生难以直观地感受车辆的状态变化。如何既让学生掌握汽车理论中的研究问题、研究方法,同时又将结果更直观地展示出来,是汽车理论教学中较难解决的问题。计算机模拟是汽车理论研究的重要方法之一,汽车理论研究中涉及到的大量运算,可以借助计算机的高速计算得到结果[2]。在汽车开发中,采用计算机模拟方法可以方便地改变模型或外界条件参数,这些结果可以作为实际试验的参考,因此,现在一些汽车研究机构已将计算机模拟作为人才招聘的必备技能之一[3]。所以在汽车理论教学中很有必要将计算机模拟方式引入进来[4]。现在很多与车辆有关的仿真软件通过多媒体技术可以直观地展示给学生,可以有效地提高理论教学的直观性和生动性[5]。

1计算机模拟教学方法的类型

汽车理论教学中采用的计算机教学方法主要分为三种类型,一是采用ADAMS软件进行教学,二是采用Carsim软件进行,三是采用MATLAB进行仿真计算。其中ADAMS软件属于多体动力学软件,该软件需要建立车辆的实际机械结构模型,由于车辆的结构非常复杂,这对系统的实时仿真造成了很大的问题。而且汽车理论中往往将汽车的某些参数集中考虑,并不是机械尺寸或者机械参数。比如侧偏刚度,这些参数难以在ADAMS软件中直观地体现出来,因此该软件通常只用来展示某些汽车试验的响应。另外一种方式是使用MATLAB软件进行模拟,MATLAB软件是研究工作中最常用的仿真软件,它属于编程语言仿真软件。这种编程语言类的模拟方式,可以与课程中的理论推导结合起来。比如汽车操纵稳定性教学中的对汽车转向特性的研究,在根据理论推导出车辆的二自由度模型后,可以采用MATLAB编程计算得到车辆的响应曲线。在进一步需要对其中的参数如轮胎侧偏刚度的影响进行分析时,由于这些参数是直接包含在模型中的,所以可以方便地进行更改。采用MATLAB软件可以方便地以曲线的形式展示汽车理论课程中的计算结果,并进行直接对比。但MATLAB软件得到的结果只能是曲线轨迹,对学生来讲仍然是抽象的。为了降低学生的理解难度,需要在操纵稳定性方面给学生更为直观的感受,这就需要动画演示。动画演示的实现一方面可以使用前述的ADAMS软件进行,另外也可以采用Carsim软件进行。Carsim软件中集成了车辆动力学模型,该模型与汽车理论中得到的模型最为接近。汽车理论中的稳态转向、过度转向等问题,可以采用Carsim软件进行仿真并动画演示,通过直观地展示车辆的响应结果,能够使学生获得更深的理解。在教学中,还可以更改模型中的参数,获得不同车辆的动态响应。作为专业的车辆动力学软件,Carsim还可以模拟汽车的多种实验,如对开路面ABS效果试验、转弯制动试验、双移线试验等。甚至在软件中可以增加驾驶员环节,在车辆稳定性研究涉及到的试验中,就可以通过设置不同的转向输入进行比较。这些试验使得汽车理论教学中视觉上的解释更为明显,也更能唤起学生的兴趣。

2计算机模拟教学中学生的参与

传统的教学模式下,教学过程包括教师、学生和教材三个主要要素。学生只能被动地接受老师的理论灌输,缺少主动性。计算机模拟教学,一方面可以由老师在课堂上来进行模拟,给学生进行展示,另一方面也可以由学生参与完成,通过学生的上机操作,自己获得车辆的动态展示。由于计算机模拟相对于实际试验操作更为简便,所以,在教学中可实施性更强,学生可以人手一台电脑进行实际操作。在该环节中,由于学生属于主动参与且结果显示比较生动,所以大部分对此比较感兴趣。同时由于在计算机上模拟车辆响应可以实施考核,因此也可给学生提出硬性指标,让学生实际操作,加深学生对汽车理论的理解。

3计算机模拟教学和理论教学、试验教学的关系

把计算机模拟穿插到传统的教学模式中也是在实际教学中需要重点关注的问题。计算机模拟教学方式由于其固有的特点无法完全替代传统的理论教学和试验教学。理论教学更多的是教给学生分析问题的方法,并要学生掌握其中的逻辑性。而试验教学则是学生学习与汽车理论相关的试验方法,是工科学生的必备环节。即使如此,计算机模拟教学依然可以提高学生在这两方面的理解程度,比如在理论推导获得系统的微分方程后,计算机模拟可以帮助学生直接获得计算结果,加深学生对车辆响应的理解。而计算机模拟教学对试验教学的促进作用则主要表现在,实际试验中有些条件是很难去改变的,但计算机模拟可以设置不同的试验环境,做更多的不同条件下的试验,其中包括做很多实际中无法进行的试验,并给学生直观的感受。

4计算机模拟教学存在的一些问题

计算机教学中存在的主要问题是需要学生学习模拟软件,这对大三的学生来讲,稍微有些困难。解决的方法是在教学中减少软件的学习量。在前述部分,介绍了三种软件进行计算机模拟教学,但实际上学生只要掌握其中一个软件就已经比较吃力了,所以教学中只能最低限度地要求学生掌握一种软件,比如仅仅学习能够进行动画展示的Carsim软件,而不去专门学习MATLAB软件。另外一种解决方法是在车辆相关专业的本科生培养方案中增加计算机仿真课程,主要讲授MATLAB软件的使用方法。对于本科生而言,已经接触了C语言等计算机编程的基础知识,学习MATLAB语言,并不是很难。同时在汽车理论教学中,可以通过提供示例程序等,降低学生的学习难度。除此以外,可以考虑在车辆相关专业中专门增加汽车仿真课程,该课程给学生讲授诸如Carsim等的专业仿真软件,在专业内完成仿真课程的教学,

5结语

计算机模拟教学可以以直观的方式展示给学生,还课提高学生的参与程度,通过与传统理论教学和实验教学相结合,可以有效地激发学生对该理论课的学习兴趣,加深对汽车理论的理解。但在教学中需要注意学生学习软件时的困难,在实际教学中需要降低软件学习的要求。

参考文献

[1]隗寒冰,李军.基于AVL/Cruise仿真平台的汽车理论实验教学改革研究[J].科技信息,2010,29(10):584-585.

[2]包凡彪.《汽车理论》课程实践教学改革研究[J].价值工程,2011(33):227-229.

[3]杜峰,关志伟,刘春辉.软件仿真技术在汽车理论教学中的应用实践[J].2015,25(2):58-62.

[4]鲁力群.项目驱动下的汽车理论课程改革及实践[J].大学教育,2013(16):86-87,118.

[5]李玉芳,翁建生,赵万忠.研究生专业知识体系基础构建方法[J].科技信息2009(15):503.

作者:徐哲 路世青 陈莹莹 黄泽好 单位:重庆理工大学

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