ADAMS在“汽车概论”课程教学改革中的应用

王 佐 柳美玲 郭家伟 韩飞坡

（马鞍山学院 大阪医工学院，马鞍山 243100）

1 汽车类课程教学现状

随着国民经济的发展和劳动力成本的提高，中国作为世界工厂的地位发生变化。只有靠技术的不断进步和创新，我国才能从制造大国转变为制造强国。2009年之后，我国汽车生产量和销售量均超越日本和欧美等国家，跃居世界首位。我国的汽车整车和零部件企业只有靠技术的不断进步和创新，形成世界一流的技术研发体系和技术原创能力，才能在激烈的竞争中立于不败之地。随着汽车及相关产业成为我国的经济支柱，了解并掌握汽车相关构造知识成为当代大学生必须拥有的技能[1-2]。目前，很多公办及民办高等院校的非汽车专业开始相继开设“汽车概论”课程。“汽车概论”作为一门非汽车专业类必修选修课，主要讲授汽车动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性和通过性等汽车性能的概念、建模、评价和计算方法。该课程的学习不仅有利于拓展学生视野，锻炼学生综合素质能力，还有利于提高学生的择业竞争力。此外，汽车类选修课程涉及的相关机械原理与设计、力学、控制理论及传感器等学科知识，也为今后专业课程的学习奠定了应用基础。

2 传统“汽车概论”教学模式

随着我国经济社会的快速发展和高等教育大众化进程的不断推进，民办本科教育顺应时代发展潮流迅速发展壮大。截至2019年6月，全国共有高等本科学校共计2 688所，其中普通民办高等学校有773所，占比超3成。民办本科教育最初仅作为公立高等教育的有益补充，如今已经成为我国高等教育的重要组成部分，极大地满足了青少年上大学的愿望，深刻改变了我国高等教育集中在大城市的结构布局，在我国高等教育迈向普及化的进程中发挥了重要作用。近年来，随着民办本科院校的不断加大投入，它的整体办学条件迎来了一轮大建设、大发展、大提高，但仍面临经费总量不足、渠道来源单一、设施设备不足等现实问题，集中反映在教学模式上[3-6]。

以“汽车概论”在民办本科院校教学为例，民办本科高校教学经费有限，很难提供汽车模型来验证课程讲授中所涉及的相关汽车构造及运动原理，因此学生只能通过课堂讲授及教材来理解汽车原理、构造及性能等知识点，很难形成直观的感受。此外，“汽车概论”课程中还存在大量物理模型、运动学求解以及机构原理解析等抽象理论，造成部分学生感觉内容空泛，学习空洞、知识点抽象，久而久之学习效率低下，甚至产生抵触情绪。

鉴于上民本本科院校在“汽车概论”课程教学中存在的问题，授课教师应积极思考如何将新技术恰到好处地应用在汽车概论课堂教学中，从而提高教学质量。为此，参考一些学者的相关研究[7-9]，结合自身教学实践探索出的不同的教学方法，在“汽车概论”课程教学中引入机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）仿真软件，对该课程中所涉及的机构进行建模仿真，并进行动力学分析、动画模拟等。采用这种直观化的教学方法来提高学生兴趣，将晦涩难懂的理论知识以可视化的方式呈现给非汽车专业类学生。

3 “汽车概论”教学模式改进

3.1 ADAMS仿真软件简介

ADAMS即机械系统动力学自动分析，是美国MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件。ADAMS是一款集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机仿真软件[5]，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统集合模型。它的求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。运用ADAMS软件可以建立复杂的机械系统模型，真实仿真其运动过程，通过提供的虚拟试验和测试，迅速分析和比较多种参数方案，帮助设计者找寻设计问题，提出改进措施，优化工作性能。ADAMS仿真软件在机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器以及石油化工等领域得到了越来越广泛的应用，其中ADAMS/Car车辆模块可以创建汽车悬吊系统、整车装配，直观地向用户展示了汽车模块的仿真与设计[10-14]。

在“汽车概论”课程讲授中运用ADAMS软件对所设计汽车原理及构造等相关知识进行建模仿真，可以使抽象的内容图像化和清晰化、运动过程分析简洁化、力学性能影响直观化，极大地增强了学生的学习兴趣性，有利于巩固知识点掌握的牢靠性，活跃课堂教学氛围，提升教学成果，使教学过程更具开放性和互动性，真正做到理论知识与工程实践的结合。

3.2 ADAMS仿真软件在课程教学中的应用实例

以“汽车概论”课程教学中的汽车悬吊系统为例，分析对比传统教学模式与ADAMS仿真软件在课堂中的应用教学模式。

3.1.2 传统的教学模式

传统“汽车概论”课程中悬吊系统教学首先讲授悬架的作用，其次向学生传授悬架系统的基本工作原理及结构，最后通过图片及视频向学生展示悬吊系统工作过程。这种传统的抽象教学模式很难让学生深刻理解悬吊系统的基本组成和不同路面工况下悬吊系统如何缓冲吸收振动，造成学生理解困难、缺乏兴趣，很难深入探究汽车悬吊系统在其他学科中的应用，不能做到学以致用。

3.2.2 改进的教学模式

在讲解完汽车悬吊系统基本概念后，引入ADAMS仿真软件。首先，利用ADAMS仿真软件创建如图1所示的悬吊系统物理模型。创建过程中向学生直观展示悬吊系统的基本组成构件和如何装配。

图1 悬吊系统物理模型

其次，通过建立的物理模型讲解悬吊系统是如何完成工作的。为了使学生更加充分地理解悬吊系统工作原理及其在汽车行驶过程所起的作用，在建立汽车悬吊系统物理模型中输入车辆参数并设置仿真参数进行仿真计算，通过回放功能向学生展示悬吊系统运动动画，同时在后处理模块创建平行轮轨迹曲线，如图2所示。

图2 平行轮轨迹曲线

最后，创建工况，分析不同工况下汽车悬吊系统如何进行缓冲吸振。第一步进行推力参数设置，第二步设置仿真参数，第三步选择回放，单击动画控制并开始仿真。仿真结束后进入后处理模块，输出转向轮扭矩与转角关系曲线，如图3所示。

图3 转向轮扭矩与转角关系曲线

还可以根据学生知识掌握情况，向学生传授修改悬吊系统物理模型参数，分析对其缓冲吸振功能的影响和弹性体对悬吊系统及整车装配的影响。

3.2.3 教学效果评价

为了对比分析传统教学与改进后的教学效果，设计了问卷调查[15]，根据“汽车概论”课程实际授课情况，从案例设计和教学实施效果两个方面的18个问题出发，将每个方面进行细化，通过五级量表评价形式来评判两种教学模式效果。调查问卷表如表1所示。

表1 教学效果评价调查问卷

本次调查选取近4年学习过马鞍山学院“汽车概论”课程的本科生，但以本学期课程学习的学生为主要调查目标，共回收有效问卷180份。调查发现，在“汽车概论”教学中，学生更倾向于动画及仿真案例呈现方式，占比达88%。该种案例模式生动具体、直观易学，能增强学生对知识点的记忆，对于提高学生参与度、逻辑 思维能力、沟通表达能力、团队协作能力及学习自主能力有显著帮助。

4 结语

“汽车概论”作为非汽车专业类学生的一门专业必选课，教学内容偏于抽象及理论分析，对机械系统模型、力学性能解析以及运动学分析理解要求较高，对部分学生而言晦涩难懂。因此，如何提升课堂教学效果是授课教师亟待解决的问题。在“汽车理论”课堂教学中引用ADAMS运动学仿真软件，可以使抽象的内容图像化和清晰化、运动过程分析简洁化、力学性能影响直观化，极大地增强了学生的学习兴趣，有助于巩固知识点掌握的牢靠性，活跃课堂教学氛围，提升教学成果，使教学过程更具开放性和互动性，真正做到理论知识与工程实践的结合。