产业转型升级中的教学改革
——以“汽车设计”课程为例

谢继鹏，赵振东，蔡隆玉

在《中国制造2025》规划提出：“部署全面推进实施制造强国战略，推动制造大国向制造强国转变，推动产业结构迈向中高端。”汽车工业是我国现代制造业的支柱产业，当前正是由“中国制造”向“中国创造”转型的关键时期［1］126，发展重心转向强化整车研发能力，掌握核心关键零部件自主化技术，实现汽车产业的节能、环保和可持续发展。虽然中国自2009年起成为世界上汽车产销量最大的国家，但是自2018年以来，在各方面因素的影响下，全球汽车产业进入深度调整期，2018年国内的汽车产销量同比28年来首次出现负增长［2］，2019年汽车产销更是同比下降7.5%和8.2%［3］。近年来，不仅汽车行业内部充满博弈与竞争，而且许多造车新势力也参与进来，在此巨变之下整车制造商（OEMs）面临着生死存亡，因此整车制造商更加重视新车型研发与品牌建设，也在摸索新的发展方向，对专业人才的要求更是发生着前所未有的改变。

一、“汽车设计”课程改革的必要性和重要性

1.“汽车设计”课程教学改革的必要性

新形势下汽车产业的OEMs，不仅需要人才，而且对符合企业今后战略发展方向的工程技术人员求贤若渴，但当前我国人才供给与产业转型升级需求的结构性矛盾突出，教学内容与企业需求错位。教育部副部长杜玉波在“高等教育要更加适应经济社会发展需要”一文中也指出：“无论是制造业的转型升级、战略性新兴产业的振兴、现代服务业的发展、全球资本和金融竞争、对外贸易方式的转变，创新都是最核心的动力，人才是最核心的资源。为经济转型升级提供高层次人才和高水平科研的支撑，是大学最重要的历史使命和战略任务。”［4］培养符合国内汽车行业发展现状及未来需求的汽车高端专业人才是保持我国汽车行业今后可持续发展的重要保障［1］126。一方面，国内高校主动适应汽车产业转型升级对专业人才需求的新变化，调整和优化人才培养方向［5］。另一方面，以课程建设为抓手，加快课程教学内容与方法改革［6］，缩小教学内容与行业发展差距，提升学生的设计开发能力，适应汽车行业发展的需求，是车辆工程教学改革的重要内容。

“汽车设计”课程是车辆工程专业的核心课程，然而当前《汽车设计》教材、课程教学的内容和模式多年来更新较慢，已明显落后于工程实际和当前汽车产品开放与设计现状，尤其是车辆产品的设计开发流程、碰撞安全性、减振降噪、无公害排放等关键性能设计内容的缺失，造成教学体系的不完整，不利于车辆专业学生设计能力的培养，更限制了学生就业后能力的发挥。因此，对“汽车设计”课程教学内容的调整与更新，以提高学生对汽车产品的工程开发能力从而满足新形势下汽车行业用人单位的需求变化。

2.“汽车设计”课程在车辆工程专业学生知识体系中的重要性

大多数高校将“汽车设计”课程安排在大四上学期，表明该课程位于学科知识体系金字塔的最顶层，是车辆工程专业课程的精髓所在［7］。通过本课程学习培养学生掌握先进和系统的设计方法，能运用现代设计工具，基本具备分析和解决汽车领域问题的能力，并具有潜在的产品开发能力。“汽车设计”课程培养车辆工程专业学生的汽车产品系统开发能力是其他专业学生在知识体系上所不具备的，是车辆工程专业学生在就业初期优势所在。在汽车产业新形势下，“汽车设计”课程讲授学生掌握的不仅是具体结构的详细设计，而且是产品开发流程、设计规范与标准、面向产品全生命周期的开发设计方法与体系，这也是本课程应对汽车行业新形势挑战的重点教学内容和关键应对策略。

二、“汽车设计”课程教学面临的问题

1.师生对“汽车设计”课程的重要性和地位认识不足

受限于教材的单一性和传统教学模式的传承，教师在教学实践中易将“汽车设计”课程教成“汽车结构设计”。课程教学中未探讨汽车作为大件消费商品本具有的机—电—液、控制、材料、性能、人机交互和安全标准等设计元素，课程教学中更缺乏将这些汽车设计元素梳理、总结、融合到产品开发流程、产品性能设计和产品的开发方法中。这些都限制了师生对“汽车设计”课程的重要性和地位认识。在培养方案调整时受原课程体系和教学内容的限制，需要考虑到的是缩减产品设计类的课时，增设其他课程来补充［1］129，其后果是进一步降低了“汽车设计”课程的地位。本应通过“汽车设计”课程培养学生掌握完整的开发与设计方法及解决问题的能力，实际并没有达到，车辆工程专业学生失去了汽车产品开发能力的潜在培养机会。

2.教学内容体系不完整且不适应汽车系统与性能开发需求

通常教学内容围绕教材开展的，因经典教材内容更新慢、系统性差，不能及时跟上汽车工业快速发展的需求［8］。“汽车设计”与“汽车理论”是车辆工程专业的核心主干课程，将这两门课程的经典教材放到一起后会发现，现代汽车产品开发过程中产品的设计流程、碰撞安全性、减振降噪、无公害排放等关键性能设计的教学内容缺失了。而对普通应用型本科院校来说，专业课程的教学课时已经超标，不可能再开设新课程额外补充这些琐碎知识。以至于车辆专业的学生毕业后，对汽车设计过程仍然很陌生。在汽车产品快速更新换代的现状下，学生缺少车辆产品系统性开发能力的培养与训练，职业生涯初期适应性较差。

3.汽车设计方法的教学内容过于保守不能满足行业需求

现代汽车设计方法已不再局限于材料力学的静强度设计，原教学内容中关于材料力学的详细校核设计已无法满足现代汽车日益复杂三维结构与多工况载荷的精细化设计需求，且这一设计手段在“机械设计”等课程中有较详细的介绍，原有“汽车设计”课程中只是针对具体结构的详细设计而已。因此，教师在课程教学中可简化结构的详细设计计算，突出汽车产品形式对比和工况与载荷设计依据的确定，具体结构的详细设计可在课程设计环节实现，并待学生进入研发、设计岗位后进一步积累。

汽车的动态设计、可靠性设计、材料/结构/性能等多学科一体化设计方法已广泛应用于汽车工业中。同时，汽车设计已延伸到产品的全寿命周期。三维数字化结构设计早已在汽车行业中普及，随着三维设计平台的拓展，原本属于技术专家掌握结构的有限元分析、多体系统动力学分析及疲劳分析等技术正在向工程技术人员转变，今后的汽车产品开发过程中将要求设计人员具有产品全寿命周期开发的能力。因此，课程教学内容应适度补充现代汽车设计方法的内容并贯穿于课程中。

4.教学方法单一，教学效率低和效果差

在与多所兄弟院校的“汽车设计”课程教学研讨中，多位教师共同的感慨是教学中要面对的窘境，即大四学生会有就业、考研、公考、出国等情况，学生精力分散、课堂学习积极性不高。这就需要破解以“教师为中心”的课堂讲授，学生被动接受知识的低效教学模式，由被动为主动，多种教学手段和模式实施于教学过程中以调动学生的积极性和主动性，但这些也需要一线教学的教师付出更多的精力。

三、“汽车设计”课程教学内容与方法的更新与优化

1.以载荷设计为主线，保留精华并压缩和深化原有课程教学内容

教学内容的改革不是对原有教学成果的全盘否定，而是保留其精华，将不适合行业发展迫切需求的部分压缩，并适当的加以深化和总结。由于汽车工作原理和构造没有本质的变化，对传统结构设计部分仍应保留原有大致脉络和体系，将此部分分别设置为汽车总体设计，以传递发动机扭矩的分系统（如离合器、变速器、万向传动装置和传动轴、驱动桥和轮传动边装置等）合并为传动系统结构设计，以保证汽车稳定行驶的部分（如悬架、转向、制动等系统）合并为行驶系统结构设计。

在“汽车设计”课程教学改革的探索中，诸多学者提出在原有结构设计为主的“汽车设计”课程中增加仿真分析等项目案例化教学［9-10］，如有限元法在汽车中的应用。他们也认识到：只有准确的边界条件、工况载荷和精确的几何结构才能保证仿真模型的有效性。因此，工况与载荷设计依据的确定在汽车结构设计中尤为重要。

对于总成结构的工况与载荷设计依据可总结为三方面：其一，经离合器、变速器、万向传动装置与传动轴、驱动桥与轮边转动装置等将发动机扭矩传递到车轮的传动系统的载荷设计；其二，由路面不平并依次传递到车轮、制动系统、转向系统、悬架系统、车桥、车架等底盘结构的载荷设计；其三，车身发生正面碰撞、侧面碰撞和行人保护等车身结构的碰撞载荷设计，包括碰撞载荷规范、车身（或车架）吸能结构和约束系统设计等内容。

工况与载荷设计依据对各分系统的设计具有统领性的，应将其设置在各分系统设计之前，以提高学生对汽车产品开发与设计的认知高度。对总成结构设计部分的介绍采用以工况与载荷设计依据为主线教学有诸多的好处：其一，可以压缩传统结构设计的课时；其二，讲授统一的工况与载荷设计依据，举一反三，避免陷入细节的穷举中；其三，工况与载荷设计依据厘清后可与先进工程分析软件相结合，融入全生命周期的数字化模型中。

2.补充和完善汽车性能设计和新兴技术的教学内容

安全、节能、环保是汽车产业发展永恒的三大主题，鉴于原有的教学内容上的缺失，造成学生知识体系的破碎和不完整，需对教学内容进行额外的补充和完善。

首先，在教学内容上增加了与汽车产品开发紧密相关的安全性设计部分，这部分内容包括：汽车碰撞发生过程及主被动安全性技术、汽车碰撞安全法规及试验、人体生物力学的乘员伤害评价、正面碰撞、侧面碰撞和行人保护等内容。

其次，随着汽车保有量急剧增加，汽车的环保性能越发受到公众的关注和重视。汽车排放对大气的污染、汽车噪声对环境的影响已构成汽车的两大公害。随着国家第六阶段机动车污染物排标准的提前实施，加紧研究解决有关与污染排放问题。因此，在教学内容方面急需补充与此相关的振动与噪声(Noise、Vibration、Harshness，NVH）性能设计和尾气排放的后处理技术内容。汽车NVH 性能设计包括：整车NVH 性能与整车的关系、NVH 性能评价、NVH 性能设计开发流程和NVH 性能设计的关键要点等。尾气排放后处理技术主要包括：排放后处理的主要技术路线、汽油机和柴油机的具体设计问题。

再次，汽车的性能设计是相互矛盾的，性能之间要进行取舍。汽车的轻量化是减少燃料消耗和减少机动车废气排放的有效途径，然而轻量化又会引起汽车的振动与噪声问题、碰撞安全性问题。因此，轻量化技术与减振降噪和碰撞安全性能之间是相互矛盾的，这就将单一的从汽车结构设计发展为材料、结构、性能等多学科一体化设计的趋势。轻量化设计必须补充包括：材料轻量化设计、结构轻量化设计、制造工艺轻量化设计、轻量化设计优化方法等内容。

最后，在汽车新能源革命的大时代，电动汽车显得尤为重要，电动汽车设计的相关核心技术与难点等知识急需对学生进行普及。同时，随着汽车电控系统广泛使用，为控制系统提供了数据的来源，而深度学习的兴起又为汽车环境感知提供了技术支持。随着5G 技术的成熟与应用，通信速率的进一步提高，解决了决策延时等问题，智能网联的无人驾驶车辆将成为新的发展热点，这些技术如何与“汽车设计”课程相融合，车辆专业学生如何占有一席之地或引领这些技术在汽车产品开发与设计中应用，这些都有待教师在“汽车设计”课程中研讨，为学生建立更广义的汽车产品开发与设计理念。

3.先进设计方法、设计规范和标准贯穿于全课程

“汽车设计”课程的教学要紧跟现代汽车工程技术的发展，将现代汽车行业中先进的设计方法与工具应用到课程教学中。三维模型技术包括：三维结构设计、有限元仿真分析、多体系统动力学分析、流体分析、碰撞仿真、疲劳分析等。因数字模型在样机的设计、试制和性能评价中可以减少实物制作的次数，可节省大量的人力、物力、财力成本，目前已广泛应用于汽车行业中。不同结构和性能对设计方法与工具的需求也不一样，这就需要在教学过程中将设计方法与工具贯穿于全课程。此外，汽车结构与性能是在各类不同规模的数字模型中逐步优化设计得来，优化设计方法也应在课程中进一步的介绍。

在设计规范和标准方面：一方面，各国通过强制性国家标准以法律条文的形式对某些内容进行限制和约束，某种意义上推动了汽车技术的快速发展与创新；另一方面，整车制造商、汽车行业学会与组织、专家和学者们已研究和制定了大量汽车产品设计规范和标准，这些规范和标准是学生踏入汽车行业的必备知识。教师应将这些内容在课程教学的各个环节潜移默化地传递给学生，如驾驶舱设计中涉及诸多人机工程学紧密相关的规范和标准，通过产品校核设计的实例将国家强制性标准、行业设计标准和产品设计规范等内容传递给学生。

4.探索教学内容更新后的教学方法

（1）教学方法与更新后教学内容的适配。“汽车设计”教学的内容已进行了较大程度的更新，包括传统结构设计内容、汽车性能设计、新型驱动方式和新技术，以及开发流程、设计方法和设计规范与标准等内容。这些不同的内容应采取不同的教学方法并配以不同的辅助课程进一步开展和深化。针对传统结构设计内容，采用理论教学与课程设计相结合的教学手段，通过课程设计指导学生完成结构详细设计与校核。设计方法上将三维数字化设计和汽车CAE 技术融入到课程设计中，提高学生的产品设计和虚拟仿真设计的综合应用能力。对于性能设计和电动车与智能网联技术，采用“线上与线下”、场景化混合式教学方法［11］。以NVH 性能设计为例，在线上课堂教学中教师要求学生提前学完该部分课程教学内容，并总结某一结构NVH 性能设计的技术路线分析；在线下课堂教学中教师在车辆理论与实践一体化教室布置好教学设备与场景完成教学内容，与学生对技术路线进行研讨、分析与试验验证，最后对内容和结论进行修正、补充和总结。

（2）考核方式的改进。“汽车设计”课程是车辆专业的主干课程之一，牢固掌握汽车产品开发与设计相关的基本概念和基础知识能体现学生优良的专业素养，对于这部分内容应采取闭卷笔试形式进行考核，但只占课程总成绩的50%。同时，汽车产品开发与设计又是一项实践性很强的工作，学生对产品设计能力的高低应在工程实践中进一步考核与评估。因此，考核方式上应注重学生的实践能力及其量化考核，如场景化混合式教学方法对学生能力进行量化考核与评估。

（3）移动终端在课程教学中的灵活应用。随着移动终端的快速发展，教学中需加以应用而非排斥，如教师使用移动终端随机点名可以提高课堂的趣味性，鼓励学生使用移动终端进行发言、提问并积累积分，其积分也可作为过程考核的一部分，从而提高学生的积极性和主动性。

四、初步成效

一是，教材建设成果显著。针对现有“汽车设计”课程教学内容的不足，联合兄弟院校共同新编《汽车设计》教材，对教学内容进行了更新与优化。2019年4月新编《汽车设计》教材获“十三五”江苏省高等学校重点教材立项，同年9月由机械工业出版社正式出版发行。

二是，学生认同课程的重要性和地位，教学质量显著提升。经过几轮校本教材的使用和适配教学内容的教学方法实施。对校本教材使用期间南京理工大学紫金学院学生进行了认知度和满意度调查，占91.3%的学生喜欢这门课程；占89.9%的学生对“汽车设计”课程在专业知识体系中地位认识清晰；占88.4%的学生认为在将来的职业生涯中该课程的帮助很大。对闭卷考试的答题分析显示学生对讲授的汽车设计方法与基础知识掌握较好。在理论课程教学之后的“汽车设计课程设计”集中实践教学环节中，学生课程设计说明书思路清晰、计算步骤合理、课程设计作业质量较未改革之前明显提高；在毕业设计环节中，多位指导教师反映学生能综合应用多种设计方法与工具，专业素养较好。

三是，学生汽车产品的工程开发能力提高，毕业生获用人单位好评。通过对参与“汽车设计”课程教学改革学生调查显示：毕业生初次就业率达95%，其中专业对口占79%。2019年9～10月对从事汽车行业的往届生及用人单位满意度发放调查问卷，结果显示：占84%的学生认为“汽车设计”课程对工作岗位的胜任很有帮助；占92%的用人单位认为毕业生能快速适应工作岗位；占84%的用人单位正在考虑将学生作为企业的核心骨干进行培养。