面向“新四化”的车辆工程专业课程体系改进初探*

黄登峰 闫晓磊 花海燕 张庆永 钟 勇

(福建工程学院机械与汽车工程学院，福建 福州 350118)

1 概述

随着“创新驱动发展”“互联网+”等国家重大战略的实施，我国传统产业面临转型升级，并催发了许多新技术产业的发展[1]。为保持和提升国际竞争力，构筑工程人才创新培养的高等教育体系，2017年以来，教育部不断推进新工科建设，围绕“让工程教育回归工程本质”“创新与共享”和“交叉与融合”等理念，逐渐形成了“复旦共识”“天大行动”与“北京指南”[2]。

近年来，新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，引领新兴信息技术与传统制造技术的深度融合[3]。国内外汽车行业发展迅速，特别是汽车智能化、网联化、电动化、共享化的趋势明显，对车辆工程专业人才培养提出了更高要求，特别在“新工科”背景下，要求高校车辆工程专业立足本专业，通过车辆工程、电子科学与技术、控制工程、计算机信息技术等专业的学科交叉，面向新时代汽车产业培养科技创新人才。相应的，如何面向新能源汽车、工程机械、专用车等福建优势行业开展“新工科”建设，建立产业与高校之间的基于信息融通、资源共享的协同育人与创新体系，为福建省汽车产业培养更多符合“新工科”建设要求的综合型应用技术人才，是一个值得研究与探讨的问题。

传统车辆工程专业的课程体系由公共基础课、学科与专业基础课、专业课及实践性教学四个部分组成。其中公共基础课包括国家必修公共课以及校本公共基础必修课。学科与专业基础课涵盖理论力学、材料力学、电子技术、电工学、工程材料等工程基础课程以及机械设计、机械制造基础、控制工程基础等机械基础课程。专业课则涵盖汽车构造、汽车理论、汽车设计、汽车电子、汽车试验学等课程[4]。实践性教学涵盖课程设计、专业实践和毕业设计等教学环节。传统的车辆工程专业课教学和实践内容大多数以传统内燃机汽车为主要对象，而新能源+智能网联汽车已是大势所趋，传统车辆工程专业课程体系已经无法满足汽车产业“新四化”对人才知识、能力和素质的要求，必须做出调整和改变，以适应新时代本科教育的要求。

2 “电动化”背景下的课程体系改进

新能源汽车是我国从汽车大国到汽车强国的必由之路，而电动汽车是新能源汽车最重要的发展方向，电池、电机、电控是汽车电动化三大核心技术，有必要开设若干门课程。以完善学生在汽车电动化方面的知识结构[5]。

为此，在课程体系中设置专业必修课程——电动汽车，其目的是让学生通过课程学习，掌握国内外新能源汽车最新发展动态及其设计方法。课程主要介绍储能元件、驱动部件的类型、原理与特性，混合动力汽车、纯电动汽车及燃料电池汽车的组成及结构；新能源汽车相关技术标准。通过课程的学习，学生能够了解动力电池的基本原理与结构、工作特性及电池管理系统的功能，了解驱动电机的基本结构原理与驱动特性，掌握电动汽车基本组成、结构及行驶性能的基本计算方法，能够认识到汽车行业的快速发展并树立终身学习的意识。课程目标是通过课程知识的学习和应用，了解并进一步掌握各类电动汽车整车及其动力总成匹配设计的一般过程，能够完成简化的电动汽车的相关设计任务。因电动汽车这门课涉及交叉学科，理论性较强。因此，在该课程的教学中，着重培养学生自助学习模式，补齐自身短板，鼓励学生通过自学、搜索和查阅相关资料、集体讨论来解决，增强学生对所学知识的把握。

电动汽车课程还设计了两个实验：混合动力汽车动力系统及燃料电池动力系统实训、纯电动汽车综合实训及电池管理系统(BMS)实训。混合动力汽车动力系统及燃料电池动力系统实训的内容是通过混合动力汽车动力系统及燃料电池动力系统实训台架，完成混合动力电动汽车及燃料电池汽车的工作演示；设置混合动力电动汽车常见故障，通过故障显示，引导学生进行故障分析、检测诊断实训。纯电动汽车综合实训及电池管理系统(BMS)实训的内容是通过纯电动汽车动力性系统实训台架，完成纯电动汽车的工作演示；设置常见故障，采用故障显示的方式，引导学生完成故障分析、检测和诊断训练；通过电池管理系统实训台架，完成BMS系统单体电池电压检测、温度检测、电流检测、SOC估算等功能，设置常见故障并会读取数据流。通过这两项课内实验，使学生在课堂教学所获得的理性认知的基础上，建立更易记忆和掌握的感性认知基础，巩固和加强学生对动力电池、驱动电机及不同类型的电动汽车的掌握。

另外，依托福建省汽车电子与电驱动技术重点实验室省级科技创新平台的软硬件资源，在课程体系中设置专业方向选修课程——汽车电驱动技术，其目的是通过本课程的学习，让学生了解汽车电机的基本知识；熟悉汽车电驱动系统理论基础分析，参数设计与评估，电驱动系统应用方式、类型、特点及一般控制方法。通过课程的学习，学生能够了解电机的基本概念和分类及其在汽车中的应用、直流电机的工作原理、建模与控制；了解电驱动相关电力电子技术及PWM技术；掌握交流电机的结构、分类，永磁同步电机的磁场、特性及控制原理；了解车用电机测试及标准。课程设计了基于三相ARM微控制器PWM波的实现、基于Matlab的SPWM 三相桥式逆变电路仿真两个课内实验。基于三相ARM微控制器PWM波的实现要求学生利用ARM C语言编制程序，产生频率可变的三相间隔120°的PWM波形。在实验过程中深刻了解PWM 是如何实现的，并加深对PWM在直流调制中应用的理解。基于Matlab的SPWM 三相桥式逆变电路仿真主要研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法。要求学生学会使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，对逆变器和三相逆变电路的六阶梯波调制、三相逆变电路的PWM、电压空间矢量原理、电压空间矢量PWM原理加深理解。

通过设置电动汽车这门专业必修课程、汽车电驱动技术这门专业方向选修课，使学生具备电池种类及原理、电池成组技术、BMS技术等电池技术，电机原理与结构等电机技术，电力电子技术、嵌入式系统、控制算法设计等电控技术这“三电”核心技术的知识体系和能力素质，满足汽车“电动化”背景下对人才的需求。

3 “智能网联化”背景下的课程体系改进

随着自动驾驶和车联网的不断发展，汽车的智能化、网联化趋势已不可避免。近几年来，各大汽车厂家和IT科技巨头纷纷在智能网联汽车这一领域布局，推进智能网联汽车技术的不断变革，也对汽车产业的人才培养提出了新的更高的要求[6]。

为此，在课程体系中设置智能网联汽车概论这一专业必修课程，其目的是让学生通过课程学习，掌握汽车智能化和网联化的主要关键技术。在汽车智能化方面，课程主要介绍智能汽车三大功能架构：环境传感与感知模块、智能决策规划模块和智能集成控制模块。其中环境传感与感知模块主要包括视觉传感器、激光、毫米波、超声波雷达、红外线传感器等自动驾驶硬件；智能决策规划模块包括宏观路径规划、中观驾驶行为决策、微观轨迹规划等三级决策规划系统；智能集成控制模块包括车辆纵向控制和横向控制，以实现对车辆油门、制动、转向等车辆执行系统的有效控制。在汽车网联化方面，课程主要介绍车联网的信息交互关键技术，包括实现数据接入和传输控制的移动信息网联通信模块，如V2V(车-车)、V2I(车-基础设施)、V2P(车-行人)等互联通信方式；云平台与大数据技术；信息安全技术；基础支撑技术包括高精度地图和GPS(全球定位系统)及BDS(北斗卫星导航定位系统)高精度定位等。课程目标是通过课程知识的学习和应用，学生能够掌握智能网联汽车的基本原理，熟悉自动驾驶的技术体系，熟悉智能网联汽车主流的传感器工作原理及信号处理方案，熟悉典型的全局和局部路径规划方法，熟悉车辆纵向控制和横向控制的方法；熟悉车联网中V2X无线通信和信息交互关键技术。

另外，为车辆工程专业开设ARM微控制器编程与实践这一专业方向选修课程，它是从事汽车电子相关开发工作和研究的重要基础和工具。其目的是让学生掌握汽车电子系统中新型ARM微控制器的基本理论、分析与设计方法。这门课主要围绕ARM Cortex M微控制器学习软硬件知识，要求学生能够利用所学的C语言进行ARM微控制器基本接口与外设、存储器系统软件设计。要求了解包括汽车自动记忆、人机交互，提高系统可靠性，实时响应实例，并能够在RTOS上利用ARM控制器实现简单的车辆车门闭合检测。通过本课程的学习，能够读懂基于已有的数字控制单元硬件系统，编写一般控制程序，并完成系统调试；能够独立完成相关的软硬件实验操作，实现利用微控制器实现汽车电子的简单方案，如基于存储的汽车自动记忆功能、基于液晶显示的人机交互、基于看门狗的系统可靠性设计，以及基于RTOS上的车辆车门闭合检测等。

通过设置智能网联汽车概论、ARM微控制器编程与实践课，再加上原有的汽车电子等课程，使学生熟悉和掌握激光雷达技术、摄像头技术、毫米波雷达技术等汽车智能化传感器技术、嵌入式系统开发、车辆控制等智能化计算机及控制技术，无线通讯技术等汽车网联化通讯技术，具备智能网联汽车的知识结构，基本满足汽车“智能化”“网联化”对人才的需求。

4 “共享化”背景下的课程体系改进

我国汽车产业经过近20年的高速发展，居民私家车保有量不断增长，但随之而来的交通堵塞、事故频发、能源消耗和环境污染等问题日益显著。据有关调查统计，在实际中一般私家车的空闲率达90%以上，造成了大量资源空置和浪费。近几年来，随着共享经济的不断发展，“共享汽车”已逐渐进入寻常百姓的日常生活，给人们带来了方便快捷的出行体验，并在市场上引起了强烈反响。与传统的私家车、公共汽车、出租车等汽车使用模式不同，汽车的共享化是指采用GIS(地理信息系统)、GPS(全球卫星定位系统)、移动通信技术、视频监控等技术完成车辆高精度定位、实时动态跟踪，实现车辆的统一调度、协同指挥、实时监控、高效运营的自动化。作为车辆工程专业的大学生，有必要熟悉共享汽车，了解共享汽车的运营模式及其关键技术。

由于共享汽车在不断快速发展，对其研究还不甚完善，因此尚没有成熟的共享汽车课程可直接嵌入现有的车辆工程课程体系，但共享汽车的课程内容应包括：共享汽车信息平台，包括用户身份认证、信息匹配及安全技术等；共享汽车监控系统，包括车辆及道路信息收集，交警管理部门实时监控等；共享汽车配套保障，包括保险及保养维护等；分时租赁系统的软硬件技术，包括运营系统平台、远程控制技术及应用案例。通过课程学习，学生应了解和熟悉虚拟化技术、分布式存储、数据管理等云计算技术，全局路径规划、最优化理论等调度优化技术，数据仓库、计算框架、大数据应用等大数据技术，数学建模、社会激励调度、出行引导等运营模式。

5 结束语

伴随“自动驾驶”“共享汽车”等概念的深入人心和相关关键技术的研究和发展，汽车“电动化”“智能化”“网联化”和“共享化”已是大势所趋。地方本科院校应该响应教育部建设“新工科”的号召，适应汽车“新四化”的需求，积极推进车辆工程专业课程体系改进，提升人才知识结构和能力素质，为所在区域汽车经济和产业培养合格的新型应用型工程科技人才。