發(fā)動機課程教學模式構(gòu)建與實踐

1、發(fā)動機課程教學模式構(gòu)建與實踐摘要：提升為解決發(fā)動機課程包括發(fā)動機原理、發(fā)動機構(gòu)造和發(fā)動機拆裝中存在的學生自學能力不強、課內(nèi)外教學環(huán)節(jié)脫節(jié)、學生動手實踐機會少、對發(fā)動機構(gòu)造和原理理解不深等問題，同時聚焦于“OBE”理念在課程教學中的實施，構(gòu)建了以工程教育認證為導(dǎo)向，包含“課程實驗、實習實踐、綜合創(chuàng)新”的“三平臺”發(fā)動機課程“教學做一體化”教學模式。圍繞成果導(dǎo)向、以學生為中心、持續(xù)改進這三個工程教育認證教學理念開展了相應(yīng)的教學實踐，取得了良好的效果，也為將來發(fā)動機課程的持續(xù)改進提供了實踐經(jīng)驗。 關(guān)鍵詞：工程教育認證；發(fā)動機課程；教學做一體化；OBE 一、發(fā)動機課程教學背景 工程教育認證強調(diào)以學生學

2、習為中心，遵循持續(xù)改進的基本理念1。工程教育專業(yè)認證所突出強調(diào)的學生學習成果，是聚焦于學生“應(yīng)該得到什么”，能夠有力地保障高校的教育質(zhì)量。世界各國的工程教育認證明確提出畢業(yè)生應(yīng)具備一定的基本知識、能力和素質(zhì)。美國工程教育認證委員會ABET在20142015年的工程認證標準中，列出十一項學生學習成果。我國的工程教育專業(yè)認證工作開始于2006年，對工程教育專業(yè)的畢業(yè)生的十項基本能力和素質(zhì)提出明確要求，不僅僅是學習書本上的知識，更是對解決復(fù)雜的工程應(yīng)用和學科研究能力的提高。其目標是促進我國的工程教育改革，提高教育質(zhì)量，已成為我國“五位一體”的高教評估體系的重要組成部分。工程教育專業(yè)認證的標準既充分反

3、映當代社會對工程師能力的基本要求，也體現(xiàn)了以學生為中心的理念，考慮了學生未來的發(fā)展需要2-7。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）明確提出：“關(guān)心每個學生，促進每個學生主動地、生動活潑地發(fā)展，尊重教育規(guī)律和學生身心發(fā)展規(guī)律，為每個學生提供適合的教育?！贝罅Τ珜?dǎo)以學生為中心的工程教育專業(yè)認證為實現(xiàn)這一目標提供了可借鑒的框架體系和具體操作模式8。發(fā)動機課程教學過程中存在多模塊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、學科交叉等現(xiàn)象，受時間和空間限制，實踐教學與課堂教學無法緊密銜接。而合理的課程體系是優(yōu)化整體知識體系的關(guān)鍵一環(huán)，能夠有效保障專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)9-11。針對發(fā)動機課程教學中存在的問題，

4、以全面提高學生創(chuàng)新精神、實踐能力和綜合素質(zhì)為宗旨，以工程教育專業(yè)認證為導(dǎo)向，構(gòu)建了包含發(fā)動機構(gòu)造、發(fā)動機原理以及發(fā)動機拆裝三門發(fā)動機課程在內(nèi)的新教學內(nèi)容，以實踐貫穿理論，來培養(yǎng)學生自我學習及動手實踐的能力，加強學生對發(fā)動機相關(guān)知識的理解和掌握。 二、課程進行改革的必要性 （一）教學理念亟需轉(zhuǎn)變。大學作為培養(yǎng)高層次創(chuàng)造性人才、進行科學研究和知識創(chuàng)新的重要基地，將直接影響到國家的綜合國力和國際競爭能力的強弱。傳統(tǒng)的“重教有余、重學不足；灌輸有余，啟發(fā)不足；復(fù)制有余、創(chuàng)新不足”教學理念在培養(yǎng)學生能力方面存在著明顯的不足，嚴重影響學生的思維獲利，壓抑了學生的主觀能動性?？茖W的教學應(yīng)該注重學生創(chuàng)新意識的

5、培養(yǎng)，充分發(fā)揮學生的個性能力。教學的目標，關(guān)鍵是提高學生創(chuàng)造性、應(yīng)用現(xiàn)有知識解決復(fù)雜問題12。因此，應(yīng)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學理念，以提高學生創(chuàng)新精神和適應(yīng)能力為目標，增強學生實踐能力。（二）教學手段需與時俱進。發(fā)動機構(gòu)造課程中點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，發(fā)動機原理課程中燃燒室燃燒、排氣凈化過程等內(nèi)容，由于部件復(fù)雜，而且有的內(nèi)容涉及到化學反應(yīng)等微觀內(nèi)容，不容易被學生理解。發(fā)動機拆裝課程中，各部件的裝配關(guān)系、配合情況等內(nèi)容由于教學條件限制，不能滿足每個學生都拆裝一次的要求。傳統(tǒng)的教學方式難以發(fā)揮學生的創(chuàng)新實踐能力，需要引入虛擬仿真、三維制圖軟件、流場分析軟件FLUENT軟件等信息手段，從而加強學生的訓(xùn)練，

6、強化知識的掌握。在此基礎(chǔ)上，學生可以應(yīng)用該平臺對相類似的系統(tǒng)進行分析，提高自我學習能力和創(chuàng)新能力13。（三）教學方法需要改革。傳統(tǒng)教學中只注重教師的講授，學生聽課，單項傳授知識的教學方法。在教學中，教師占據(jù)了課堂的絕大部分時間，導(dǎo)致教學中的教師中心化。一節(jié)課中，教師的說話、活動時間占了課堂的一大半，為板書而板書，為演示而演示的現(xiàn)象也不少見。教師更多的是從自身出發(fā)，重點關(guān)注于自身如何教好，而不是學生如何學好，學生是否真正學到了知識等。教學中明顯的反映出是學生在幫助教師完成教學任務(wù)，而不是教師在幫助學生完成學習任務(wù)。而一支高水平的師資隊伍能夠真正滿足于工程教育專業(yè)認證的要求，教師不僅只完成自己的教

7、學任務(wù)，更為學生提供整體的指導(dǎo)與咨詢，以提高學生素質(zhì)能力為主。因此，傳統(tǒng)教學方法難以適應(yīng)工程認證導(dǎo)向的教學要求，必須堅持“理論結(jié)合實踐、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的原則，把“教學”傳統(tǒng)的以教為主的思想轉(zhuǎn)化為以學為主，不斷對其進行調(diào)整14-16。 三、新的課程教學模式 （一）教學內(nèi)容方面。發(fā)動機教材內(nèi)容滯后于汽車新技術(shù)的發(fā)展，一些新的發(fā)動機技術(shù)沒有在課本上體現(xiàn)，與工廠正在應(yīng)用的技術(shù)相脫節(jié)，導(dǎo)致學生到了工廠后不能很好進入工作狀態(tài)，企業(yè)需要花費較大精力進行培訓(xùn)。在與企業(yè)進行多次調(diào)研和溝通的情況下，對教學內(nèi)容進行改進。將發(fā)動機構(gòu)造和發(fā)動機原理的實驗單獨獨立出來，設(shè)立構(gòu)造與原理實驗課程，增加實驗實踐課時。實驗內(nèi)

8、容中增加共軌實驗、汽油電控噴射實驗、排放測試等相關(guān)實驗；在增加操作實驗的基礎(chǔ)上，也增加了虛擬實驗系統(tǒng)，可以進行虛擬拆裝、系統(tǒng)部件認知等。另外，針對學生需要增加新技術(shù)的掌握和了解，利用北京舉行的國際內(nèi)燃機展和國際汽車展，組織學生到展覽會進行學習，了解國內(nèi)及國際發(fā)動機的新技術(shù)、市場主流技術(shù)及技術(shù)的發(fā)展趨勢，從而增加學生國際視野。（二）教學方法與手段。虛擬實驗和真實實驗不僅具有很強的互補性，還是相互依存的關(guān)系。虛擬實驗以真實實驗原理為基礎(chǔ)，利用多媒體技術(shù)和現(xiàn)實仿真技術(shù)對真實實驗進行模擬；真實實驗需要以虛擬實驗作為補充和拓展。只有充分發(fā)揮虛擬實驗和真實實驗的優(yōu)勢，利用其互補性克服各自的局限性，才能使學

9、生得到全面的鍛煉，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，達到提升本科實踐教學質(zhì)量的目的。在教學過程中，利用PRO/E、SOLIDWORKS、UG等三維軟件對發(fā)動機原理的部件進行建模，利用FLUENT軟件對發(fā)動機原理的流場進行分析，利用3DMAX軟件對發(fā)動機拆裝進行實訓(xùn)。發(fā)動機構(gòu)造課程主要講述發(fā)動機各部件的結(jié)構(gòu)及其功用。包括了發(fā)動機的兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)。發(fā)動機各部件都有實物造型，形狀特點容易被學生理解，由于受到部件的尺寸和重量、復(fù)雜程度的影響，在課堂上不宜將各部件和系統(tǒng)帶入進行講解。所以需要課上課下結(jié)合，課上主要以三維造型、軟件進行原理模擬為主，課下進行實物測量，結(jié)構(gòu)認知為主。發(fā)動機構(gòu)造課程實踐性強，所以主要以實

10、物測量及認知為主，仿真模擬進行輔助。出于學生認知的需要，依據(jù)發(fā)動機的裝配關(guān)系，建立了發(fā)動機立體分解模型，按照發(fā)動機結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系進行拆解，發(fā)動機立體拆解現(xiàn)場如圖1所示。本課程建立了汽、柴油發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、燃料供給系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、起動系統(tǒng)的三維仿真模型。每部分三維圖形都是基于實物進行，參考性強。發(fā)動機拆裝課程主要考核學生的動手實踐能力，是發(fā)動機構(gòu)造課程的后續(xù)實踐課程。課程主要強化各部件之間的裝配關(guān)系，工具的使用情況，考核對各個機構(gòu)、系統(tǒng)的位置、作用及拆裝方法的掌握程度。本課程基于虛擬仿真實驗室的虛擬仿真平臺，進行發(fā)動機及其子系統(tǒng)工作原理的仿真演示，創(chuàng)制基于虛擬仿

11、真模型的汽、柴油發(fā)動機拆裝實訓(xùn)模塊，實現(xiàn)了發(fā)動機的虛擬交互式拆卸與裝配實訓(xùn)，汽車發(fā)動機三維仿真拆裝實訓(xùn)系統(tǒng)如圖2所示。教學方法主要包括軟件操作示范、重要系統(tǒng)及機構(gòu)功能展示講解、互動探討及學生實際操作、單位時間模擬拆裝考核、關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)功能復(fù)述等。使每一位學生都能結(jié)合虛擬拆裝，熟悉并掌握汽車發(fā)動機構(gòu)造相關(guān)知識，深化對相關(guān)專業(yè)課程的認知，達到“一人一機”、可反復(fù)拆裝的教學效果。在計算機上進行模擬拆裝后，再到發(fā)動機實驗室進行實物拆裝，可以避免由于小組拆裝時由于不能實現(xiàn)每一個學生都從頭到尾親自完成每一步拆裝而導(dǎo)致的無法全面考核每個學生的動手能力的問題。通過仿真實訓(xùn)和實地拆裝綜合表現(xiàn)確定學生成績。發(fā)動

12、機原理課程主要講述發(fā)動機的動力輸出與能量利用原理，包括動力性經(jīng)濟性指標、燃料與工質(zhì)特性、熱力循環(huán)分析與能量利用、充量更換過程、以及運行特性與性能調(diào)控。發(fā)動機的燃燒與排放問題，包括燃燒基礎(chǔ)知識、混合氣形成和燃燒過程、特殊燃燒問題的機理與對策、有害排放物的生成與控制、以及高效低污染新燃燒方法與新能源。這些內(nèi)容都十分抽象，且由于涉及到微觀氣體運動、燃燒高溫等理化現(xiàn)象，在實際實驗中，不易觀察，所以利用虛擬仿真技術(shù)模擬發(fā)動機內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。例如開展發(fā)動機噴油泵實驗進行噴油量的調(diào)整和在FLUENT中對噴霧形狀的特點進行模擬，將兩者結(jié)合應(yīng)用，使學生能更深刻理解燃油噴射過程。課程教學中，應(yīng)用一維整機性能仿真軟件

13、GT-POWER以及三維仿真軟件FIRE，STAR-CD，KIVA，CONVERGE等模擬發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程、流場模擬機性能仿真。例如：應(yīng)用CHEMKIN對發(fā)動機滯燃期、層流火焰速度以及HCCI燃燒等內(nèi)容進行仿真。應(yīng)用美國GAMMATechnologies公司開發(fā)的GT-POWER仿真軟件、奧地利AVL公司開發(fā)的BOOST仿真軟件和英國Ricardo公司開發(fā)的WAVE仿真軟件對發(fā)動機性能進行仿真分析。在發(fā)動機原理的授課教學中，此類計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用也更好的將科研與教學相結(jié)合，將最新的科研成果以及研究方法對學生們進行講解與展示，使教學內(nèi)容與方式做到與時俱進。（三）課程組織形式方面。除了傳統(tǒng)的課

14、堂教學模式，在課程組織上，選擇2-4學時進行“翻轉(zhuǎn)課堂”式教學模式，以小組方式進行學習，學生可以自由組合，分別研究發(fā)動機構(gòu)造或原理課程教學目標的一小部分。每組確定一名小組長作為組織者，各組學生根據(jù)教學要求去查詢資料，歸納總結(jié)，提出自己的觀點和看法，經(jīng)過小組內(nèi)部討論后，以小組為單位闡述對主題的見解，限定15分鐘內(nèi)以多媒體的方式進行展示和匯報，由其他的同學和教師提問，并對匯報內(nèi)容提出改進建議。由此，學生在課堂上有更多自主時間與教師參與關(guān)鍵學習活動，能從中學到更多的知識和技能，不僅是關(guān)于知識本身，還有個人的演講能力、口頭表達能力和團隊精神。同時，增加學生和教師互動和個性化溝通的方法，讓所有的學生都能參與到其中，都能獲得個性化的教育。 四、結(jié)束語 通過對課程內(nèi)容的持續(xù)改進，使發(fā)動機構(gòu)造、發(fā)動機拆裝和發(fā)動機原理課程相結(jié)合。課堂上主要進行部件和原理的傳授，課下虛擬