专业学位研究生汽车碰撞安全技术课程案例教学建构

郝 琪，吴胜军，尹长城

专业学位研究生汽车碰撞安全技术课程案例教学建构

郝 琪，吴胜军，尹长城

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

汽车碰撞安全技术课程涉及多学科融合，仿真算法理论难度大，工程问题研究系统复杂。针对专业硕士研究生力学理论基础相对薄弱和工程意识弱的状况，提出以案例多重覆盖知识点的课程案例教学方法。以打牢理论基础，提高工程能力，培养创新意识为目标进行课程案例库的构建。以学生为中心进行案例教学组织与实施，提高课程获得感,为案例教学不断改进提供依据。

案例教学；汽车碰撞安全技术课程；专业学位研究生；课程教学改革；安全库构建

近年来研究生招生规模增加，2021年较2017年增加招生38.2%，专业学位研究生成为研究生培养的主要类型。湖北汽车工业学院车辆工程专业是行业背景突出的国家一流专业，汽车碰撞安全技术基础课程是该专业专业硕士研究生汽车轻量化方向一门特色鲜明的专业选修课。课程涉及车辆、材料、力学等学科，综合性较强，具有工程意义的典型实验均为破坏性实验，实验成本巨大。专业学位研究生的力学理论基础相对薄弱，车辆碰撞相关内容的工程意识欠缺，课程重点章节“碰撞有限元理论”“汽车碰撞安全设计”相关内容理论性强、不易理解，学生由于理论不清晰对后期仿真及设计结果出现的问题，没有工程直觉和初步判断及调试能力，初期教学效果不理想。

案例教学是以学生为中心，以案例为基础，经过研究加工，通过情景模拟、现场体验、交流讨论等手段，将理论与实践紧密结合，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论、形成观点、提高能力的教学方式[1-3]。在汽车碰撞安全研究领域，除了国家强制执行的碰撞安全法规，还有中国新车评价规程（China-New Car Asses- sment Program, C-NCAP）和中国保险研究协会推出的车辆碰撞性能评价体系。汽车企业针对法规和评价指标，进行并公布了大量车辆碰撞性能测试实验。课程组教师多年汽车碰撞仿真研究积累了大量具有原创性的汽车碰撞有限元仿真案例。实车碰撞测试+有限元结构仿真+结构技术、性能分析的融合匹配为案例教学所必备的案例库建设奠定了良好基础。

1 课程采用案例教学法的意义

由于汽车碰撞试验的巨大花费，学生很难在理想的时间看到理想的碰撞类型实车实验。建立汽车碰撞安全技术课程案例库，是解决无法进行的高花费实验的有效手段。案例可以让学生了解不同类型碰撞的基本过程和特点。经过案例加工，重点关注的碰撞安全结构设计可以让学生充分分析碰撞过程，通过研究结构变形的时序性与整车碰撞加速度的匹配情况，分析结构改进方法。

基于课程的特点，通过案例的合理设计，即使在理论内容较强的章节也可以做到案例全覆盖，做到重要理论均有案例支撑。通过案例深入细分，理论文字及其对结果影响可以具像表达，易于学生理解。

随着汽车产业的迅速发展，车辆强制被动安全法规发展的越来越完善，对设计者的挑战越来越苛刻，而车企的设计技术发生着日新月异的变化。不同车企设计工程师的思路各有独到之处，将不同车企在解决同一法规问题时采用不同的结构设计技术手段通过案例进行对比分析，有利于激发研究生创新性思维，结合小组讨论，力争做到理实融合与思辨的统一。

2 案例库的构成

案例库建设主题明确，重点突出三大教学主题，即夯实研究生理论功底、提高专业硕士工程能力与素养、培养研究生创新意识和能力。案例选择在系统化原则指导下进行，即入选案例、案例与教材、案例与培养目标三方面构成一个有机的整体，使案例高效服务课程。

2.1 助力培养创新意识

课程案例库分为素材案例库和整车案例库，如图1所示。素材库案例为小型案例，便于课堂实时计算，主要配合授课中理论部分的验证及其工程方法在仿真中实现的教学内容。整车案例库案例规模大、涉及内容多，使用时更加突出学生的主体地位，以小组调试、分析、讨论为主，且此部分案例紧跟汽车行业发展。

图1 课程案例库构成

如图1中1区案例通过讨论采用渐进式可移动吸能壁障（Mobile Progresssive Deformable Bar- rier, MPDB）正面碰撞工况评价指标代替40%重叠吸能壁障（Overlap Deformable Barrier, ODB）正面碰撞评价指标的原因，继而引出对MPDB评价车辆碰撞相容性与攻击性的新参数的讨论，使得课程在进行法规内容授课的同时，也体现评价产品特性的创新概念以及作为管理者的法规制定创新思维。如1区、2区案例在应对保险公司新推出的小偏置碰撞工况时，分析讨论Volvo、Benz、Honda汽车在车身及底盘设计中分别采用削弱底盘构件强度、加强车身结构强度、车身新结构三种完全不同、甚至是相悖的思路成功提高小偏置碰撞中车辆碰撞性能，体现不同汽车生产商为解决相同目标采用的不同创新设计方案，在带入新技术的同时重点突出工程师的创新思想。2区、3区案例，体现新的产业结构的同时展现学科融合的创新设计手段，提升材料+汽车+力学+传感测试的多学科综合解决复杂工程问题的能力。同时，案例的展开与讨论使课程自然融入工匠精神、家国情怀、矛盾论、知行合一等课程思政内容。

2.2 夯实理论功底

案例教学的根本目的，是通过案例分析过程，加深学生对理论知识要点的理解、掌握和领悟[4-5]。本课程涉及碰撞设计理论、实验测试、碰撞仿真及算法等内容，不同部分案例设置数量、深度要合适；是通过案例引出理论，还是理论学习后通过案例讨论巩固，需要经过精心的设计。

图2为案例库内容与课程理论及主要知识点的对应关系。如应变率影响的素材案例围绕材料本构的理论教学内容进行设置。通过考察材料应变率在不同碰撞速度对前保险杠碰撞应力结果的影响，深入理解材料本构的作用、理解极简思想处理应变率对本构影响的方法，比较不同工程问题处理应变率影响的不同方法，此时再引入材料粘塑性特性，学生接受的非常顺畅。新内容进行的同时是对本科阶段材料力学中材料本构知识的巩固和深入，将本科阶段结构设计仅停留在材料弹性范围的理论，提升到结构设计进入材料塑性阶段的行为特征，开始进入材料非线性阶段学习。

图2 案例库与理论内容的对应关系

单元算法案例通过应力不同显示方式结果差异的讨论，巩固有限元插值方法及其相关数值分析方法，巩固强度问题中不同应力的概念，引入理论课程中单元的剪力自锁和沙漏问题。又如头部和薄壁构件A柱的碰撞案例围绕课程接触算法的理论教学内容展开，接触内容的引入带来工程问题的边界非线性和几何非线性，通过案例展示接触中单向搜索和双向搜索算法的差异，展现算法带来的主面与从节点选取问题，案例继续深入讨论接触类型的可替代性、各种接触算法的细节特点，为学生理解接触算法特点、把握接触类型应用扫清了初学时理论概念过于抽象的障碍。案例库已建成大类案例15个，内含细分案例共74个，案例形式为汽车碰撞视频案例、汽车及其零部件碰撞仿真案例、碰撞数据分析案例。其中部分案例落实到案例教学课堂，其余案例保证课程案例的充足性及可替换性。从图2也可看出，在应用一个案例阐述主要知识点时，会同时涉及其他相关知识点，形成知识点的多重覆盖。

3 案例教学组织与实施

3.1 确定案例教学实施方案

“师者，传道授业解惑也”，其中“道”是理论知识体系，“业”则是学生自己在知识的指导下所努力的结果。没有理论知识的积累，对案例的分析是盲目和浅显的[6-7]。但是，学生更容易理解具体的实践，较难理解系统的理论体系，因此，“道”的传授方式与方法更重要。

调研显示，国内一些案例教学的课程实践没有给学生留下深刻的印象，教师仅把案例做成讲义进行讲述。这样的方式课程虽然生动了一些，但没有给学生带来特别的启发，并不是现代意义上的案例教学[8-9]。

汽车碰撞安全技术课程经过4轮教学改革，案例教学组织方式经过了3次调整，从原有的先讲授理论再案例说明，到理论内容拆解为两部分进行，先独立讲授部分课程理论，另一部分理论与案例融合开展教学，最后确定以案例开启教学+期间理论融合案例+后期独立案例研究的模式进行，具体案例教学组织配置如表1所示。教学组织方式的转变使学生从首先要充分接受理论，然后才是通过案例进行验证、分析；到先通过案例进行感性认识，进而理论与案例相互验证，最后综合应用理论解决案例问题提升工程能力，使理论与案例形成有机统一。

表1 课程案例教学组织配置表

阶段时间大类案例个数案例类型作用 1课程前期1碰撞仿真案例认识课程作用及基本内容 2实车碰撞案例 2课程过程中5碰撞仿真案例阐明课程知识点、引导思考、展现教师科研成果 3实车碰撞案例 3课程后期3碰撞仿真案例综合应用所学知识，解决碰撞工程仿真调试问题、实车碰撞性能评价问题 1碰撞数据分析案例

3.2 实施案例教学，提高工程能力与素养

案例教学坚持以学生为中心，针对表1中的1、2阶段以小组研究、讨论为主，教师引导拓深、适时归纳；3阶段以分组研究、汇报答辩的方式进行，教师进行专题案例总结。小组在课程开课即进行划分，不同案例分为不同的主讲组和提问组。讨论的案例材料视难度在课前1周～2周提前发放，准备相关理论知识，部分案例需要自行完成仿真流程。课堂上首先由教师根据案例及相关模型进行引导分析，让学生熟悉该案例的背景及技术知识，如该案例的关联法规、研究对象的结构布置、连接方式、材料特性、碰撞边界条件等。接下来重要的一步是，以学生自主分析、教师引导的方式进行工程分析。在此，以主讲组学生为主体进行案例相关问题的解答或汇报，对该案例提出技术要点、解决方案、仿真关键方法、调试方法、结果分析及评价等。最后，提问组和教师提问讨论，根据结果进行合理性分析，确认汇报组结果的准确性和可信性，并就案例中阐述内容进行讨论，如仿真案例中某参数设置的意义，是否具有其他可行性方案等。

课程后期的案例讨论分两类，第一类按小组给出不同的实车碰撞仿真模型，但模型会提前由教师根据课程重点问题设置错误，学生小组需分析出模型错误产生的原因，相关理论是什么，依据理论如何调整，并最终调整出正确模型。第二类给出某车碰撞正确的仿真结果文件，要求学生根据文件提取相关参数，进行数据后处理，结合理论做出该车碰撞特性评价参数。教师会根据学生的分析情况进行评价和总结，讲授一些学生在分析过程中存在的问题，补充工程应用过程中的一些经验总结和技巧。整体案例教学组织旨在通过案例多重覆盖知识将工程与理论有机结合。

通过该模式的实施，学生的团队协作及表达能力得到锻炼，工程问题中发现问题、分析问题的能力得到提高，对碰撞问题的相关直觉判断能力有所体会，学生的归纳性思维模式得到训练，开启了相关产业的新技术视野。在课程改革的推动下，近两年研究生结合新法规、新材料、新结构申请汽车碰撞类发明专利4项，已成功获批1项。

4 结束语

汽车碰撞安全技术案例库具有紧跟行业发展、原创性高的特点，通过对案例的反复对比和打磨，形成了案例和课程理论的有机融合。通过案例教学的有效组织，在教师引导，学生自行研究的模式下，能够发挥学生的潜力，较好地提高学生的课程获得感。

[1] 沈利民,王艳飞,陈英华.专业学位研究生《有限元分析及应用》课程案例库建设与案例教学[J].当代教育实践与教学研究,2019(3):170-171.

[2] 林高用,王德志,李慧中.研究生课程教学案例库建设与应用[J].中国冶金教育,2020(2):66-69.

[3] 孙建春,曹献龙,邓洪达,等.依托行业背景的工程硕士专业学位研究生教学案例库建设[J].中国冶金教育,2019(4):62-65.

[4] 郑玲.全日制工程硕士案例教学资源库建设——以车辆工程专业案例库建设为例[J].高等建筑教育, 2019,28(6):132-138.

[5] 张金流.案例教学对专业硕士研究生学习效果的影响——以合肥学院为例[J].科教导刊2015(12):67-68.

[6] 张学敏,侯佛钢.从理论到实践有多远?——专业学位研究生案例教学的知识转化机制探讨[J].现代大学教育,2020(1):103-112.

[7] 孟彦龙.光学工程专业研究生教学案例设计探索[J].教育教学论坛,2019(8):94-95.

[8] 郭宏,胡瑞,张嘉欣.土木工程专业硕士研究生案例教学研究[J].绿色科技,2019(11):271-273.

[9] 刘瑾,魏继红,祁长青等.工程硕士研究生培养中应用案例课程研究[J].高等建筑教育,2021,30(5):61-67.

Construction on Case Teaching of Vehicle Crash Safety Technology Course for Professional Degree Master

HAO Qi, WU Shengjun, YIN Changcheng

( School of Automotive Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, China )

The performances of vehicle crash safety technology course is the integration of multidisciplinary, the great difficulty of simulation algorithm theory and the complexity of engineering research system. In view of the relatively weak mechanics foundation and engineering consciousness of professional degree masters, the case teaching method of covering knowledge points with mult-case is proposed. The course case library is built aimed to the solid theoretical foundation, improving the engineering ability and training innovation consciousness.The case teaching is constructed and implemented centered on students to improve the gain of course.The research provided the reference for the continuous improvement of case teaching.

Case teaching; Vehicle crash safety technology course; Professional degree master;Course teaching reform;Case library construction

G643.2

A

1671-7988(2022)21-171-05

G643.2

A

1671-7988(2022)21-171-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.032

郝琪（1973—），女，硕士，教授，研究方向为车辆被动安全，E-mail:1293169789@qq.com。

湖北省高等学校省级教学研究项目（2018378）；湖北汽车工业学院研究生教学研究改革项目（Y202003）。