基于“设计师式”思维的车辆动力学软件教学改革

摘  要：随着我国高速铁路的发展，车辆动力学成为车辆工程专业学生的必修课之一。该文以车辆动力学软件原理与应用课程为例，介绍前期课堂中的教学内容及存在的问题与不足。并进一步根据不足之处进行教学改革，制定改革目标，提出以“设计师式”思维为中心的改革思路与完整的改革措施，使原理、软件与工程应用相结合。最后制定阶段性的课堂教学计划，以提高学生的理论与实践能力。

关键词：教学改革；课程改革；教育；设计师；车辆动力学软件

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）07-0155-04

Abstract： With the development of China's high-speed railroad， vehicle dynamics has become one of the required courses for vehicle engineering students. This paper took the course Principles and Applications of Vehicle Dynamics Software as an example of what was taught in the pre-classroom with problems and deficiencies. And further pedagogical reforms were conducted and reform objectives were established. The reform idea of "designer" concept and complete measures were proposed to combine principles， software， and engineering applications. Finally， a phased classroom program was developed to improve students' theoretical and practical skills.

Keywords： pedagogical reform; curriculum reform; education; designer; vehicle dynamics software

随着我国高速铁路的快速发展，传统的研究方法已经无法高效地解决车辆系统动力学[1]复杂问题，动力学仿真成为一种经济高效的可行方法。Simpack软件[2]基于德国宇航中心20多年的轮/轨接触模拟经验，拥有自身开发和非常灵活的建模概念，可以支持任何设计思路，在轨道交通动力学仿真领域已成为一种重要工具。

车辆动力学软件原理与应用课程是一门偏应用性质的课程，属于车辆动力学的仿真实验重要组成部分。该课程基于Simpack仿真软件进行讲授，教学内容与手段与其他课程相比有很大区别，是以软件练习和操作为主，理论讲述为辅[3-5]。通过学习让学生掌握车辆动力学的基础知识和软件操作方法，具备进行轨道车辆的振动规律分析和车辆动力学性能评价的基本能力。本课程的学习，可以使枯燥的车辆动力学相关理论变得生动形象，是较好的辅助分析学习的仿真工具。同时，Simpack软件在轨道交通方面的强大应用[6]，可以帮助老师和学生以其为基础进行试验、分析，既可节省大量经费又可改善该学科在试验方面的不足。在学生实际课程学习中，如何让学生做到学好理论的同时，还可以利用该理论解决实际问题是软件应用类课程十分重要也十分现实的问题。

根据作者多年的教学经验总结发现，在目前的车辆动力学软件原理与应用教学过程中存在下列问题亟需解决：①学生在该课程学习中思维方式单一。部分学生在软件类课程学习中，很容易成为软件的操作者，只是按部就班根据操作流程进行建模学习，不能很好地将车辆动力学相关理论、工程师式的设计思维以及仿真软件的应用建立起联系。学习兴趣不足，更多的是被动式软件操作，没有思考和讨论的意识，缺乏独立思考和创新设计的能力；②缺少实际工程案例讲解。教学内容以简化的整车模型及其车辆动力学指标评价为主，简化模型以及相关分析与工程实例相差较大，缺乏对实际工程背景以及应用的良好理解，无法培养学生综合分析车辆动力学相关工程问题的能力；③课程考核评价方式不全面。课程考核评价方式中注重软件实操、团队协作能力、相关技术文献检索能力的考核，但对个人综合运用多学科理论以及相关软件应用能力的考核相对薄弱，个人成绩容易与团队成绩混为一体。

对车辆动力学软件原理与应用课程进行教学改革[7-8]，应突出教学服务于应用，使车辆动力学软件原理与应用课程的教学与科研、应用紧密地结合起来，突出实践应用，为学生后续毕业设计、科研活动以及未来的工作等打下仿真知识的基础。

一  前期教学内容及存在的问题或不足

（一）  前期教学内容

车辆动力学软件原理与应用是车辆工程专业本科培养计划中的专业教育系列课程之一，是车辆动力学仿真实验的重要组成部分。本课程中教学以Simpack动力学分析软件为依托。该课程考核内容一共有三大知识点和八个考核内容，考核方式包括平时成绩、建模能力考核及分组论文答辩。该课程学业教学内容具体如下。

建立客车模型：本课程基于车辆动力学整结构建模的基本概念、基本理论，依托Simpack动力学软件，掌握轨道车辆动力学仿真分析的基本原理及软件发展过程和现状。理解数值分析局限性的同时能够针对复杂车辆动力学问题，结合线路输入激励及线路构造的边界条件完成车辆动力学实验的虚拟样机建模。

通过在轨道车辆模型化的基础上，利用该课程应用的分析软件建立完整动力学模型，并运用轨道车辆基本知识进行分析线路的设计及线路激励的选择；查阅相关文献，并根据GB/T5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》对模型分析结果进行动力学性能的基本评定。实现“能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、现代工程工具和专业模拟软件，针对轨道车辆设计、制造、检修、运用等工程问题进行计算分析和设计”。

分组学习：通过利用小组合作，共同完成特定参数车辆模型的建立及其动力学性能指标分析大报告。针对复杂车辆动力学问题，学生可以做到熟练掌握车辆动力学的基本分析方法，包括多体动力学的基本概念以及车辆动力学模型化的过程。

（二）  存在的问题或不足

在车辆动力学软件原理与应用课程教学过程中，相当数量的大学生仍然感觉学习困难，课堂教学效果常常不甚理想。现从以下几个方面简要说明目前的工作基础及存在的问题。

在教学设计方面，教师往往将重点放在Simpack仿真软件操作流程的讲解上，介绍具体步骤和最终结果，而这个过程有时候无法做到与大学生形成有效的互动。一方面，如果教师在演示每一个操作步骤时都与大学生形成充分互动，那么在有限的课时内则难以完成既定的教学内容; 另一方面，如果教师一味地演示操作步骤，讲解如何“点击鼠标”，那么对于初次接触Simpack软件的本科生而言，很难与老师建立起良好的互动。

在教学内容方面，目前教学内容以简化的整车模型及其车辆动力学指标评价为主，操作的一般过程基本固定，大学生只需要按部就班根据操作流程就可以完成任务，不能很好地将车辆动力学相关理论、工程师式的设计思维以及仿真软件的应用建立起联系。根据现阶段Simpack仿真软件课程讲授经验来看，“依样画葫芦”重复教材和教师操作过程的学生占比较高，小组讨论交流寻找解决途径较少，学生之间交流不充分。

在课程目标实现方面，车辆动力学软件原理与应用是一门软件课程，重点是让大学生掌握采用相应的软件功能解决问题的能力，而让大学生感到困难的是如何根据实际客车参数，学生可以做到识别每个参数含义，并根据相关数据，结合线路输入激励及线路构造的边界条件完成动力学实验。学生将车辆参数表与建模步骤建立起联系的能力相对薄弱，缺乏熟练应用车辆动力学基本理论的能力。此外，学生在学习过程中容易形成按部就班根据操作流程进行建模学习的单一思维模式。

在考核评价方式方面，由于采用的是传统知识驱动型教学模式，且学生数量较大，因此考核手段多针对实践结果进行考核评价，尤其是缺乏有效手段来考察每名学生结合实际分析问题、解决问题的能力。近几年教学组在考核评价方式方面做了一些改革，将平时作业内容由“名义力计算报告”改为学习通线上平台随堂小测试，测试内容包括：轨道设计、力元设置、车辆结构参数的确定和建模相关知识点。经过实践发现随堂测试对活跃课堂气氛、调动学生学习积极性和帮助学生把握重要知识点都有积极意义。

二  改革目标及改革思路和举措

（一）  改革目标

针对现有课堂教学中存在的问题，本项目预期完成以下工作目标。

增加“设计师式思维”培养内容。针对车辆动力学设计要素，让学生以“设计者”身份参与建模，将设计思维带入车辆动力学软件学习中。让学生真正体会分析车辆动力学相关工程问题所需要的能力，激发学生对本课程的学习兴趣。

充分利用“学习通”等教学软件。不断完善课件和课程网站[9]的建设，便于课后学生复习，为学生提供一个具有独立、自由、开放、灵活、丰富的学习空间。

采用“案例教学法”授课方式。积累教学经验，修订教材讲义，增填实际工程中的应用实例以及涉及的后续相关课程的仿真实例。

在课程团队考核评价方式中增加个人贡献率考核。针对当前团队考核内容，增加个人对团队工作贡献率考核，更好地促进团队工作的开展和高质量的完成。

（二）  改革思路和举措

大学生应当成为课堂教学的主体，这已经是毋庸置疑的共识。因此，必须发挥大学生参与课堂教学的主观能动性。推进车辆动力学软件原理与应用课程的教学改革，须从以下几个方面同时开展：①重视对学生“设计师式”思维的培养，避免学生“依样画葫芦”重复教材和教师操作，让学生以设计师身份进行学习，带动大学生参与课堂教学的主观能动性；②重视车辆动力学基本原理与软件操作相结合的教学方法，从每个车辆基本参数的输入到仿真结果的输出均与车辆动力学基本理论知识建立联系，将基础理论、建模流程与结果分析三部分知识进行串联讲解；③在教学过程中，为了使学生更好地理解并掌握学科前沿，积极采用“案例教学法”对教学内容进行拓展，发挥线上-线下混合教学优势，满足学生的个性化学习需求（图1）。

具体实施措施为：

以理论分析—识别车辆参数—仿真计算—重点设计参数影响分析—改进设计为主要思路和树干，将课程相关的知识点进行添加形成有效的知识网络。鼓励学生以设计师身份参与重点设计参数影响分析。例如可以研究车辆悬挂装置和牵引缓冲装置的结构、参数和性能对车辆动力学性能影响，根据重点设计参数的影响分析，让学生进行“高敏参数改进设计”这一实践活动，培养学生的“设计师式”思维。让学生成为课堂教学的主体，发挥大学生参与课堂教学的主观能动性。

结合学生Simpack软件学习实际困难，将识别客车参数、线路输入激励及线路构造等建模要素的软件操作流程与车辆工程、车辆动力学等基本理论知识建立紧密联系。深入浅出地介绍车辆基本参数、车辆动力学性能基本原理并配以详细的菜单操作过程。需要让学生理解机车车辆的多体动力学建模和仿真过程，就是通过对车体、构架、轮对等刚柔体、约束、力元以及轮轨接触等元素的定义来确定机车车辆各部分组件特性及连接关系，从而形成一系列的车辆多体动力学方程并求解其形成的微分方程。例如在轮对模型建立中，有必要将轮对外形基本参数、轨道基本参数以及这些参数在车辆动力学设计中的重要作用予以介绍。

及时调研Simpack软件车辆动力学设计与分析的前沿研究，将其中具有典型意义的案例填充到课堂教学中，并基于学习通网络平台进行演示。车辆动力学发展十分迅速，为了让学生可以更好地掌握学科前沿知识，解决面对面的讲授和实时课堂交流限制，对现有教学内容进行数字化“案例教学”拓展。根据听课学生的总体听课状态和理解水平基础，不断补充展现个性化的讲解和提示，以提高学生对知识的掌握。