工程学科的专业课，既好讲也不好讲。好讲的一面是，工科专业课一般都有明确的应用场景和对象，不需要涵盖太多的基础理论内容，不那么抽象，相对而言学生好理解课程内容。不好讲的一面是，讲深了、讲多了可能过于复杂和枯燥，学生不好抓住原理和要点；讲浅了、讲少了可能成为科普，学生很容易从网上搜集到信息，会觉得没有学到“干货”。授课的内容和形式应该是繁还是简，是粗还是细，是深还是浅，与具体知识点要达到的教学目的有关，肯定没有一个统一的方法或标准。本文以我连续讲授了 16 年的“汽车碰撞安全基础”课程为例，和大家分享一些这方面的授课经验。作为教学经验分享，本文讨论的对象是工科专业课，不是基础课。工科专业课一般是面向高年级本科生或研究生的。

 “汽车碰撞安全基础”是清华大学汽车系 48 学时的研究生课程，需要该课程知识的研究生一般在入学的第一学期选修。该课程也可作为汽车专业高年级本科生的专业课。“汽车碰撞安全基础”是清华大学与德国亚琛工业大学联合培养研究生项目的指定课程，2004 年秋季学期首轮开设，一直是全英文授课，每年有 15~30 名的研究生选修，来自汽车系、机械系、工业工程系、航天航空学院等院系。近年来，由于清华大学国际学生人数增长较快，课程的国际学生比例从十多年前的一半左右增加到近几年的三分之二左右。以 2015 年为例，共有 26 名研究生正式选课，其中中国学生 6 名，来自亚琛的德国研究生 10 名，其他国际学生 10 名。

    “汽车碰撞安全基础”课程于 2007 年获得清华大学精品课程称号，后续也通过了每隔几年一次的精品课复评审。“汽车碰撞安全基础”的中文授课版于 2015 年在“学堂在线”以网络公开课的形式上线，到目前为止累计选课人数超过 3.7 万人，学员多为汽车企业的工程师或其他学校汽车专业的本科生或研究生。

    汽车碰撞安全性设计是汽车产品设计中的一个重要部分，良好的碰撞安全性能是法规、市场准入和市场竞争的基本要求，对减少道路交通事故伤亡具有重要的社会和经济意义。汽车碰撞安全技术是具有综合性和挑战性的核心技术，“汽车碰撞安全基础”课程系统地介绍了汽车碰撞安全的基本原理、设计理念和方法以及相关的前沿技术，是汽车系研究生培养环节中的一个关键组成部分。课程由 4 个单元 15 讲组成，分别介绍了汽车碰撞的运动学和动力学基础、汽车碰撞安全性评价方法、乘员约束系统的基本原理、人体与车身结构之间的相互作用、车身材料和结构在碰撞下的响应以及相关的前沿技术。

    在绪论之后，课程的第 2 讲是关于汽车碰撞波形与乘员乘降分析的内容，是课程最核心和最基础的部分。所谓汽车碰撞波形，就是汽车碰撞过程中乘员在车里感受到的冲击减速度随时间的变化历程，其原因和机理都很简单，就是汽车前部结构在碰撞下产生了大变形和破坏，在大约 0.2s 这么短的时间里，汽车的运动速度从其行驶速度变成零（见图 1），并有一定程度的反弹。所谓乘员乘降，就是在汽车速度很快变成零的过程里，车内的乘员如何与安全带和气囊等乘员约束系统发生作用，并完全停下来的动力学过程。

    汽车碰撞波形与乘员乘降分析是整个汽车碰撞安全性设计的基础。对100~200ms 的汽车碰撞过程，有很多重要的知识点和基本原理需要学生理解和掌握，所涉及的问题并不是一个简单的冲击减速度引起的车辆速度变化，进而引起车内乘员的相对速度变化以及乘员的惯性运动造成碰撞接触和损伤的问题。针对这样一个看上去简单但实际非常重要的概念，我的授课思路是，以一个实际的碰撞试验数据为例，把这样一个看似简单的过程，用 6 个学时的时间，一步一步地细致梳理和讲解。仅图 1 显示的几张幻灯片以及前后大约 10 张幻灯片就至少讲解了 1 个学时，包括该典型汽车碰撞试验的所有宏观运动学响应曲线，有减速度、速度和位移随时间的变化曲线，细致讲解曲线上每一个时间段和每一个特征对应的车辆状态、车内乘员状态以及对应的车辆前端结构的变形和破坏及相关的力学机理。  

图1 碰撞过程中车辆的运动学响应曲线、特征及对应的力学机理

    这个例子是把一个看似简单的问题首先进行分解，然后对每一部分进行细致的讲解，由简变繁，这么做是由该知识点的重要性和基础性决定的。在课程开设的最初两三年中，我其实并不是采用这个讲法，我当时认为这个问题很简单，讲得比较简单，而且不是通过试验实例讲授，是根据一个简化力学模型推导汽车碰撞过程的运动学和动力学响应。当时觉得那样的讲法比较“理论”，但经历了最初两三轮的讲授以后，我发现学生对这个概念的理解并不像我预期的深入和准确，之后才形成了如图1 展示的这个以实际汽车碰撞试验数据为例的讲法，并一直沿用至今。并且，为了加深学生理解的程度，设计了一个大作业，给学生另外一个不同车型的试验数据，让学生按上课讲过的过程重复一遍。课堂讲解的时候是直接展示从加速度数据到速度曲线以及位移曲线的结果，在大作业中则要求学生自己从加速度数据通过数值计算得出速度曲线，同时找出曲线上相应的特征。

    课程的第 5 讲是关于汽车座椅安全带与气囊的知识。气囊是非常重要的乘员保护装置，和大众消费者一样，学生在上课之前对气囊已经有了一些感性的认知，但谁也没有真正接触过、设计过气囊，也不清楚其作用原理，所以和普通汽车消费者一样，学生已经具有的气囊知识很可能有误区。无论是安全带还是气囊，作为汽车里重要的装置，设计起来并不容易。学生如果毕业以后去汽车企业或者汽车零部件企业工作并从事汽车安全性设计的话，安全带和气囊设计是必须掌握的知识和技能。但我考虑，具体的设计技能和优化方法只是比较复杂，本身并无难度，即使学生在课上学会了这类知识性的东西，如果暂时不用的话，很快就会忘掉。而且装置技术和设计方法总在进步，以后学生如果从事这方面的工作，还是要根据企业的设计规范和流程重新学习和掌握，因此，不应该花费宝贵的课时去讲解具体的设计优化，也不需要学生课后通过作业去练习和掌握相关的设计方法。我在课上只讲气囊的工作原理以及气囊设计和应用中经常会被忽略的风险，也就是消费者对气囊作用和风险的认识误区，  气囊与安全带的关系，相关技术发展的脉络是如何导致这样的关系，等等（见图 2）。

图2 汽车气囊的碰撞保护工作原理与气囊对乘员的风险

    授课中这个关于气囊的例子，是把一个比较复杂的设计问题，以原理和相对宏观的方式粗略来讲解，只把原理、重点和误区讲清楚，不需要学生学习和掌握具体的设计和优化方法。讲解时先结合之前的车身结构碰撞响应单元的学习内容，分析为什么气囊作为乘员碰撞保护手段是座椅安全带的必要补充，气囊技术是在什么样的要求、环境和历史条件下发展起来的，这样的过程导致的负面效果的原因和机理是什么，进而讨论在汽车销售环节中常见的夸大气囊功能和误导消费者的现象，并结合实际交通事故和消费者对厂家的气囊诉讼案例予以说明，再介绍为什么未来的智能乘员保护技术有可能解决这一困境的原理。在讲授和讨论过程中，也呼应了之前单元的乘员碰撞受伤机理的内容，并为后续单元的智能乘员碰撞保护技术埋下了伏笔。这样一个 3 学时的授课单元不仅使学生了解了气囊的基本原理和功能，也使学生可以站在整个乘员保护系统的高度和技术发展历史的角度，对气囊技术的由来及其正面和负面效果有一个全面的认识，知其然，也知其所以然。这一讲对学生学习产生的效果是，对学生上课之前对气囊的认知带来了一定的震动，并在讲授中加几个设计和交通事故中的故事，使学生容易记住相关的原理。和这一讲有关的作业和考试也只考察学生是否改变了原来的误区或者认知，是否从原理上理解了气囊的风险。这个讲法是，只讲整体，忽略细节，由繁变简。

    基础课和专业基础课有比较固定的教学范式和材料积累，知识和理论的变化不快，授课效果更多是看课程的内容设置和结构是否合理，老师讲解起来是否逻辑清晰，给学生的训练量是否足够大。而工科的专业课，由于应用性强，内容和技术变化快，我觉得重要的是让学生了解和掌握不变的基本原理。授课效果更多依赖教师的科研经验和实际工程经验，能结合前沿技术和工程实际选取合适深度的授课材料，可以通过实际工程案例和故事使学生容易记住需要记住的原理。针对不断变化的知识和总在进步的技术，只进行宏观介绍，并不花过多时间去讲授，需要的话，学生可以自学或者工作以后再学。我认为，这样的教学方式也便于在传授知识和技术的同时培养学生的思维方法。