車輛工程虛擬仿真教學平臺建設及線上實驗教學管理

（重慶理工大學車輛工程學院,重慶 400054）

0 引言

隨著車輛工程領域的迅速發展，智能與新能源汽車等新技術不斷涌現，給車輛工程實驗教學帶來極大困難。虛擬仿真教學手段在車輛工程領域的應用有助于解決上述困難[1]。重慶理工大學車輛工程實驗教學示范中心擬在整合現有設備的基礎上，建設覆蓋車輛全生命周期的車輛工程虛擬仿真教學平臺，并進行相應的線上教學方式改革。

1 虛擬仿真實驗教學體系建設與課程改革思路

根據車輛工程學科人才培養需要，根據本科人才培養需要，堅持“虛實結合，能實不虛”的原則，針對本科實驗教學中成本高、危險性大的實驗項目展開虛擬仿真實驗教學建設[2]；擬整合現有虛擬仿真實驗教學資源，以滿足汽車全生命周期教學需求為主線，建設汽車設計、汽車性能分析、汽車制造技術、汽車試驗技術、汽車服務工程等五大虛擬仿真實驗教學平臺；每一虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容均以車輛工程、熱能與動力工程、汽車服務工程、工業工程相關核心課程實驗需求為導向，對核心課程教學提供有力支撐；建立相應管理機構與管理制度，加強虛擬仿真實驗教學人才隊伍建設，建立功能完善、支撐有力的虛擬仿真實驗教學信息化網絡平臺，切實提高虛擬仿真教學應用水平，將平臺打造成為一流的車輛工程虛擬仿真實驗教學中心。通過虛擬仿真資源進行實驗課程線上教學改革與探索，建立功能完善、支撐有力的虛擬仿真實驗教學網絡化教學模式，切實提高虛擬仿真教學應用水平，提升人才培養質量[3]。

2 覆蓋車輛全生命周期的虛擬仿真實驗教學平臺構建

虛擬實驗平臺的構建需要在現有實驗教學資源的基礎上進行合理規劃，實驗室目前已經具備的虛擬仿真實驗教學資源包括：

（1）景格汽車構造虛擬裝配系統。實驗室目前擁有景格公司汽車構造虛擬裝配虛擬實驗系統一套，該虛擬實驗系統采用虛擬仿真技術建立完整車輛模型及拆裝工具等環境，學生可在虛擬環境中自行選擇工具對虛擬車輛進行拆解和裝配，可讓學生在實際動手前熟悉車輛結構。

（2）汽車駕駛模擬仿真系統。該系統具備與實際車輛完全一樣的方向盤、油門踏板、加速踏板、變速器操縱桿、手剎、燈光及雨刷控制裝置等操縱裝置，以顯示器模擬車輛行駛外部環境和車輛運動，可以模擬車輛駕駛過程，讓學生熟悉車輛駕駛操作。該仿真系統主要用于汽車駕駛實習前讓學生熟悉車輛操作。通過該仿真系統的使用，可以讓學生在駕駛實際車輛前熟悉車輛操作，縮短了駕駛實習時間，提高了駕駛實習實車的使用效率，同時降低了駕駛實習的危險系數，實際使用效果較好。

（3）車輛空氣動力學與碰撞虛擬仿真系統。采用工作站模擬車輛空氣動力學試驗以及車輛碰撞試驗等大型試驗。學生可以通過計算機演示熟悉車輛空氣動力學試驗過程，觀察試驗結果，可以通過計算機模擬熟悉車輛碰撞試驗過程，觀察模擬計算的碰撞結果等。風洞試驗及車輛碰撞試驗設備昂貴，過程復雜，在教學中很難用真實設備進行演示，通過計算機進行仿真，能讓學生直觀地認識這些復雜的實驗過程，并根據計算機仿真結果對實驗結果進行觀察，加深直觀認識，使用效果較好。

車輛工程虛擬仿真實驗教學中心擬建設汽車設計、汽車性能分析、汽車制造技術、汽車試驗技術、汽車服務工程等五大虛擬仿真實驗教學平臺，每一虛擬仿真實驗教學平臺的功能及主要建設內容如下：

（1）汽車設計虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺主要支撐車輛工程、熱能與動力工程、汽車服務工程、工業設計工程等專業本科及研究生汽車結構認知、設計等教學需要。平臺包括：汽車結構虛擬裝配系統、汽車外形與內飾虛擬設計系統等子模塊。汽車結構虛擬裝配系統：以景格虛擬拆裝軟件系統為基礎進行完善，建立整車和發動機結構虛擬拆裝實驗平臺，學生隨時通過網絡連接系統進行拆裝，提高學生對車輛結構的認知水平。需要針對多種典型車輛和發動機結構，建立體系完整的汽車構造虛擬拆裝平臺。汽車外形與內飾虛擬設計系統：引進數據頭盔、數據手套、高清投影機建立CAVE三維虛擬現實設計平臺，對整車外觀數字化設計方案評審、整車內飾數字化設計方案評審、汽車零部件外觀設計的數字化設計方案評審、車身及內飾的數字化設計方案、汽車操縱界面的操作舒適性、汽車內外視野的主觀評價提供支撐環境。

（2）汽車性能分析虛擬仿真實驗教學平臺。引進汽車駕駛模擬器和高清投影顯示系統，建立汽車虛擬駕駛平臺，對車輛自動駕駛控制與仿真、車輛動力學控制與仿真、汽車空氣動力學分析與仿真、汽車結構強度與主動安全仿真分析等提供實驗支撐環境。

（3）汽車制造技術虛擬仿真實驗教學平臺。對基本制造工藝、汽車制造四大工藝提供視頻、模擬操作等虛擬教學資料。具體包括車、銑、刨、磨等基本加工工藝的虛擬仿真操作，數控機床的虛擬仿真與操作，汽車沖壓、焊接、涂裝、總裝等四大工藝的視頻及互動展示，為汽車制造技術教學提供有力的數字化支撐。

（4）汽車試驗技術虛擬仿真實驗教學平臺。構建汽車動力與傳動系統、車輛操縱穩定性、汽車振動等虛擬實驗環境，提供基于虛擬儀器技術的實驗測試環境，可以完成多種虛擬實驗，為汽車理論、汽車電子與電器、內燃機原理、汽車試驗學等多門核心課程提供虛擬教學手段。

（5）汽車服務工程虛擬仿真實驗教學平臺。引進景格軟件和德國汽車檢測診斷與故障模擬教學系統，可實現車輛各電控系統故障在線模擬與在線檢測、故障排除等，對汽車服務工程教學提供虛擬仿真手段支撐。

3 以虛擬仿真實驗為基礎的線上實驗教學管理

基于5大虛擬仿真實驗教學平臺，開展線上實驗教學體系改革，包括：

（1）虛擬仿真實驗線上教學硬件平臺構建。引進數據手套、數據頭盔、高清投影系統、CAVE虛擬現實系統、汽車模擬駕駛系統等設備，構建虛擬實驗教學硬件支撐環境，為各子系統建設提供硬件平臺支撐，這些系統也是虛擬仿真實驗教學平臺的亮點所在。

在虛擬與仿真運算平臺方面，目前學院建設有車輛動態模擬虛擬仿真實驗教學平臺，擁有十余臺工作站。結合各類虛擬仿真軟件，該平臺可以對車輛虛擬裝配、空氣動力學試驗與仿真、車輛結構安全與碰撞仿真、車輛動力學仿真等方面進行虛擬演示與虛擬試驗，讓學生了解各種復雜的車輛試驗過程。這些試驗的實際設備往往非常昂貴，通過計算機模擬實驗，既可以讓學生了解車輛開發過程，又節約了成本，且教學效果和效率都大大提高。

該平臺的工作站提供了強大的模擬與計算能力，可以以該平臺為依托開發各類車輛仿真與模擬試驗，為虛擬教學的開展提供了有力支撐。平臺內的計算機通過局域網連接，可以聯合運行與仿真，大大提高了信息化水平與仿真計算能力。計算機與外部網絡不聯網，保證了信息安全。

（2）虛擬仿真教學與管理人才隊伍建設。車輛虛擬仿真實驗主要適用于空氣動力學、結構安全、車輛動力學仿真模擬等過程復雜，成本較高的試驗，在這些方面，車輛學院都具有高水平的教師隊伍。學院在車輛空氣動力學仿真與模擬、車輛結構及安全仿真與模擬、車輛動力學仿真與模擬、車輛試驗技術等方面都有以教授為核心的團隊，各團隊具有較強的工程實踐經驗及豐富的教學經驗，人員構成合理，有利于將工程實踐與教學需求相結合，開發出既符合工程實際又滿足教學需求的虛擬仿真實驗。

（3）虛擬仿真實驗線上教學內容改革。根據5大教學平臺的布局，以各專業實際教學需求合理制定虛擬教學項目，通過購買與自行開發等方式搜集虛擬實驗素材與教學內容，豐富虛擬實驗教學平臺內容，對各專業核心課程教學提供有力的虛擬仿真實驗教學支撐。

（4）虛擬仿真實驗線上教學改革。依托學校力量，建設功能完善的虛擬實驗教學信息化網絡平臺，對所有數字化仿真實驗教學資源提供網絡接入服務，建立學生網上接入虛擬實驗教學資源、教學效果評價、提交實驗報告等功能，為虛擬仿真實驗教學提供有力的網絡與信息化平臺支撐。

4 總結

通過規劃建設，建成覆蓋車輛全生命周期的虛擬仿真實驗教學平臺，并形成與之相配套的信息化支撐平臺、人員隊伍、運行機制、教學運用，為車輛工程學科相關專業的本科及研究生實踐教學提供有力支撐。該虛擬仿真教學平臺彌補了采用實際設備進行教學中出現的臺套數不足、建設資金短缺、缺乏適用教學設備、部分項目危險性大等不足，有利于車輛工程相關教學的順利實施。