車輛工程虛擬仿真實驗教學體系與平臺的構建

江浩斌, 潘公宇, 楊曉峰, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

車輛工程虛擬仿真實驗教學體系與平臺的構建

江浩斌, 潘公宇, 楊曉峰, 耿國慶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院, 江蘇 鎮江 212013)

江蘇大學車輛工程虛擬仿真實驗教學中心，以夯實學生的車輛動力學專業基礎知識，引導學生探索車輛安全和新能源汽車技術創新，強化學生的先進制造工程能力為宗旨，踐行工程教育專業認證理念，建立了以畢業要求為導向、涵蓋車輛工程專業主干課程、虛實融合的先進實驗教學體系，以及科研成果轉化為虛擬實驗資源的快速通道，形成了“實驗模塊先進、系列化、可拓展”“多學科協調參與、資源共享”“輻射范圍廣”等特點，為車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供新的模式和理念。

虛擬仿真； 教學體系； 車輛工程

0 引 言

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[1-4]。虛擬仿真實驗教學中心建設工作以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質資源為重點，極大地推進了實驗教學信息化建設和實驗教學資源的開放共享，推動了高校實驗教學改革與創新[4-5]。汽車產業是我國國民經濟的支柱產業，節能與新能源汽車是我國七大戰略新興產業之一，也是“中國制造2025”戰略規劃中的十大重點領域之一。當前，我國的汽車工業正逐步從“汽車大國”向“汽車強國”轉型發展，未來我國汽車產業尤其是新能源汽車產業，急需一大批高素質創新型人才。因此，探索并建立多層次、立體化、虛實結合、教研互補的實驗教學體系，是培養汽車產業轉型發展時期創新型人才的重要保障[6-14]。

車輛工程虛擬仿真實驗教學中心堅持以社會需求和行業發展為導向，以全面提高大學生實踐和創新能力為宗旨，以建設網絡化、信息化實驗教學資源為重點，按照“能實不虛、以虛補實”的思路，實現真實實驗不具備或難以實現的教學效果，尤其對于那些涉及高危或極端環境(如車輛碰撞實驗)、不可及或不可逆的操作(如自動變速器換擋油路模擬等)，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目(如汽車操縱穩定性實驗等)，從實驗教學思想、體系、模式、內容、方法手段等方面進行系統化設計，使學生在自主交互的虛擬環境中完成各類實驗。

1 車輛工程虛擬仿真實驗教學體系內涵

1.1 基本概況

車輛工程虛擬仿真實驗教學中心成立于2012年，是在校級汽車虛擬仿真實驗室(建于2005年)基礎上，依托于“國家級工程訓練中心(工業中心)”和“車輛工程國家級工程實踐教育中心”“混合動力車輛技術國家地方聯合工程研究中心”“江蘇省汽車工程重點實驗室”“江蘇省道路載運工具新技術應用重點實驗室”“車輛工程國家級特色專業”和國家首批“卓越工程師計劃”專業建設點等教學科研平臺，逐步發展而成。

中心具有一支教學水平高、科研能力強、實驗技術能力過硬的實驗教學隊伍。其中，實驗項目建設骨干教師23人，實驗指導教師24人，信息化建設維護人員5人，企業技術人員10人，校內外兼職人員6人。

中心通過自主研發、科研成果轉化和聯合開發等模式，構建了“汽車構造原理與虛擬拆裝”“汽車性能仿真”“汽車電子與測試技術”“新能源汽車”及“汽車制造技術”等5大虛擬仿真實驗教學平臺，主要服務于“車輛工程”“機械設計制造及其自動化”“熱能與動力工程”等專業。

1.2 建設理念

實現汽車產業轉型發展需要大批創新型專業人才、培養創新型專業人才需要更完善的實踐教學體系及先進的虛擬實驗教學平臺。通過建設開放型、網絡化、多層次、綜合性的車輛工程虛擬仿真實驗教學平臺，以彌補許多真實實驗項目受場地、成本、安全等因素制約的缺陷，解決目前學生工程實踐能力缺乏和創新意識缺失的核心問題，緩解教學內涵相對于產業發展水平滯后，師資工程能力薄弱、實踐訓練環節不夠的矛盾，實現教學資源最大化利用，是改革和創新車輛工程人才培養手段的必然發展方向。

1.3 中心特色

(1) 踐行工程教育專業認證理念。建立了以畢業要求為導向、虛實深度融合、涵蓋車輛工程專業“結構-理論-設計-測試”主干課程的先進實驗教學體系。深入分析虛擬仿真實驗對基礎理論課程和專業課程知識學習的支撐作用，以及虛擬仿真實驗與實體實驗的互補性，按照“拓寬基礎、淡化專業、加強素質教育和創新能力培養”的思路來設計虛擬仿真實驗，從而構建了虛實結合、能實不虛、以虛補實的車輛工程專業主干課程實驗教體系，使學生既能接觸到先進的實體實驗，又能在虛擬仿真環境下開展自主性、探索性和研究型學習，同時也可以培養教師的創新意識，提高他們理論水平和工程實踐能力。

(2) 建立科研成果轉化為虛擬實驗資源的快速通道。結合工程實踐項目，運用工程化軟件，既保證虛擬實驗項目的先進性，又能鍛煉學生的工程“實戰”能力。將教師的科研成果及時轉化為虛擬仿真實驗資源，在中心網站上開設了教師和學生申請虛擬仿真實驗開發項目的窗口，聘請了虛擬仿真軟件后期加工制作專業技術人員，為教師和學生及時將科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目提供相應的軟件技術服務，采用工程化專業軟件開發，與企業實際產品研發緊密聯系，保證了虛擬實驗項目與工程實踐的無縫對接，對于鍛煉學生的工程“實戰“能力具有重要作用。

(3) 率先建立新能源汽車虛擬仿真實驗平臺。不斷融入電池、電機、電控等新知識，主動適應新能源汽車產業對專業人才的新要求。針對新能源汽車的產業關聯性強、技術帶動面大，尤其是動力電池、驅動電機、電子控制等核心技術急需大批高素質創新型人才的現狀，近年來，中心充分吸收“新能源汽車優勢學科”“混合動力車輛技術國家地方聯合工程研究中心”“江蘇省電動車輛驅動與智能控制重點實驗室”的科研成果，并及時進行轉化，逐步開發了單體電池材料設計與合成、動力電池性能仿真、驅動電機虛擬設計與優化、電動助力轉向系統性能虛擬測試、制動能量回收系統控制虛擬測試等實驗項目，率先建成了新能源汽車虛擬仿真實驗平臺，從而滿足新能源汽車產業發展對車輛工程專業人才的新要求。

1.4 創新舉措

(1) 建設模式創新。依托2個國家級教學平臺“國家級實驗教學示范中心(江蘇大學工業中心)”和“車輛工程國家級工程實踐教育中心”，1個國家級科研平臺“混合動力車輛技術國地聯合工程研究中心”，8個省級教學科研平臺“江蘇省汽車工程重點實驗室”“江蘇省道路載運工具新技術應用重點實驗室”“江蘇省電動車輛驅動與智能控制重點實驗室”“江蘇省新能源汽車公共技術服務平臺”“江蘇省新能源汽車運行智能技術工程實驗室”“江蘇省中小功率內燃機工程中心”“江蘇省動力機械清潔能源與應用重點實驗室”和“江蘇省生物柴油動力機械應用工程中心”，將虛擬仿真實驗中心建立在先進的科研平臺之上，以研哺教，強化了虛擬仿真中心的自主創新能力。

(2) 開發理念創新。校企緊密合作，虛實深度融合，面向車輛產品開發工程實踐，開發了具有工程性、探究性和創新性的系列實驗項目。堅持“加強基礎理論、提高工程能力”的理念，以提高學生綜合能力為主線，通過開展校企聯合開發，構建校內外工程能力培養的新機制，實現學校與業界深度融合，不斷開發源于企業產品工程的虛擬仿真實驗項目，從而實現理論教學與工程實踐訓練的深度融合。

(3) 運行機制創新。實施科研成果轉化、校企聯合開發等激勵機制，基于學分互認的校內外開放共享機制，增強了虛擬仿真中心的持續創新動力，提高資源共享成效。中心制訂并實施了一系列規章制度，形成了虛擬仿真實驗項目自主開發和聯合開發的長效機制。通過在校內實行學分認定、在校際實行網絡實驗校際學分互認，擴大中心的輻射面和資源利用率，促進中心建設的持續創新。

2 拓展車輛工程虛擬仿真教學資源

中心創建了5大虛擬仿真實驗教學平臺、15個模塊、48個實驗項目。相關專業的學生不僅可以應用實驗平臺直接進行相關實驗， 而且可以通過平臺提供的仿真軟件和虛擬儀器自由搭建合理的典型實驗，為拓展學習提供了良好的平臺。推動了信息化條件下自主學習、探究問題的綠色實驗教學方法的改革，對于提高教學能力、豐富教學內容、拓展實踐領域、降低成本和風險起到了良好的作用。

(1) 汽車構造原理及拆裝虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺由發動機構造原理及拆裝模塊和汽車底盤構造原理及拆裝模塊兩大部分組成。由于實體的拆裝需要零部件的教具和儀器設備多，不能滿足每位學生的學習需求，限制了學生興趣和特長的發揮。虛擬仿真實驗教學平臺使學生自由、方便地實現實驗操作，使學生從不同視點、不同角度反復觀察和拆裝，彌補了實體實驗的不足。透明化的處理使學生能清晰地觀察到內部部件的運動、潤滑液的流動、燃燒的過程等，激發學生的學習熱情，加深了課堂學習的理解。圖1所示為汽車構造原理及虛擬拆裝平臺的操作界面，學生通過該平臺可便捷、重復地開展汽車構造原理的學習和虛擬拆裝。

圖1 汽車構造原理及虛擬拆裝界面

(2) 汽車性能虛擬仿真實驗教學平臺。汽車性能是車輛專業學生需深刻認識和理解的內容，同時也是汽車設計開發的重要因素。由于條件限制，實車實驗不但成本高，且實車道路試驗(特別是極限工況試驗)存在較高的危險性。在實驗教學過程中，學生經常不能接觸到實驗設備，缺乏對實驗技能的培養。另外，實車實驗不能分析汽車性能的影響因素，不利于學生深入理解汽車的性能與相關結構參數之間的關系。為使學生能從實踐的角度理解汽車性能及其影響因素，提高實踐和應用能力，中心構建了汽車性能虛擬仿真實驗教學平臺，通過虛實結合的方式，幫助學生鞏固汽車理論知識，激發專業興趣，掌握實驗方法技能，培養實踐動手能力。圖2為汽車碰撞的虛擬仿真實驗，圖3為汽車性能的虛擬仿真界面。

圖3 汽車性能虛擬仿真界面

(3) 汽車電子和測試技術虛擬仿真實驗教學平臺。汽車電子及其控制技術是現代汽車的不可缺少的部分。實體實驗雖然能使得學生觀察到某些現象和結果，但缺乏對其控制過程和理論的理解。有限的實驗時間和專門實驗裝置，很難保證每位同學能實際接觸到每個儀器的操作。通過虛實結合使得學生對測試信號技術，控制技術，電子線路故障診斷等有更深入的認識。信號測試分析是工科學生工程能力的重要部分，現在的測試儀器雖然能較方便采集到各種信號，但分析試驗數據需要更基本的基礎理論知識。虛擬試驗解決了如信號采集、頻譜分析、電池電化學工作原理等關鍵的基礎實驗內容。圖4所示為汽車電子和測試技術的虛擬仿真實驗平臺界面。

圖4 汽車電子和測試技術虛擬仿真平臺

(4) 新能源汽車虛擬仿真實驗教學平臺。新能源汽車是世界汽車產業發展的必然方向，是解決全球石油能源危機、大氣環境污染等難題的理想選擇。對于我國而言，發展新能源汽車是提高我國汽車產業競爭力、保障能源安全和發展低碳經濟的重要途徑。通過虛擬仿真實驗，幫助車輛工程專業的本科生學習和掌握新能源汽車中的電池、電機及電控等關鍵部件的結構原理、設計和性能測試方法等基礎知識，以滿足新能源汽車產業發展對車輛工程專業人才的新要求具有重要意義。圖5為新能源汽車虛擬仿真實驗平臺界面。

圖5 新能源汽車虛擬仿真平臺界面

(5) 汽車制造技術虛擬仿真實驗平臺。當今汽車制造技術的發展將實現制造過程的計算機輔助設計、工藝計劃、控制和管理，并采用自動化的生產系統，以使產品質量達到高度的一致性[15]。這其中主要包括主要零部件的制造技術和車身制造裝配等。通過虛擬仿真實驗能使學生充分了解和掌握車身制造焊接技術，各典型零部件的制造加工等新技術、新工藝，畢業后能快速融入工作實踐。圖6為汽車制造技術的虛擬仿真實驗平臺界面。

圖6 汽車制造技術虛擬仿真實驗平臺界面

3 結 語

車輛工程虛擬仿真實驗教學中心，以“夯實學生的車輛動力學專業知識基礎，引導學生探索車輛安全和新能源汽車技術創新，強化學生的先進制造工程能力”為宗旨和主線，踐行工程教育專業認證理念，建立了以畢業要求為導向、涵蓋車輛工程專業主干課程、虛實融合的先進實驗教學體系；建立了科研成果轉化為虛擬實驗資源的快速通道，結合工程實踐項目，運用工程化軟件，既保證虛擬實驗項目的先進性，又能鍛煉學生的工程“實戰”能力；形成了“實驗模塊先進、系列化、可拓展”、“多學科協調參與、資源共享”、“輻射范圍廣”等特點，為車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供新的模式和理念。

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Construction of Vehicle Engineering Virtual Simulation Experimental Teaching System and Platform

JIANGHaobin,PANGongyu,YANGXiaofeng,GENGGuoqing

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

The Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Vehicle Engineering in Jiangsu University aims to strengthen students’ professional foundation knowledge of vehicle dynamics, guide the students to explore the innovation of vehicle safety and new energy vehicle technology and strengthen their abilities of advanced manufacturing engineering. It puts the accredited idea of higher engineering education into practice, and establishes the advanced virtual-real experimental teaching system which is guided by graduation requirements, covers the main vehicle engineering courses. Quick access for transforming scientific research achievements to virtual experiment resources is built. The teaching center forms the characteristics of advanced, serial and expandable experiment modules, multidisciplinary coordination, resources sharing and wide scope of impact. Moreover, the teaching center provides new modes and ideas for practical teaching and the innovative talent training in vehicle engineering.

virtual simulation; teaching system; vehicle engineering

2016-09-21

江浩斌(1969-)，男，江蘇啟東人，博士，院長，主要研究方向：車輛動力學性能分析與電控技術。

Tel.：0511-88780272； E-mail: jianghb@ujs.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)06-0114-04