虛擬仿真實驗模塊在車輛工程專業實驗教學中的應用

喻曹豐 陳清華 汪選要 張國榮

摘要：隨著科學技術的快速發展，基于計算機的虛擬仿真技術在實驗教學中的應用越來越多。車輛工程是一門工程應用型學科，旨在培養學生的自主學習和工程實踐能力，其中實驗教學環節起到了非常重要的作用。但基于實驗條件的局限性，全國大部分高校均難以滿足車輛工程專業的實驗設備、實驗場地、實驗環境等特殊需求。因此，設立虛擬仿真實驗室，借助虛擬仿真技術，搭建車輛工程專業實驗教學模塊，能在一定程度上降低實驗成本，提高學生的學習和工程實踐能力。

關鍵詞：虛擬仿真；車輛工程；實驗教學

中圖分類號：U467 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）17-0276-03

一、前言

車輛工程是一門工程應用型學科，旨在培養出能從事汽車工程技術領域設計制造、科研開發、應用研究、經營管理和市場營銷等工作的復合型高級專業人才，其中實驗教學是培養學生工程實踐能力的重要環節，在人才培養過程中具有非常重要的作用。然而，受到實驗場地、實驗儀器設備臺套數、實驗經費使用等諸多因素的影響，使得學生在實驗過程中親自動手實踐的機會有限，嚴重影響了教學效果。通過設立虛擬仿真實驗室，借助虛擬仿真技術，搭建車輛工程專業實驗教學模塊，能在一定程度上降低實驗成本，提高學生的學習和工程實踐能力，提升教學質量。

二、虛擬仿真實驗教學模塊的搭建方案

1.汽車結構拆裝虛擬實驗模塊。汽車結構拆裝實驗主要用于汽車工程導論、汽車構造、發動機原理等車輛工程專業課程，使學生了解汽車總體構造及其連接關系，了解各部分結構的功能和運動形式。傳統汽車構造實驗教學成本高、資源消耗大，并且需將實體結構拆開以了解零部件內部構造，而部件結構在拆開狀態下又無法運行，因此在傳統實驗中無法同時表現汽車結構的內部構造及其運動狀態。

采用虛擬仿真技術，研發“汽車結構拆裝虛擬仿真實驗教學系統”，使用虛擬顯示技術創建的一種可以完全或部分代替真實實驗的各種操作的模擬環境，學生可以進行各種汽車虛擬裝配和拆裝實驗、實訓操作，了解汽車構造與裝配原理、步驟，以及鍛煉操作技能，使學生更加直觀地學習汽車構造和工作原理。如圖1所示，本系統包含四個實驗子模塊：汽車原理與構造認知子模塊、汽車底盤結構分析與虛擬拆裝子模塊、發動機結構分析與虛擬拆裝子模塊、變速箱結構分析與虛擬拆裝子模塊。

采用虛擬仿真技術幫助學生認識汽車構造，了解底盤、發動機和變速箱總成、部件、零件的結構、裝配關系，使學生在沉浸式虛擬環境下自主學習各總成的拆裝，有效地解決了真實實驗無法同時表現結構內部構造與工作狀態的問題。

2.車輛性能測試虛擬仿真實驗模塊。如圖2所示，車輛性能測試虛擬仿真實驗模塊應用于汽車理論、內燃機原理、汽車實驗學等專業課程實驗，包括車輛動力性能仿真實驗教學平臺、車輛制動性能仿真實驗教學平臺、車輛經濟性能仿真實驗教學平臺、車輛操縱穩定性能仿真實驗教學平臺。應用此實驗模塊可以實現開放式虛擬仿真實驗教學功能。

3.汽車模擬駕駛虛擬實驗模塊。汽車模擬駕駛虛擬實驗模塊主要用于汽車理論、汽車電子控制技術等車輛工程專業課程，使學生了解汽車理論知識在汽車上的應用及電子控制技術的實現形式。傳統汽車駕駛實驗教學不僅需要特定的場地、專業的司機，還浪費了大量的資源，成本較高，同時可重復性不高。學生在完成該項實驗時多處于感興趣的狀態且走馬觀花，對涉及的理論知識思索得不夠。采用虛擬仿真技術研發了“汽車模擬駕駛仿真實驗教學系統”，使用虛擬現實技術創建的一種可以完全或部分代替真實實驗各種操作的模擬環境。

本系統包含四個實驗子模塊：轉向理論認知子模塊、制動理論認知子模塊、操作穩定性認知子模塊和汽車電子技術認知子模塊，如圖3所示。

三、虛擬仿真實驗教學模塊的具體應用

1.汽車結構拆裝虛擬實驗模塊。汽車發動機是汽車最重要的系統之一，發動機的拆裝是熟悉汽車動力系統的重要環節，利用虛擬仿真技術研發汽車結構拆裝虛擬實驗模塊，虛擬設置整車的各部分結構，建立三維互動模型，呈現逼真結構，提高學生的學習興趣。學生通過對汽車發動機結構的虛擬拆卸、安裝，快速掌握汽車發動機的結構組成，提升教學效果。

2.車輛性能測試虛擬仿真實驗模塊。汽車動力性仿真實驗教學平臺包括汽車動力性指標、汽車驅動力和行駛阻力以及驅動力—行駛阻力平衡圖、動力特性圖（包含各檔位下的驅動力曲線、加速度曲線、爬坡度曲線）和汽車的功率平衡圖。系統建立汽車動力性能的影響參數與汽車動力性指標的函數關系。在系統面板的左半區域是汽車動力性的影響參數，右半區域是汽車動力性的指標顯示區域和系統控制區域，中間面板是汽車動力性所涉及的一些特征曲線。

通過車輛性能虛擬仿真實驗教學仿真平臺的使用，使學生理解并掌握車輛動力性模型的建立和計算。理解車輛各性能的影響因素，在今后的車輛性能優化學習過程中產生感性和理性的認識，了解車輛各性能特征參數曲線的變化趨勢。圖6為汽車模擬駕駛與操穩性能實驗界面，圖7為車輛動力性能仿真實驗教學平臺前面板。

3.汽車模擬駕駛虛擬實驗模塊。利用計算機技術、虛擬仿真技術和3D沉浸式交互顯示系統，可設置不同的道路、場景，使學生具有身臨其境的視覺，提高學生對汽車駕駛體驗感，提高教學效果。圖8為汽車的模擬駕駛場景。

四、結論

采用計算機仿真技術，結合先進傳感和3D沉浸式技術，搭建車輛工程專業實驗教學模塊，作為一種輔助實驗教學方式，用來彌補受實驗條件限制的實物實訓實驗系統，對車輛工程專業人才培養具有重要意義。虛擬仿真實驗教學平臺具有降低實驗教學成本、提升學生學習效率、減輕教師教學負擔等諸多優點，隨著科學技術的進一步發展，虛擬實驗教學模塊開發周期和成本的降低，先進傳感技術和3D沉浸式渲染技術的提高，未來更逼真、更豐富、更高效的虛擬仿真實驗教學模塊會被開發出來，并應用到車輛工程實驗教學中去。

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