車輛工程專業傳統與模擬仿真實驗教學整合與優化

摘? 要 為培養學生的工程實踐能力，車輛工程專業課程有較多實驗教學模塊，但受實驗設備和場地等部分條件限制，傳統實驗教學很難達到實驗所需。隨著虛擬仿真技術的發展，車輛工程專業在傳統+模擬仿真實驗教學方面進行整合與優化，研究傳統與虛擬仿真整合的實驗教學策略，解決傳統實驗教學中出現的一些問題。

關鍵詞 車輛工程;虛擬仿真;實驗教學;汽車理論;工程教育

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）16-0119-04

1 引言

在國家大力發展應用型人才的背景下，已經有學者意識到車輛工程專業改革的必要性，也從工程教育等方面提出改革新思路，但是由于受到現存實驗教學體系的限制，并沒有改變車輛工程專業學生實踐能力不足的現狀。面對車輛工程專業傳統的實驗教學模式比較單一，操作的步驟比較刻板，實驗時間長且效率較低，設備投入較多且較為陳舊等問題，部分高校開展傳統教學與虛擬仿真教學，并與車輛工程專業的實驗、實踐教學相結合，以提高學生的實踐操作能力和創造力。在此基礎上，本文對車輛工程專業的傳統與虛擬仿真實驗教學模式進行研究，并提出整合優化的策略。

2 車輛工程專業傳統實驗教學存在的問題

教學方法上? 傳統的車輛工程專業實驗教學方法比較單一，僅僅是按照書本上的一些實驗進行操作，且受到教學時間和空間上的限制，學校的實驗室不能夠對學生全天候開放，在教學過程中常常采取教師演示和講解為主的方式，受實驗課時制約，學生親自動手實踐較少且效率較低。尤其是汽車理論課程相關的實驗，所需設備較昂貴，學生對涉及的動力性實驗、操縱穩定性實驗等所需的傳感器、相關測試設備等的安裝、使用幾乎不了解，實驗過程僅僅是跟著車跑一趟，而且學生沒有一個平臺可以了解實驗的內容、實驗過程中可能出現的問題等，不利于學生實踐操作能力的提升。如果部分采取傳統實驗教學，部分采用駕駛模擬器進行虛擬仿真實驗，兩者相結合，能使學生較好地理解實驗內容，提取實驗數據。

教學內容上? 很多實驗都是演示實驗，并不能培養學生的調試和解決問題的能力，且多數實驗是在教師的指導下進行，學生本身很少有自己的思考，較難做到驗證性及設計性等綜合性實驗，導致無法做到舉一反三。此外，受到實驗設備、實驗場地等條件的限制，車輛工程專業的很多實驗無法正常開展，比如汽車理論課程的動力性實驗、操縱穩定性實驗（包括穩態回轉實驗、DLC雙移線實驗等）等一些需要專門采集數據設備、專門實驗場地的實驗，建設汽車理論性能實驗場的價格十分昂貴，讓每個高校都建立專門的實驗場顯然不夠現實。雖然現在部分高校采取和汽車性能試驗機構或汽修廠合作的方式進行教學，但是實驗效果并不是很好，且實驗準備時間較長，依然不能較好完成一些特定的實驗項目并提取實驗數據進行分析。

教學評價上? 車輛工程專業傳統的實驗教學對學生的考核方式較為單一，由于是班級授課，學生較多，難以保證每位學生都有實踐動手機會，這就導致難以根據每位學生在實驗過程中的表現來進行考核，其后的實驗報告撰寫內容往往也以識記的內容為主，存在較大的抄襲空間，無法客觀真實地反映一個學生的實驗操作能力并做到客觀評價，缺少針對性的問題發現，不利于后續學生綜合應用能力的提高。

3 車輛工程專業虛擬仿真實驗教學模式簡介

教學模式理念? 響應國家的號召，為了實現產業轉型升級，高校應培養大批的應用型人才，這就需要教學上對實驗實踐教學更為側重，構建有利于培養應用型人才的實驗教學模式。目前，通過在傳統實驗教學上建設開放型、多層次、綜合性的車輛工程專業虛擬仿真實驗教學模式，彌補很多受場地、設備等限制的車輛實驗項目，以提高車輛工程專業學生實踐動手能力及加強相關實驗數據采集、整理，并對實驗項目進行分析、評價。傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學能有效緩解高校教學內涵與產業發展不協調、設備更新不及時等的矛盾，是車輛工程專業教學改革、培養應用型人才的必然趨勢。

教學模式特色

1）堅持車輛工程教育專業認證的理念。虛擬仿真實驗教學模式建立了虛實高度融合、覆蓋車輛工程專業主干課程的全新的實驗教學體系，在深入分析虛擬仿真實驗對車輛工程專業的基礎課程與專業課程的作用的前提下，根據“夯實基礎、加強專業素質教育、提高創新能力”的思路來設計相關的虛擬仿真實驗，使得學生不僅可以接觸到實踐實驗，也能在虛擬仿真的教學情境中進行探索性和創新性的學習，在實驗教學過程中也可以提升理論水平以及工程實踐能力。

2）搭建科研成果迅速轉化為虛擬實驗教學的通道。車輛工程專業的虛擬仿真實驗教學過程中，能夠將教師的科研成果迅速轉化為虛擬實驗教學資源，進而進一步優化成“線上+線下”的教學模式，打造成精品MOOC。有機結合工程實踐的項目，設立專門的工程化軟件，方便教師和學生可以及時將科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源，不僅保證了虛擬仿真實驗項目的先進性，也可以很好地鍛煉車輛工程專業學生的工程“實戰”能力。

3）提供新能源汽車的虛擬仿真實驗平臺。面對新能源汽車的技術層面要求較高，特別是動力電池、電子控制等核心技術大量缺乏專業創新型人才的現狀，虛擬仿真實驗平臺充分吸收“新能源汽車優勢學科”等科研成果，并及時將其轉化為驅動電機虛擬設計與優化、制動能量回收虛擬測試等實驗工程項目，構建系統化的新能源汽車虛擬仿真實驗平臺，有利于為新能源汽車產業提供專業創新型的人才。

教學模式創新

1）開發理念創新。車輛工程專業虛擬仿真實驗教學采取校企緊密合作、虛實高度融合的教學模式，利于開設驗證性與設計性等綜合實驗項目。堅持“夯實基礎理論、培養工程實踐能力”的理念，以提高學生的綜合應用能力為目的，通過加強校企合作，建立校內外培養工程實踐能力的聯合機制，以實現理論教學和工程實踐訓練的高度融合。

2）運行機制創新。通過構建科研成果及時轉化和校企聯合等激勵機制、校內外共享機制等，不僅增強了虛擬仿真實驗教學持續創新的動力，也有效提升了資源共享的成效。

4 車輛工程專業虛擬仿真實驗教學整合與優化

在對部分已經開展車輛工程專業模擬仿真實驗教學的內容進行研究和分析后，下面主要是對其進行整合，并提出一些優化策略，分別對汽車結構拆裝、汽車理論性能測試、新能源汽車和汽車制造四個方面的虛擬仿真實驗教學進行說明，其中主要對前兩個虛擬仿真實驗教學進行詳細分析。

汽車結構拆裝虛擬仿真實驗? 在汽車的構造、發動機原理等一些車輛工程專業課程中，包含汽車結構拆裝實驗，以方便學生了解汽車構造原理、各零部件的功能和其運動方式。但是，傳統的汽車結構拆裝實驗需要將實體汽車進行拆分，以讓學生了解零部件的構造，然而在這樣的情況下汽車無法運行。因此，在傳統實驗中無法將汽車零部件的構造與運行狀態同時展現出來，這就導致教學的成本很高，資源消耗很大，且學生多，課時有限，效率較低，難以顧及每一位學生。構建虛擬仿真實驗教學平臺后，利用虛擬顯示技術可以構造一個可以部分甚至完全代替真實實驗操作的模擬實驗環境，使學生更加自由地進行實驗操作。在實驗過程中，學生可從不同的視角進行觀察和拆裝各種汽車虛擬裝配，深入了解汽車零部件構造和裝配原理，很好地彌補傳統實驗的不足之處。而且采取透明化的處理方式，也可以讓學生清晰地看到汽車內部零部件的運動狀態，有利于激發學生的學習熱情。汽車構造拆裝虛擬仿真實驗操作系統主要有三個大的實驗子板塊，具體的虛擬仿真實驗操作體系如圖1所示。

采取圖1所示汽車結構虛擬仿真實驗教學模式，可以充分利用虛擬仿真技術幫助車輛工程專業學生認識和了解汽車的構造，了解發動機、離合器等零部件的構成以及裝配關系，讓他們在沉浸式虛擬實驗環境下實現自主學習汽車各零部件的拆裝，這就很好地解決了傳統實驗中無法同時演示汽車構造和運行狀態的問題。在采取虛擬仿真實驗教學后，再結合采用傳統的實車拆裝實驗，使學生快速掌握車輛架構及其拆裝要點。

汽車性能測試虛擬仿真實驗? 汽車試驗學、汽車理論等一些車輛工程專業課程中包含汽車性能測試實驗。汽車性能是車輛工程專業學生必須深刻認識并理解的專業內容，也是汽車設計開發的重要因素之一。在傳統的實驗課程教學中，由于實車實驗成本高，且存在一定的危險性等因素的限制，學生常常不被允許接觸實驗設備，不利于培養實驗技能。此外，傳統的實車實驗并不能很直觀地分析影響汽車性能的因素，使得學生不能進一步了解汽車的性能和汽車相關結構參數之間的關系。如汽車操縱穩定性實驗，由于受場地等限制，很難進行道路場地試驗，而構建的汽車性能測試虛擬仿真實驗，能采用駕駛模擬器進行仿真實驗。駕駛模擬器示意圖如圖2所示。

在駕駛模擬器上可以設置國標實驗工況，選取駕駛員按實驗要求進行實驗，駕駛模擬器數據采集系統能夠實現對駕駛員轉向操縱和汽車運動響應的運動采集，根據國標數據處理方法對實驗數據進行處理，按照評價指標對汽車的操縱穩定性進行評價。駕駛模擬器上的虛擬仿真實驗不存在安全問題，不受場地限制，工況任意設置，學生能較好提取數據，分析、評價車輛性能。具體的駕駛模擬器仿真實驗操作如圖3所示。

通過虛實結合的方式，讓學生在學習汽車理論知識的同時，從實踐的角度了解汽車性能的影響因素，很好地激發他們的專業興趣，有利于他們掌握實驗技能，提高實踐和應用能力。汽車性能測試虛擬仿真實驗主要分為兩個大的實驗子板塊，具體的虛擬仿真實驗操作體系如圖4所示。

采取圖4所示的汽車性能測試虛擬仿真實驗教學模式，可以充分利用虛擬仿真技術讓學生對汽車性能測試技術有更深的了解，利用虛實結合的方式，使他們將汽車理論與實驗相結合，有利于加深他們對汽車實驗學等專業課程知識的理解，解決傳統實車實驗無法直觀分析影響汽車性能因素的問題。當然，在采取虛擬仿真實驗的同時，還能結合進行簡單的對場地要求不太高的傳統實車試驗（如汽車動力性、制動性實驗），進行數據比對，加大學生對汽車性能的理解，并利用數據對汽車性能進行分析、評價，進而提出改良方案。

新能源汽車虛擬仿真實驗? 隨著汽車產業的發展，新能源汽車已經成為世界汽車產業發展的必然趨勢，也是解決全球石油能源危機以及大氣污染等問題的必然選擇。就我國而言，發展新能源汽車產業是提高我國汽車產業競爭力、改善我國大氣環境、保障國家能源安全的重要選擇。由于新能源汽車采用350 V以上的高電壓電源，進行實車測試實驗時往往存在高壓電安全問題。通過新能源汽車虛擬仿真實驗教學，在保證安全的前提下，幫助車輛工程專業的學生學習并掌握新能源汽車的電池、電控等一些關鍵部位的構造原理、車身設計以及性能測試等基礎理論知識和實踐操作，再由實驗教師進行實車檢測實驗講解，能使學生較好地掌握新能源汽車架構及其檢測要點。

汽車制造虛擬仿真實驗? 目前，汽車制造技術不斷發展，未來將有望實現制造過程的計算機輔助設計、控制和管理等，并使用全新的自動化生產系統，以確保汽車的生產質量能夠達到高度的一致性，比如主要零部件的制造過程、車身設計制造裝配等。通過設置虛擬仿真實驗項目，讓學生了解并掌握車身焊接技術，以及一些典型零部件的制造技術和工藝等，使他們能夠在畢業后迅速地融入工作實踐中去。

其他汽車虛擬仿真實驗? 此外，部分高校還開展了汽車模擬駕駛虛擬仿真實驗、汽車電子和測試技術虛擬仿真實驗等。車輛工程專業的學生在學習汽車理論的同時，也要學會知識的運用，而汽車駕駛是其實驗教學的重要內容之一。傳統的汽車駕駛教學不僅要有特定的實驗場地、專業的教學人員，也要有大量的資源支持，所耗費的成本很高，但是可重復性并不高，大多數學生在完成實驗時往往僅僅是走馬觀花，并不思索所學的理論知識。構建的汽車模擬駕駛虛擬仿真實驗教學系統，不僅使得可操作性增強、實驗成本降低，也可以讓學生在進行實驗的同時靜下心來思考相關的理論知識，增強對理論知識的理解。

汽車電子和測試技術是現代汽車不可缺少的部分，傳統的實車實驗雖然可以讓學生看到一些現象，但是無法直接將技術和理論聯系起來。此外，受到實驗時間以及設備等因素的限制，并不能保證每個學生都可以真正接觸到儀器進行實驗操作。在汽車電子和測試技術虛擬仿真實驗教學過程中，通過虛實結合技術，可以讓學生對測試信號和電子控制技術等有更深入的認識，也解決了分析實驗數據所需的信號采集等基礎實驗內容操作的問題。

5 結語

為了引導車輛工程專業學生提高實踐應用及創新能力，強化他們的工程技能，部分高校在順應工程教育改革的趨勢下已經開展了虛擬仿真實驗教學活動，并有效地降低了實驗教學的成本，提高了車輛工程專業學生的實踐能力。本文主要對已經開展的虛擬仿真實驗教學體系進行整合優化，提出一些策略，希望可以對車輛工程專業的虛擬仿真實驗教學提供新的思考。

參考文獻

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作者：李偉豪，肇慶學院（526061）。