車輛液壓系統虛擬仿真實驗室建設研究*

陳文剛，劉雁南，鄭麗麗，王海軍

（西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224）

隨著信息技術、虛擬現實技術、交互技術、人工智能技術等網絡技術的發展，傳統的教學模式也發生著翻天覆地的變化，由簡單的演示文稿、Flash動畫向多媒體演示等信息化與教學相結合的方式轉變，而作為傳統教學內容中重要的實驗部分也伴隨著計算機技術的發展實現了重大創新突破。據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的要求[1]，教育信息基礎設施體系在我國已初步形成，充分利用信息化技術開展虛擬仿真實驗教學中心建設，促進優質數字教育資源共建共享，提高教育教學質量。自2013年教育部頒發“建設國家級虛擬仿真實驗教學中心”相關文件開始，我國已遴選了100多個國家級虛擬仿真實驗教學中心[2]，為日后高校虛擬仿真實驗教學中心提供了參考。

“車輛液壓系統”課程包括自動變速器、助動轉向系統、液壓懸架系統及液壓制動系統等內容，除了需要學生掌握必要的理論知識外，提高學生動手實驗實踐能力和創新能力也是不可缺少的。目前，多數高校在進行車輛液壓系統相關實驗時仍采用傳統的教學模式，但實際上，傳統液壓系統實驗存在不足之處，即模式單一、內容陳舊、器材有限、存在安全隱患、效率不高。而虛擬仿真實驗教學可以提升教學能力、拓展實驗領域、豐富教學內容、降低實驗風險，有利于培養學生綜合設計和創新能力[3]。本文旨在建設一種為傳統車輛液壓系統現場實驗打下良好操作和理論基礎的虛擬仿真實驗室——車輛液壓系統虛擬仿真實驗室，既可彌補傳統液壓系統實驗的不足，又能較好地發揮虛擬仿真實驗室的優勢，正常運轉結合后期的實物實驗，在教學應用中做到虛實結合，為液壓實驗室的改革與創新提供了新的思路。

1 虛擬仿真實驗室建設方式與功能

1）建設方式。目前建設虛擬仿真實驗室流行的方式有兩種，一是自主研發，二是校企合作。若選擇自主研發，則要具備相關人才、技術、設備等，開發周期長，資源消耗大[4]。但若選擇校企合作就不會出現這些問題，首先企業是人才的集中地，虛擬仿真實驗室建設的人才能快速根據自身的專業知識開展工作；其次校企合作的開發成本相比自主研發低，開發周期短。因此，虛擬仿真實驗室體系根據傳統實體實驗發展需求，將虛擬實驗與實體實驗緊密結合，同時積極與企業合作，利用企業的技術優勢開展實驗室建設，做到突破實體實驗局限、延伸理論教學、提高教學能力、降低成本和風險。不僅改變了學生的學習方式，還因其低廉的成本而備受青睞[5]。

2）基本功能。車輛液壓虛擬仿真實驗室是在為實體實驗提供支持的基礎上利用虛擬仿真實驗來完成教學任務的。本實驗室的教學與管理平臺基本功能框架見第87頁圖1。由圖1可以看出實驗室主要由用戶模塊、虛擬仿真實驗和管理測評三大模塊組成。其中用戶模塊包括登錄和管理兩個功能，是教師與學生進入的門戶；虛擬仿真實驗模塊主要包括結構與原理、拆卸與裝調、檢測與維修三大功能，學生根據教師發布的實驗安排進行實驗，操作鼠標對液壓系統與裝置進行拆裝、檢測，以便在實體實驗之前對實驗過程有詳細的知識掌握和實操模擬，加深學生對知識的理解；管理測評模塊為在實驗過程中進行實驗批改、實驗分析、考勤管理、成績管理等。另外還提供實驗報告在線提交、在線批注和批改，實驗成績統計查詢和分析等功能和實時答疑功能。

圖1 虛擬仿真實驗室教學與管理平臺基本功能框架圖

該虛擬仿真實驗室的架構結合了傳統實體實驗的特點，充分發揮了基于網絡技術建設虛擬實驗室的長處。通過三維成圖及液壓仿真軟件直觀呈現車輛液壓系統的機械結構與動態運動，實驗過程清晰，實驗結果準確，不僅有利于學生提高實驗能力，也有利于教師進行高效的實驗管理。

2 虛擬仿真實驗室教學實踐過程

2.1 教學方法

在虛擬仿真實驗教學項目中，教師組織學生有序上機進行實驗操作，學生可選擇系統內已有的液壓裝置，詳細了解構件的組成部分、拆裝過程及工作原理。教師全程陪伴學生進行實操活動，學生若存在疑問，可線上或線下與教師交流探討[6]。為了鞏固實驗操作步驟和知識點，教師可在實驗結束后發布實驗測試題要求學生線上完成。通過教與學共同融合使學生掌握各種車輛液壓系統的組成、動力傳遞原理、液壓系統的控制作用，不僅能提高實驗教學項目的吸引力和教學有效度，還能對學生進行全方位、多層次防護，切實保障學生的健康。

2.2 實驗方法和實驗步驟

1）實驗方法。使用三維成圖軟件及液壓仿真軟件直觀呈現車輛液壓系統的機械結構與動態運動，并基于網絡平臺實現與學生的互動。通過虛擬仿真實驗，學生能夠有效掌握基本結構和工作原理，深入討論現用車輛液壓系統的優點和不足，進而在進行實體實驗時不僅能提前感受實驗過程，還能避免不必要的損失和傷害。

2）實驗步驟。一是選擇虛擬仿真實驗室中已有的A340E型號的辛普森式自動變速器；二是學生上機動手操作該型號車輛液壓裝置的機械結構組合；三是組合后三維裝置的動態運轉驗證；四是液控系統的虛擬仿真實驗及驗證；五是與指導教師的互動，探討學習中的得失和感受；六是自我設計一款車輛液壓裝置；七是該液壓裝置的機械結構組合及動態運轉驗證；八是該液壓裝置的液控系統虛擬仿真及驗證；九是自我設計液壓裝置的工作性能及效率的計算與評估；十是評估報告與視頻生成，學生提交實驗結果后系統自動評判。

虛擬仿真實驗室中實驗工具、操作平臺等完全是按照現實實驗室環境進行模擬還原，在實驗過程中，學生根據教師發布的實驗項目登錄該實驗室系統，操作鼠標完成指定實驗。系統界面見圖2。

圖2 系統界面圖

由圖2可以看出，其主要涵蓋實訓教學、教學資源、考核管理等內容。在實訓教學中，學生可進入子系統進行實訓操作。在教學資源中主要有實驗所需液壓系統與裝置的建模圖形和實驗指導書、實驗說明等一些文檔。實驗過程中為了解決學生對實驗部件或操作過程的疑問，特設置裝配工藝或拆卸卡片進行提示，見圖3。

圖3 系統裝配工藝卡片

此外，對于實驗過程中可能出現的操作失誤或在不同操作步驟下進行設備和儀器的檢查時，系統也會出現相應的卡片提醒，見第88頁圖4。

圖4 系統裝配工藝卡片

實驗過程中，學生若對某些零部件或工藝過程存在疑問，可不受任何限制詳細查看，還可在線上尋求教師答疑解惑。實驗完成后，教師可自行根據虛擬實驗項目要求學生進行拓展性的實驗設計，并對其進行驗證評估。最后，學生回歸傳統實體實驗進行操作。從整個實驗過程及實驗方法可以看出，該實驗室所包含的理論學習深入淺出、層層嵌套、相互結合，配合以虛擬仿真動畫實時演示分析，達到對課堂教學的有益補充。

2.3 測試評估

當學生在虛擬仿真實驗系統中按照教學要求完成實驗后，教師要探究學生的知識水平或實驗技能，測試評估是不可或缺的一個環節。測試評估對學生而言，是對其自主學習成果檢驗和知識鞏固的過程；對教師而言，通過最后評測結果發現知識點的薄弱環節，從而制訂與之相對應的教學方案[7]。

1）考核要求。學生在平臺上完成液壓裝置虛擬組裝、調試、工作運轉模擬實驗，掌握車輛自動變速器、液壓自動裝置等的機械及液壓控制的裝調流程等，自主完成虛擬仿真實驗，給出實驗結果并輸出個性化分析報告，根據已定的教學計劃要求學生達到以下學習目標：掌握現有不同型號車輛液壓系統的組裝和動態仿真，掌握各液壓元件的作用及液壓系統的動態仿真，設計完成個性化的車輛液壓系統仿真模型。

教師通過分析學生提交的固有車輛液壓系統結構構造及液壓系統仿真，檢驗學生設計的新的液壓設備整體結構及液控部分，驗證設計的合理性和準確性，給出專業的評價結果。

2）考核方式。該實驗系統是輔助實體實驗操作的，考核也應結合線上、線下兩種操作對學生實驗結果進行評估。傳統實驗考核方式不做改變，學生進入實驗系統主網站，輸入學號、姓名，切換至考試界面進行考試，結束后系統會自動給出學生實驗成績，綜合兩種考核成績，最終確定學生實驗成績，完成考核。

3 結束語

本文嘗試探索出一種低成本、高效率的虛擬仿真實驗室建設管理模式，即利用學科專業優勢和教學科研優勢，積極參與校企合作實訓環節，開展虛擬仿真實驗教學項目。該項目架構清晰、系統科學，是傳統實驗室教學的延伸與拓展，為促進教學改革和實驗室發展提供一種有利的建設方法。

（責任編輯 王 璐）