車輛液壓系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究*

陳文剛，劉雁南，鄭麗麗，王海軍

（西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

隨著信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、交互技術(shù)、人工智能技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式也發(fā)生著翻天覆地的變化，由簡(jiǎn)單的演示文稿、Flash動(dòng)畫(huà)向多媒體演示等信息化與教學(xué)相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變，而作為傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中重要的實(shí)驗(yàn)部分也伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了重大創(chuàng)新突破。據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的要求[1]，教育信息基礎(chǔ)設(shè)施體系在我國(guó)已初步形成，充分利用信息化技術(shù)開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源共建共享，提高教育教學(xué)質(zhì)量。自2013年教育部頒發(fā)“建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”相關(guān)文件開(kāi)始，我國(guó)已遴選了100多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[2]，為日后高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心提供了參考。

“車輛液壓系統(tǒng)”課程包括自動(dòng)變速器、助動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓懸架系統(tǒng)及液壓制動(dòng)系統(tǒng)等內(nèi)容，除了需要學(xué)生掌握必要的理論知識(shí)外，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也是不可缺少的。目前，多數(shù)高校在進(jìn)行車輛液壓系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)仍采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，但實(shí)際上，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在不足之處，即模式單一、內(nèi)容陳舊、器材有限、存在安全隱患、效率不高。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提升教學(xué)能力、拓展實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力[3]。本文旨在建設(shè)一種為傳統(tǒng)車輛液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)打下良好操作和理論基礎(chǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室——車輛液壓系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，既可彌補(bǔ)傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，又能較好地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)合后期的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)應(yīng)用中做到虛實(shí)結(jié)合，為液壓實(shí)驗(yàn)室的改革與創(chuàng)新提供了新的思路。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方式與功能

1）建設(shè)方式。目前建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室流行的方式有兩種，一是自主研發(fā)，二是校企合作。若選擇自主研發(fā)，則要具備相關(guān)人才、技術(shù)、設(shè)備等，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，資源消耗大[4]。但若選擇校企合作就不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題，首先企業(yè)是人才的集中地，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的人才能快速根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)開(kāi)展工作；其次校企合作的開(kāi)發(fā)成本相比自主研發(fā)低，開(kāi)發(fā)周期短。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室體系根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)發(fā)展需求，將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，同時(shí)積極與企業(yè)合作，利用企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，做到突破實(shí)體實(shí)驗(yàn)局限、延伸理論教學(xué)、提高教學(xué)能力、降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。不僅改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室是在為實(shí)體實(shí)驗(yàn)提供支持的基礎(chǔ)上利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)完成教學(xué)任務(wù)的。本實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)與管理平臺(tái)基本功能框架見(jiàn)第87頁(yè)圖1。由圖1可以看出實(shí)驗(yàn)室主要由用戶模塊、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和管理測(cè)評(píng)三大模塊組成。其中用戶模塊包括登錄和管理兩個(gè)功能，是教師與學(xué)生進(jìn)入的門(mén)戶；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括結(jié)構(gòu)與原理、拆卸與裝調(diào)、檢測(cè)與維修三大功能，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)安排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作鼠標(biāo)對(duì)液壓系統(tǒng)與裝置進(jìn)行拆裝、檢測(cè)，以便在實(shí)體實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有詳細(xì)的知識(shí)掌握和實(shí)操模擬，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解；管理測(cè)評(píng)模塊為在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)批改、實(shí)驗(yàn)分析、考勤管理、成績(jī)管理等。另外還提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線提交、在線批注和批改，實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)查詢和分析等功能和實(shí)時(shí)答疑功能。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與管理平臺(tái)基本功能框架圖

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的架構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，充分發(fā)揮了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)處。通過(guò)三維成圖及液壓仿真軟件直觀呈現(xiàn)車輛液壓系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，不僅有利于學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，也有利于教師進(jìn)行高效的實(shí)驗(yàn)管理。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)實(shí)踐過(guò)程

2.1 教學(xué)方法

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，教師組織學(xué)生有序上機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生可選擇系統(tǒng)內(nèi)已有的液壓裝置，詳細(xì)了解構(gòu)件的組成部分、拆裝過(guò)程及工作原理。教師全程陪伴學(xué)生進(jìn)行實(shí)操活動(dòng)，學(xué)生若存在疑問(wèn)，可線上或線下與教師交流探討[6]。為了鞏固實(shí)驗(yàn)操作步驟和知識(shí)點(diǎn)，教師可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)布實(shí)驗(yàn)測(cè)試題要求學(xué)生線上完成。通過(guò)教與學(xué)共同融合使學(xué)生掌握各種車輛液壓系統(tǒng)的組成、動(dòng)力傳遞原理、液壓系統(tǒng)的控制作用，不僅能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的吸引力和教學(xué)有效度，還能對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位、多層次防護(hù)，切實(shí)保障學(xué)生的健康。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟

1）實(shí)驗(yàn)方法。使用三維成圖軟件及液壓仿真軟件直觀呈現(xiàn)車輛液壓系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的互動(dòng)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠有效掌握基本結(jié)構(gòu)和工作原理，深入討論現(xiàn)用車輛液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足，進(jìn)而在進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)時(shí)不僅能提前感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還能避免不必要的損失和傷害。

2）實(shí)驗(yàn)步驟。一是選擇虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中已有的A340E型號(hào)的辛普森式自動(dòng)變速器；二是學(xué)生上機(jī)動(dòng)手操作該型號(hào)車輛液壓裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)組合；三是組合后三維裝置的動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證；四是液控系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證；五是與指導(dǎo)教師的互動(dòng)，探討學(xué)習(xí)中的得失和感受；六是自我設(shè)計(jì)一款車輛液壓裝置；七是該液壓裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)組合及動(dòng)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證；八是該液壓裝置的液控系統(tǒng)虛擬仿真及驗(yàn)證；九是自我設(shè)計(jì)液壓裝置的工作性能及效率的計(jì)算與評(píng)估；十是評(píng)估報(bào)告與視頻生成，學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果后系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)工具、操作平臺(tái)等完全是按照現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行模擬還原，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)教師發(fā)布的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目登錄該實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，操作鼠標(biāo)完成指定實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)界面見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)界面圖

由圖2可以看出，其主要涵蓋實(shí)訓(xùn)教學(xué)、教學(xué)資源、考核管理等內(nèi)容。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，學(xué)生可進(jìn)入子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作。在教學(xué)資源中主要有實(shí)驗(yàn)所需液壓系統(tǒng)與裝置的建模圖形和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明等一些文檔。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了解決學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)部件或操作過(guò)程的疑問(wèn)，特設(shè)置裝配工藝或拆卸卡片進(jìn)行提示，見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)裝配工藝卡片

此外，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的操作失誤或在不同操作步驟下進(jìn)行設(shè)備和儀器的檢查時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的卡片提醒，見(jiàn)第88頁(yè)圖4。

圖4 系統(tǒng)裝配工藝卡片

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生若對(duì)某些零部件或工藝過(guò)程存在疑問(wèn)，可不受任何限制詳細(xì)查看，還可在線上尋求教師答疑解惑。實(shí)驗(yàn)完成后，教師可自行根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生進(jìn)行拓展性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。最后，學(xué)生回歸傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)方法可以看出，該實(shí)驗(yàn)室所包含的理論學(xué)習(xí)深入淺出、層層嵌套、相互結(jié)合，配合以虛擬仿真動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)演示分析，達(dá)到對(duì)課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。

2.3 測(cè)試評(píng)估

當(dāng)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中按照教學(xué)要求完成實(shí)驗(yàn)后，教師要探究學(xué)生的知識(shí)水平或?qū)嶒?yàn)技能，測(cè)試評(píng)估是不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。測(cè)試評(píng)估對(duì)學(xué)生而言，是對(duì)其自主學(xué)習(xí)成果檢驗(yàn)和知識(shí)鞏固的過(guò)程；對(duì)教師而言，通過(guò)最后評(píng)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，從而制訂與之相對(duì)應(yīng)的教學(xué)方案[7]。

1）考核要求。學(xué)生在平臺(tái)上完成液壓裝置虛擬組裝、調(diào)試、工作運(yùn)轉(zhuǎn)模擬實(shí)驗(yàn)，掌握車輛自動(dòng)變速器、液壓自動(dòng)裝置等的機(jī)械及液壓控制的裝調(diào)流程等，自主完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并輸出個(gè)性化分析報(bào)告，根據(jù)已定的教學(xué)計(jì)劃要求學(xué)生達(dá)到以下學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握現(xiàn)有不同型號(hào)車輛液壓系統(tǒng)的組裝和動(dòng)態(tài)仿真，掌握各液壓元件的作用及液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，設(shè)計(jì)完成個(gè)性化的車輛液壓系統(tǒng)仿真模型。

教師通過(guò)分析學(xué)生提交的固有車輛液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及液壓系統(tǒng)仿真，檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的新的液壓設(shè)備整體結(jié)構(gòu)及液控部分，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性，給出專業(yè)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2）考核方式。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是輔助實(shí)體實(shí)驗(yàn)操作的，考核也應(yīng)結(jié)合線上、線下兩種操作對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核方式不做改變，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主網(wǎng)站，輸入學(xué)號(hào)、姓名，切換至考試界面進(jìn)行考試，結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)，綜合兩種考核成績(jī)，最終確定學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)，完成考核。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文嘗試探索出一種低成本、高效率的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理模式，即利用學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢(shì)和教學(xué)科研優(yōu)勢(shì)，積極參與校企合作實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。該項(xiàng)目架構(gòu)清晰、系統(tǒng)科學(xué)，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的延伸與拓展，為促進(jìn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室發(fā)展提供一種有利的建設(shè)方法。

（責(zé)任編輯 王 璐）