基于虛擬仿真的“內燃機原理”實驗慕課探索與實踐

何旭　張衛正　楊青

摘 要 實驗教學是“新工科”專業培養創新型人才的重要途徑。本研究針對能源與動力專業核心課程“內燃機原理”傳統實驗教學存在的觀摩為主、無法獨立操作、難以開展極限條件研究、進行自主探索等問題，采用先進的虛擬仿真技術，建設“內燃機原理”實驗慕課。通過對真實實驗場景的重現，學生可以對設備進行認知和操作，獨立完成全部實驗過程，在復習和鞏固理論課學習成果的同時，掌握開展內燃機性能實驗的基本技能。在此基礎上，通過課后自主實驗設計，進行探索式研究，并結合課堂理論教學環節的討論分析，展示實驗結果。該課程已被認定為“國家虛擬仿真實驗教學項目”，具有良好的應用前景，不但對“新工科”背景下的研究型教學進行了有益的探索和嘗試，也可為虛擬仿真教學資源建設提供參考依據。

關鍵詞 新工科 虛擬仿真實驗 慕課

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.11.042

Research and Practice of "Principles of Internal Combustion Engines" Experimental MOOC Based on the Virtual Simulation Technology

HE Xu， ZHANG Weizheng， YANG Qing

（Beijing Institute of Technology， School of Mechanical Engineering， Beijing 100081）

Abstract Experimental teaching is an important way to cultivate innovative talents in the "new engineering". The traditional experimental teaching of the core course "Principles of Internal Combustion Engines" for the energy and power engineering has some problems. Students observe too much but lack the chance to operate independently. It is also difficult to carry out extreme condition research and independent exploration. This research aims to construct "Principles of Internal Combustion Engines" experimental MOOC by using advanced virtual simulation technology. Students can reproduce the real lab to recognize and operate the equipment， implement the whole experiment independently， and master the basic skills of carrying out internal combustion engine performance experiments while reviewing and consolidating the learning results of theoretical courses. On this basis， exploratory research is carried out through independent experimental design after class， combined with the discussion and analysis of the theoretical teaching course， and the experimental results are shown. This MOOC has been recognized as a "National Virtual Simulation Experimental Teaching Project" and has good application prospects. It not only makes useful explorations and attempts on research-based teaching under the background of "new engineering"， but also provides resources for the construction of virtual simulation teaching.

Keywords new engineering; virtual simulation experiment; MOOC

0 引言

“新工科”是在當前國際競爭新形勢和國家發展戰略新需求下應運而生的教育改革的重大戰略選擇，以培養未來多元化、創新型卓越工程人才為目標，對高校傳統工科專業課程的教學模式提出了新的要求。[1]近期多家高校紛紛出臺“雙一流”大學建設方案，將培養拔尖創新人才提高到前所未有的高度。通過圍繞“強化基礎、突出實踐、提升能力、面向創新”的特色培養理念，采用高科技手段，促進科研與教學深度互動，開展研究型教學，探索不同模式下的“新工科”人才培養途徑。[2]

實驗教學是“新工科”專業培養創新型人才的重要途徑，在鞏固驗證理論知識的同時，還具有培養學生探索未知世界的方法、勇氣、創新能力和其他綜合素質的功能。當期計算機技術快速發展，云計算、“互聯網+”、虛擬現實等現代化信息技術為“新工科”實驗教學提供了全新的教學手段。2017 年4 月，教育部高教司發布的《“新工科”建設行動路線》中明確指出，要充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式。目前教育部已經認定國家虛擬仿真實驗教學一流課程400余項，逐步形成實驗教學領域專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學體系，推進信息技術、人工智能等新技術與教育行業的深度融合，促進教學改革的不斷深化。[3，4]

針對“新工科”背景下國家對創新型人才的培養需求，在北京理工大學在能源與動力工程專業核心課程“內燃機原理”中，引入虛擬仿真實驗慕課課程建設，并進行研究型教學模式探索，使學生在理解和掌握內燃機基本理論與實驗方法的基礎上，突破時間和空間的束縛，自主進行實驗設計并開展實驗研究，以培養其解決復雜工程問題的能力。

1 建設意義

1.1 “內燃機原理”是能源與動力工程專業課程學習的核心課程

能源與動力工程專業是北京理工大學重點發展的專業，為我國汽車工業和國防動力領域培養輸送了大量人才。“內燃機原理”是本專業的核心必修課程，是專業教學的重中之重。該課程知識體系龐雜，以大量實驗為基礎，對實驗技能和實驗條件具有較高要求，是一門理論與實踐并重的綜合性專業課程。

在“新工科”創新型人才培養的大背景要求下，在保證理論教學效果的同時，通過“內燃機原理”實驗教學，使學生獲得以下方面的能力：

（1）能夠了解和掌握內燃機工作和測試實驗所需儀器設備的原理、測試流程和操作規范，并對獲取數據開展誤差分析;

（2）綜合運用熱力學、流體力學、燃燒學等基礎知識，和內燃機原理相結合，對內燃機工作過程進行解析;

（3）可以應用專業知識和相關軟件，利用實驗平臺，獨立自主開展研究型課題研究，總結特點和規律，并解釋分析其背后的機制;

（4）具備團隊合作的意識，可以進行項目規劃、管理和實施，并通過口頭或書面方式展示相關研究成果。

1.2采用虛擬仿真技術是提升實驗教學效果的有力保障

內燃機性能實驗是能源與動力工程專業教學中的重要實踐環節，但傳統的內燃機實驗教學面臨以下難題：測控系統復雜，難以獨立操作，實驗設備的臺套數與學生數量矛盾突出，實驗過程以觀摩為主;從安全角度考慮，學生無法在內燃機運轉中進入設備間近距離觀察內燃機工作狀態，了解運行機制;受環境邊界條件限制，難以開展極限條件下（如高溫、高寒、高海拔等）實驗測試。

開展以虛擬仿真實驗為特色的“內燃機原理”慕課實驗教學，并采用以學生為中心的探索性研究型教學模式，既可以開闊學生視野，生動課堂，增強學生對內燃機知識的理解，培養解決實際問題的能力，又可以激發學生學習興趣，有助于學生養成善于嘗試和探索規律的習慣。為學生以后從事內燃機相關產品的設計、開發和研究等方面的工作奠定必要的基礎。

1.3以學生為中心的研究型教學模式是未來發展的必然趨勢

近年來，學生和教師在教與學的角色上起到了很大的變化，逐漸從傳統的教師單向講述灌輸，向以學生為中心，自主探索轉變。在虛擬仿真實驗過程中，可以設計需要學生獨立思考完成的內容，通過循序漸進引導與自主研究探索相結合，進一步提升了學生實驗過程的參與度和主動性，在這個過程中進一步復習和鞏固理論知識。并且根據不同研究方向，設置開放性課題，由學生選擇，并進行相應的實驗設計與自主測試，進而達到提升學生實驗研究能力和解決復雜工程問題能力的目的。

2 課程目標

為了進一步加強本科生創新意識與實踐能力，提高本科生的培養質量，培育具有國際視野的行業領軍人才，“內燃機原理”虛擬仿真實驗慕課以“夯實知識基礎，拓寬應用視野，提高工程能力，引領工程創新”為指導思想，以期達到以下目標：

（1）在“內燃機原理”理論教學中實踐性較強的環節，采用先進計算機網絡技術、多媒體技術和VR技術，建設與之匹配的虛擬仿真實驗課程。學生通過開展虛擬仿真實驗，沉浸式體驗真實場景，生動有趣地完成教學實踐環節，并進一步掌握內燃機工作原理和實驗研究方法。

（2）布置課后研究型課題，由學生利用虛擬仿真實驗平臺自主完成。然后以學生為中心，采用智慧課堂模式，通過教師引導、分組討論、項目匯報等形式，進一步鞏固相關知識內容，提高學生的實際分析問題、解決問題的能力。

（3）根據系統對學生知識掌握和實驗技能的反饋，研究團隊對教學實施過程進行全面的總結和分析，構建以能力培養為主線，課內外相結合、線上線下相配合的信息化、數字化實踐教學體系，探索符合國際化工程教育和“新工科”理念的研究型教學改革新模式。

3 課程建設與實施

3.1 課程方案設計

首先需要對能源與動力工程專業最新培養方案的剖析，廣泛開展需求調查，詳細了解國家社會及教育發展需求、行業產業及職場發展需求、學校定位及發展目標考量、學生發展及家長校友期望、國內外同專業發展的現狀。在此基礎上，針對“內燃機原理”實踐性較強的章節和知識點，采用模塊化教學，將其封裝成“知識罐頭”，并匹配相應的虛擬仿真實驗。在虛擬仿真實驗設計過程中，緊扣專業培養目標，使課程與培養目標和培養要求直接聯系起來，特別是安全意識培養、緊急情況應對、設備操作流程訓練等方面，通過多種方式鼓勵學生進行自由探索。虛擬仿真實驗結束后，系統會根據學生操作行為和試驗數據，對學習效果進行評價。如果達到既定要求，則可以進入下一輪次教學環節，如果沒有達到既定要求，或者出現新問題，則需要重新進行查缺補漏，然后再投入新的教學實踐。

3.2 內燃機虛擬仿真實驗建設

針對“內燃機原理”的虛擬仿真實驗慕課教學內容，采用先進計算機網絡技術和沉浸式交互體驗相結合，建設如圖1所示的“內燃機測試虛擬仿真實驗平臺”，包括8個實驗，共計16個學時。通過對現代化發動機實驗室真實場景的重現，支持學生自主操作相關儀器和設備，在實驗指導書引導下，對設備進行認知和操作，獨立完成全部實驗過程。

以GDI光學發動機燃燒測試虛擬仿真實驗為例：在進入實驗室之前，首先對學生進行安全教育，通過培訓考試后，方可進入實驗室。進入如圖2所示的內燃機虛擬仿真實驗室之后，學生需要對開展實驗所需要儀器設備如測功機、溫度傳感器、壓力傳感器等進行認知，了解其工作原理、測試范圍和精度，熟悉操作流程。然后參照實驗大綱，運行光學發動機，獲取缸內噴霧燃燒的圖像和缸內壓力數據，根據放熱率公式，編寫Matlab程序處理得到放熱率曲線，將放熱規律和噴霧燃燒圖像相結合（如圖3所示），全面了解汽油機工作特點。在此過程中，學生還可以近距離觀察設備運行情況，應對機油泄露、水溫過高、發動機超速等各種突發情況，嘗試應用所需知識分析故障，解決問題，從而全面掌握開展內燃機性能實驗的基本技能。實驗過程中系統將自動記錄實驗過程中的學生過程操作與完成情況，并生成如圖4所示的實驗過程評價，將和課后實驗報告一起作為本課程的考核依據。

課后學生選擇研究型課題，設計實驗方案，可以靈活選擇時間，通過本地終端，遠程訪問服務器，進入虛擬仿真實驗系統，根據需要開展相關實驗項目，獨立完成操作。“內燃機原理”虛擬仿真實驗慕課不受時間和空間的限制，通過逼真的實驗場景重現，輔以圖形文字介紹、聲光音效、深度互動等手段，讓學生身臨其境，深入淺出地掌握實驗相關原理、方法和操作步驟，對課堂理論教學起到良好的支撐作用。同時學生還可以根據自己的需要，對關鍵環節進行重復，直至掌握為止。

3.3 研究型教學模式探索

為了培養學生思辨能力，在虛擬仿真實驗教學環節結束后，在課堂理論教學環節，將學生分為若干小組，對其研究型課題結果進行討論分析，學會用基本原理解釋不同的實驗現象。在理論教學的基礎上，將實驗與理論課程有機融合，可以有效地培養了學生主動學習能力和創新思維，開展綜合性與研究型研究，全面提升解決復雜工程問題能力。

4 結語

為培養“新工科”背景下的高素質復合型專業人才，北京理工大學能源與動力專業采用先進計算機網絡技術和沉浸式交互體驗相結合，建設“內燃機原理”虛擬仿真實驗慕課，通過對真實實驗場景的重現，支持學生自主操作設備，在實驗指導書引導下，對設備進行認知和操作，獨立完成全部實驗過程，全面掌握開展內燃機性能實驗的基本技能。在此基礎上，通過自主實驗設計和開放課題研究，結合課堂理論教學環節的討論分析，對研究型教學進行了有益的探索和嘗試。

該項目已被認定為“國家虛擬仿真實驗教學項目”，在后續工作中，將進一步對其他兄弟院校開放，并服務于社會。通過多輪次的教學實踐與應用迭代，持續完善虛擬實驗內容、教學方法與評價體系，并在此基礎上建設沉浸式VR虛擬實驗室，進一步強化虛擬實驗特色與參與效果，為“新工科”人才培養體系建設提供支持。

通信作者：張衛正

基金項目：北京理工大學網絡在線課程建設專項（2018ZXJG004）、教育部產學合作協同育人項目（201902091016）

參考文獻

[1] 李春梅，何洪，李元等. “新工科”背景下材料類專業“虛實互補”實驗教學體系深化研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2020，45（04）：143-148.

[2] 吳欽，張晶，段冰凌等.面向新工科的《流體力學》課程思政教學模式研究與實踐[J].科教導刊，2020（13）：115-116.

[3] 劉磊，張嘉鷺.“新工科”背景下工程機械類虛擬仿真實驗教學資源建設[J].實驗技術與管理，2021（01）：140-143.

[4] 黃開勝，王宏宇等.虛擬仿真實驗教學課程建設指南（2020年版）[M].北京：高等教育出版社，2020.