汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)

張 坤，魏東坡，尹文榮，劉玉振，魏代禮

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州253034）

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，社會(huì)對(duì)汽車工程人才，特別是注重實(shí)踐能力培養(yǎng)的應(yīng)用技術(shù)型人才的需求越來越旺盛。而高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，在校生人數(shù)逐年增加，使得傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)遇到了巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的依靠實(shí)物的實(shí)踐教學(xué)形式已經(jīng)不能滿足新形勢下的教學(xué)要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)主要依賴費(fèi)用高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，開課受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等限制問題，致使實(shí)踐教學(xué)無法有效開展，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。比如，汽車動(dòng)力性加速實(shí)驗(yàn)、汽車緊急制動(dòng)性實(shí)驗(yàn)、汽車操縱穩(wěn)定性臨界車速實(shí)驗(yàn)等等，這些實(shí)驗(yàn)大多是涉及到高成本、高消耗的綜合訓(xùn)練，同時(shí)因要求的車速較高，實(shí)際操作會(huì)具有很大的安全隱患。二是教師指導(dǎo)難以到位，隨著生師比擴(kuò)大，有限的教師很難在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大批的學(xué)生，教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到，設(shè)計(jì)性和探究性實(shí)驗(yàn)更是難以開展。三是教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力是實(shí)踐教學(xué)的重要目標(biāo)，但是目前學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，創(chuàng)新實(shí)踐能力難以提升，實(shí)驗(yàn)手段落后，難于滿足專業(yè)能力培養(yǎng)要求。四是實(shí)驗(yàn)過程粗放難于滿足學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)要求，各類實(shí)踐活動(dòng)缺乏細(xì)致有效的監(jiān)管等等。針對(duì)這些問題，國務(wù)院《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出，應(yīng)“加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫建設(shè)，引進(jìn)國際優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程，建立數(shù)字圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室。”[1]因此，建設(shè)汽車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，全面拓展虛擬教學(xué)資源，能夠形成一套強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的課外自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠根據(jù)各自的興趣特點(diǎn)和個(gè)性化需求，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、反復(fù)訓(xùn)練，是課堂教學(xué)的有效延伸，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果具有巨大的促進(jìn)作用[2]。

根據(jù)《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》等文件精神，各高校也都積極開展了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心的建設(shè)工作。李新穎、劉玉紅等提出了工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下融合“雨課堂”和“虛擬仿真技術(shù)”的混合式教學(xué)模式[3]；關(guān)宏從“校網(wǎng)及教學(xué)的信息化管理，強(qiáng)化信息化設(shè)備，完善管理體系”等方面對(duì)高校虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)進(jìn)行了研究探討[4]；鮑龍星、孫明等研究了汽車構(gòu)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在產(chǎn)學(xué)研合作、自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系等方面的特色與創(chuàng)新，取得較好成效[5]；張曉梅、彭其淵等從培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系出發(fā)，構(gòu)建了交通運(yùn)輸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[6]；李小松，丁躍澆等提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)運(yùn)行要與學(xué)生的培養(yǎng)全過程結(jié)合起來，以更好、更充分的發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)資源[7]。

1 汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案和人才培養(yǎng)目標(biāo)，立足于“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、實(shí)為基礎(chǔ)、虛為補(bǔ)充”的建設(shè)理念，構(gòu)建“以鞏固專業(yè)基本知識(shí)為目標(biāo)的基礎(chǔ)模塊、以培養(yǎng)專業(yè)實(shí)踐能力為目標(biāo)的專業(yè)模塊、以塑造學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)的綜合創(chuàng)新模塊”的模塊化汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，如圖1所示。每個(gè)模塊中的教學(xué)項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際教學(xué)條件，可以采用虛實(shí)結(jié)合或完全虛擬仿真的形式進(jìn)行。

圖1 汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系

1.1 基礎(chǔ)模塊

根據(jù)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)教學(xué)目標(biāo)要求，基礎(chǔ)模塊汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目主要包括：汽車原理與結(jié)構(gòu)認(rèn)知（虛實(shí)結(jié)合）、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤拆裝實(shí)訓(xùn)（虛擬仿真）、發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（虛實(shí)結(jié)合）、汽車操縱及懸架系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（虛擬仿真）、汽車電器與電控系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（虛實(shí)結(jié)合）、新能源電動(dòng)汽車原理與結(jié)構(gòu)認(rèn)知（虛實(shí)結(jié)合）、新能源電動(dòng)汽車拆裝實(shí)訓(xùn)（虛擬仿真）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)（虛擬仿真）等。

1.2 專業(yè)模塊

根據(jù)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容與能力教學(xué)目標(biāo)要求，專業(yè)模塊汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)性能檢測（虛擬仿真）、自動(dòng)變速器性能檢測（虛擬仿真）、四輪定位仿真（虛擬仿真）、新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能檢測（虛實(shí)結(jié)合）、新能源電動(dòng)汽車BMS系統(tǒng)性能檢測（虛實(shí)結(jié)合）、新能源電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)性能檢測（虛實(shí)結(jié)合）、車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)檢測（虛實(shí)結(jié)合）、汽車維護(hù)與保養(yǎng)（虛實(shí)結(jié)合）、汽車營銷流程（虛實(shí)結(jié)合）等。

1.3 綜合創(chuàng)新模塊

根據(jù)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容與素質(zhì)教學(xué)目標(biāo)要求，綜合創(chuàng)新模塊汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目主要包括：汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性、平順性等使用性能實(shí)驗(yàn)（虛擬仿真）、汽車動(dòng)力匹配試驗(yàn)（虛擬仿真）、汽車結(jié)構(gòu)及零部件CAE分析與優(yōu)化（虛擬仿真）、（包括力學(xué)分析、模態(tài)分析、疲勞分析、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力響應(yīng)分析等），汽車評(píng)估（虛實(shí)結(jié)合）。

2 汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)

以切實(shí)滿足車輛工程和汽車服務(wù)工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)需求為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)上述構(gòu)建的模塊化汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，汽車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)包含汽車構(gòu)造原理、汽車設(shè)計(jì)及理論、汽車結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、汽車營銷及評(píng)估4個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，有效利用虛擬仿真教學(xué)資源的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性，推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享平臺(tái)的建設(shè)，促進(jìn)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新，全面提高學(xué)生的崗位核心能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心的總體方案如圖2所示。

圖2 汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心總體方案

2.1 汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)共享和管理平臺(tái)

共享管理平臺(tái)建設(shè)立足于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理效率，為實(shí)現(xiàn)校內(nèi)、校校、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享奠定基礎(chǔ)，平臺(tái)包括虛擬實(shí)踐教學(xué)中心門戶網(wǎng)站、學(xué)生客戶端（主要實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的理論復(fù)習(xí)、公開實(shí)驗(yàn)室使用安排、學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作流程、共享虛擬仿真軟件教程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交及成績查詢、師生互動(dòng)交流等）和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng)。

2.2 汽車構(gòu)造原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于VR技術(shù)構(gòu)建《汽車構(gòu)造》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖3。學(xué)生在完成傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、新能源電動(dòng)汽車等的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、拆裝、檢測的實(shí)驗(yàn)過程中，能夠自主、方便的實(shí)現(xiàn)虛擬操作，同時(shí)學(xué)生可通過三維軟件（CATIA、Solidworks等）自主構(gòu)建模型，加深對(duì)汽車結(jié)構(gòu)及工作原理的理解鞏固。

圖3 汽車構(gòu)造拆裝仿真項(xiàng)目

2.3 汽車設(shè)計(jì)及理論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

平臺(tái)配套Matlab、AVL-CRUISE、ADAMS等常用工程設(shè)計(jì)仿真軟件，便于學(xué)生完成汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、操縱穩(wěn)定性等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如圖4。在鞏固課堂理論知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生組織實(shí)施汽車性能實(shí)驗(yàn)的能力[8]，同時(shí)也大大提高學(xué)生對(duì)于工程設(shè)計(jì)軟件的操作水平，奠定汽車設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)。

圖4 學(xué)生利用虛擬仿真軟件開展畢業(yè)設(shè)計(jì)

2.4 汽車結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)屬于綜合創(chuàng)新平臺(tái)，基于ANSYS等有限元分析軟件構(gòu)建，如圖5。使學(xué)生掌握有限元軟件操作，熟悉結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等，特別是在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，可以顯著提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平和應(yīng)用軟件工具實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐能力。

圖5 學(xué)生利用虛擬仿真軟件構(gòu)建汽車模型

2.5 汽車營銷及評(píng)估虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

利用汽車營銷仿真軟件、二手車評(píng)估仿真軟件及保險(xiǎn)與理賠仿真軟件構(gòu)建平臺(tái)，如圖6，實(shí)現(xiàn)汽車營銷項(xiàng)目模擬，包括汽車營銷方案策劃、客戶接待、車輛介紹、訂單簽訂、交車及回訪等環(huán)節(jié)；同時(shí)能夠完成二手車評(píng)估和汽車保險(xiǎn)與理賠項(xiàng)目模擬，包括承保、核保、理賠等環(huán)節(jié)，使學(xué)生在高度仿真的人機(jī)交互環(huán)境下，完成汽車服務(wù)類項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力。

圖6 汽車營銷虛擬仿真軟件授課實(shí)景

2.6 師資與管理隊(duì)伍建設(shè)

為了滿足虛擬仿真教學(xué)對(duì)教師能力提出的更高要求，首先要鼓勵(lì)和支持現(xiàn)有教師積極投入基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絼?chuàng)新和新技術(shù)應(yīng)用研究，提高教師的信息素養(yǎng)和信息技術(shù)應(yīng)用能力。另一方面加大政策支持和引導(dǎo)性投入力度，積極引進(jìn)具備相當(dāng)能力和經(jīng)驗(yàn)的高素質(zhì)研究生、企業(yè)工程師等，實(shí)行一線教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、專業(yè)隊(duì)伍以及企業(yè)工程師相結(jié)合，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，構(gòu)建一支高水平的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理隊(duì)伍。

3 結(jié)論

汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊、仿真分析等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對(duì)于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)、整合、完善信息化和網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，著力于打造集機(jī)械、汽車、電子電氣和能源于一體的多學(xué)科高度融合的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，持續(xù)推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)資源的開放共享，推動(dòng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新。