汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統設計

李永力

(吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132102)

為全面貫徹實施教育部《2022年教育部高等教育司工作要點》關于推進“虛擬仿真實驗教學2.0，強化實驗空間平臺運用”的要求，本著“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，秉承“能實不虛、虛實結合、以虛補實”的建設思路，將學科專業與信息技術深度融合，為高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設打好基礎，開發虛擬仿真實驗教學系統具有非常重要的現實意義[1].汽車發動機性能實驗是車輛工程專業的基礎性實驗，涉及《汽車構造》、《汽車試驗學》、《汽車理論》和《發動機原理》等課程的教學要求.該實驗要在專門的實驗室及專用的實驗臺架上進行，傳統實驗手段存在一定的安全風險、不適合高頻次重復實驗、教學成本高、實驗效果受到一定的限制；此外后疫情時代對常規教學的沖擊較大，尤其是實驗教學影響更加突出，網上虛擬實驗類的資源較少，無法滿足教學需求[2].因此，借助先進的現代化虛擬技術手段，以逼真的實物造型構建虛擬的發動機臺架測試系統和實驗室環境系統，實現虛擬設備的人機交互操作,可在線完成汽車發動機性能仿真實驗教學系統也是迫在眉睫[3].

1 設計目的

根據GB/T18297-2001《發動機性能試驗方法》中要求的發動機相關特性試驗的條件和方法，發動機性能實驗主要是使學生熟悉發動機性能實驗室的基本環境，進行發動機速度特性、負荷特性等測試的虛擬仿真過程[4].在實驗設計中，注重培養學生對汽車試驗方法標準的理解和應用，進行實驗前的發動機理論知識測試，注重理論聯系實踐，同時涵蓋安全、清潔等6 S理念[5].

2 設計內容

基于計算機仿真技術、結合專業教學需求，構建虛擬汽車發動機性能實驗室的仿真環境，包括測試系統和實驗室環境系統兩大部分.測試系統包括電渦流測功機、燃料供給系統、油耗儀、冷卻系統、控制系統和數據采集系統[6].實驗室環境系統包括通風系統、發動機排氣系統、消聲與隔振系統.

利用系統的智能引導功能，可由學生自主在平臺上完成實驗室環境認知、發動機測試系統各部分組成與工作原理的學習，并虛擬實施發動機速度特性、負荷特性等測試過程，記錄實驗數據、生成實驗報告、分析實驗結果、提交全部資料，結出評價成績.

3 實驗流程設計

學生通過自主學習及操作，可按照以下流程完成整個實驗過程，見圖1.

圖1 虛擬仿真實驗流程

4 性能測試模塊設計

4.1 發動機性能實驗室認知模塊

利用三維建模技術構建汽車發動機性能虛擬實驗室，模擬出真實環境下需要具備的場地、儀器、設備的模型，根據教學培養目標要求，可由平臺智能引導采用三維交互漫游形式進行相關部分的自主學習來查找資料、熟悉使用規范等[7].

4.1.1 實驗室環境認知

針對實驗室環境安全的檢查：例如水箱是否有水、通風是否良好、電源是否打開、滅火器材是否提供、各設備連接部分是否牢固等真實要務，見圖2.

圖2 虛擬實驗室環境認知

4.1.2 實驗室臺架認知

實驗室內的全部設備均可以自主認知和學習.利用鼠標右鍵點擊，即可顯示各設備的單獨顯示模型以及設備介紹，了解各設備的名稱及作用、工作原理等知識.例如測功機及控制臺、發動機及控制臺、油耗儀、尾氣收集器、水箱等，如圖3所示.

圖3 虛擬實驗室設備認知

4.1.3 實驗室6S認知

通過標語展示、操作提示等辦法，讓學生熟悉并接受6S管理的基本理念和要求，將整理、整頓、清掃、清潔、素養、安全等要素融入生產實踐中，更好地培養學生規范管理意識及良好的職業行為習慣.

4.1.4 實驗臺操作認知

通過演示動畫、文本及圖片等方法，使學生掌握發動機測功機整體實驗臺的基本操作方法及注意事項，以任務驅動的方式來引導學生進行自主學習，創新“以學生為中心”的實驗教學方法，為后續的發動機性能實驗打下良好的基礎.

4.2 發動機3個特性實驗模塊

1.實驗開始前，要求先注冊學生的基本信息.包括學校、專業、班級、姓名、學號等基本信息，便于實現后續的數據管理，見圖4.

圖4 實驗人員基本信息錄入

2.系統為每項實驗都提供實驗指導書，以供學生提前預習，包括實驗目的和任務；實驗儀器、設備及材料；實驗原理及步驟；實驗需要記錄的數據列表；實驗過程中的注意事項等內容，如圖5.

圖5 實驗類型及指導書

3.系統設置了理論測試環節.在進行實驗操作前，必須先完成理論測試，成績合格后才能進行實驗的具體操作.以此來保證學生對整個實驗的理解與認知，提高操作的正確率和規范性，如圖6所示.

圖6 理論知識測試

4.系統設計了智能引導功能.通過智能引導提示完成每個實驗的操作流程，記錄相關數據，完成數據分析與處理，發現問題并進行解答，進而生成實驗報告，在虛擬的過程中也帶有真實的場地及設備維護體驗，如圖7～10所示.

圖7 實驗臺架選擇

圖8 虛擬操作實驗臺界面

圖9 記錄數據

圖10 生成實驗報告

5 系統技術要求

該系統基于B/S架構設計，支持網頁界面操作方式，軟件首頁支持教師、學生、系統管理員使用不同的身份進行登錄；不同的身份具有不同的操作權限；提供系統管理功能[8].

系統包含各類發動機臺架、發動機溫控裝置、發動機測控系統、燃油系統、排放系統等完成試驗所需要的全部硬件模型.畫面精美逼真、采用虛擬現實實時渲染處理.

系統交互性良好，支持用戶在三維虛擬實驗室環境中實現沉浸式學習，可通過自主學習來查找資料、熟悉使用規范，具有較強的交互性操作、豐富的發動機實驗數據、組建和維護實驗設備等內容.

能夠對參加實驗的學生進行全過程記錄，并隨時進行實驗智能引導，對于學生預習效果、實驗步驟以及實驗成績評價都具備完善的客觀評價標準，實施過程中針對操作標準化、安全性、節約性、環保性、6S管理等要素加入一定的要求[9].

6 結 論

基于計算機仿真技術虛擬構建汽車發動機性能實驗室，利用系統的智能引導功能，可由學生自主完成實驗室環境認知、發動機速度特性、負荷特性等實驗內容.該系統采用仿真軟件以及真實實驗臺架測量來構建數據庫，達到“虛從實來”；對于發動機性能測試設備數量少、設備使用故障率高的學校可以實現“以虛補實”；對于不具備實驗條件的、偏遠地區的學校可以“以虛代實”的應用，提高了線上實驗教學開展的資源共享可能性[10].