虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用與探索＊

曾凡琮

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056）

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家從航空空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科獲得啟發(fā)和經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合汽車(chē)自身的特點(diǎn)，在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得了巨大的成就。隨著研究工作的日益深入，“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”已經(jīng)逐步發(fā)展成了一門(mén)非常重要的學(xué)科。在現(xiàn)代汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，具有最佳氣動(dòng)外形造型的汽車(chē)才更有生命力，可以說(shuō)在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)方面的挑戰(zhàn)是汽車(chē)面臨的首要問(wèn)題。

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)是主要研究空氣與汽車(chē)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的現(xiàn)象、作用規(guī)律以及氣動(dòng)力對(duì)汽車(chē)各性能影響的一門(mén)科學(xué)，要求學(xué)生在系統(tǒng)掌握空氣動(dòng)力學(xué)基本理論的基礎(chǔ)上，還需要通過(guò)實(shí)踐訓(xùn)練掌握氣動(dòng)特性、汽車(chē)設(shè)計(jì)的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)，能夠掌握基本理論及分析和解決實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生探索理論和創(chuàng)新的能力。

隨著汽車(chē)車(chē)速的不斷提高以及能源問(wèn)題日趨嚴(yán)重、汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展以及研究工作的日益深入，“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”學(xué)科面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，普遍存在教學(xué)脫離實(shí)際的現(xiàn)象。目前的教學(xué)方案往往忽視了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，學(xué)校無(wú)法給予學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，在有限的課堂學(xué)時(shí)中，無(wú)法使學(xué)生真正掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心內(nèi)容，無(wú)法理論聯(lián)系實(shí)際。以上問(wèn)題導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法完全將“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”的理論與實(shí)踐融會(huì)貫通，進(jìn)入研究階段后難以適應(yīng)。

目前“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地、成本等因素的影響難以全面開(kāi)展，而在教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是解決這一問(wèn)題的科學(xué)方法，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其可視化效果更強(qiáng)。因此，有必要建立汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，針對(duì)性地對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力進(jìn)行培養(yǎng)。“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)資源的高效利用和探索創(chuàng)新，極大程度地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)其探索和實(shí)踐的綜合能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程是汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)理論課，以汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)理論及其相關(guān)的流體力學(xué)基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)探索車(chē)型的外形氣動(dòng)特性、塵土污染以及氣動(dòng)噪聲等汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及駕駛室通風(fēng)等內(nèi)流問(wèn)題，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算等問(wèn)題。該課程既有理論分析又有實(shí)際應(yīng)用。

據(jù)分析，目前“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，而課堂教學(xué)具有課程評(píng)價(jià)系統(tǒng)完整、教案成熟、教師對(duì)授課內(nèi)容熟悉等優(yōu)勢(shì)。但這種“敘述式”教學(xué)法很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，教師與學(xué)生交流較少，互動(dòng)率較低。這種教學(xué)方法沒(méi)有從實(shí)際工程中找問(wèn)題，理論聯(lián)系實(shí)際不夠緊密。學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)后，無(wú)法很快與實(shí)際工程相結(jié)合，學(xué)生普遍反映理論與實(shí)際是脫節(jié)的。

為此，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)課題教學(xué)存在的不足，提出了許多新的教學(xué)方法，其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入取得了良好的教學(xué)效果。陳萬(wàn)通等[1]構(gòu)建了適用于“導(dǎo)航原理與系統(tǒng)”課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，設(shè)計(jì)了地面信標(biāo)天線(xiàn)安裝與板件互聯(lián)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、ILS 航向信標(biāo)信號(hào)測(cè)試與排故虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。李啟良等[2]針對(duì)“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)存在的“敘述式”等問(wèn)題，提出以“學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教學(xué)思路、“教學(xué)與科研相互促進(jìn)”的教學(xué)理念，探索將科研成果融入課程體系。張曉磊等[3]探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在臨床生物化學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和操作考核發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合，可以提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。郭世永等[4]針對(duì)本校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案的基本要求，試圖構(gòu)建純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)及控制虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。靳華偉等[5]提出了汽車(chē)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬化平臺(tái)建設(shè)方案，詳細(xì)介紹了平臺(tái)的組成和設(shè)計(jì)思想，并列舉實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。劉曉剛等[6]搭建了流化床鍋爐燃燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)和管理隊(duì)伍建設(shè)、管理和共享平臺(tái)以及管理體系等方面介紹了流化床鍋爐燃燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)情況，并提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面的建議。祖梅等[7]分析了“材料學(xué)”課程的教學(xué)特點(diǎn)，針對(duì)學(xué)校“材料學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程中存在的問(wèn)題，在教學(xué)模式、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面進(jìn)行了探索創(chuàng)新。

在“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，同樣可以做出一些創(chuàng)新性的教學(xué)改革。例如教師可以結(jié)合科研實(shí)例，講解汽車(chē)車(chē)身表面塵土污染的形成和控制、汽車(chē)噪聲的來(lái)源及控制、減小氣動(dòng)升力的主要措施等，通過(guò)在書(shū)本理論中增加課題研究的內(nèi)容，使學(xué)生深入了解汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外最新的研究現(xiàn)狀。同時(shí)，教師還可以根據(jù)具體的課題研究，指導(dǎo)學(xué)生更深入了解理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際的結(jié)合情況。例如在講解“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)”這一節(jié)時(shí)，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目，詳細(xì)講授風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器、風(fēng)洞試驗(yàn)的內(nèi)容、道路試驗(yàn)的方法等，可以結(jié)合最新的流線(xiàn)型轎車(chē)、賽車(chē)，說(shuō)明其設(shè)計(jì)的原理和優(yōu)勢(shì)，這樣能讓學(xué)生更直觀地了解試驗(yàn)和理論是如何結(jié)合的，讓學(xué)生掌握主流的汽車(chē)外型設(shè)計(jì)思路和方法流程等。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師在課堂上講授計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的原理、方法等理論后，可以配合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生建模、分析、求解、后處理等仿真能力。學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下，對(duì)CFD 仿真軟件STAR-CCM+、FLUENT 等進(jìn)行實(shí)操，從而加深對(duì)有限體積法、有限差分法等流體力學(xué)數(shù)值方法的理解和掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的探索

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)主要包括以下幾方面：①配置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件。在集成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備中安裝虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件由高校教師團(tuán)隊(duì)或委托第三方科技公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在軟件中集成了教學(xué)資源和仿真界面，并將軟件集成到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)中。②虛擬實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)。在平臺(tái)的教學(xué)管理框架的基礎(chǔ)上構(gòu)建實(shí)驗(yàn)課程，在課程管理界面提供實(shí)驗(yàn)仿真軟件上傳的接口。

2.1 實(shí)驗(yàn)的意義和目的

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的典型代表是汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)，其從本質(zhì)上講是一種模擬方法，即通過(guò)風(fēng)洞和汽車(chē)模擬來(lái)模擬道路行駛條件下汽車(chē)與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一方面可以理解為“數(shù)字化風(fēng)洞”或“虛擬風(fēng)洞”；另一方面，還可以研究一些風(fēng)洞試驗(yàn)難以模擬的情況，比如汽車(chē)的超車(chē)情況、近距離隊(duì)列行駛情況以及非穩(wěn)態(tài)的風(fēng)環(huán)境等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的并不是為了取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，兩者是相互促進(jìn)、相互補(bǔ)充的。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬將在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中起到越來(lái)越大的作用，發(fā)達(dá)國(guó)家用巨型計(jì)算機(jī)研究空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值，美國(guó)和日本等國(guó)花費(fèi)巨資研制空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬。在汽車(chē)造型概念設(shè)計(jì)階段即可分析其空氣動(dòng)力學(xué)特性。通常采用CFD技術(shù)分析第一輪設(shè)計(jì)方案的空氣動(dòng)力學(xué)性能，之后對(duì)第二輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬并開(kāi)始進(jìn)行小比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)，第三輪開(kāi)始全尺寸模型風(fēng)洞試驗(yàn)。在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，開(kāi)始測(cè)量各種優(yōu)化方案的結(jié)果。CFD 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以充分展示流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，有助于研究人員分析出相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的原因，從而能夠更高效地發(fā)現(xiàn)好的改進(jìn)方向和方案。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐

以汽車(chē)在風(fēng)洞中的流場(chǎng)為例，制作汽車(chē)風(fēng)洞視頻，將視頻集成到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，學(xué)生通過(guò)觀看視頻可以直觀了解汽車(chē)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，對(duì)汽車(chē)風(fēng)洞有深刻的認(rèn)識(shí)。在軟件中嵌入汽車(chē)風(fēng)洞流場(chǎng)的彩圖、曲線(xiàn)等素材，對(duì)風(fēng)洞溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等流場(chǎng)進(jìn)行描述。將STAR-CCM+、FLUENT 等CFD仿真軟件集成到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用仿真工具進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，用可視化工具將仿真結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。讓學(xué)生參與到教師關(guān)于汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)仿真的科研項(xiàng)目中，從實(shí)踐中了解、理解和掌握汽車(chē)在風(fēng)洞中的流場(chǎng)，將理論和實(shí)際相結(jié)合，提高解決問(wèn)題的能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的一般流程主要分為4 個(gè)環(huán)節(jié)，具體包括選題分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施以及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和改進(jìn)等。在選題分析方面，需要對(duì)學(xué)生的學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的適用性進(jìn)行分析。在分析學(xué)生學(xué)情方面，首先需要了解學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探索中理清思路，緊跟教師的思維和步伐；其次需要了解學(xué)生的知識(shí)掌握水平和實(shí)驗(yàn)操作技能水平，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能水平參差不齊，只有了解清楚學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，才能判斷出學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的難易程度，從而選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式；最后需要了解學(xué)生對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的感興趣程度，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激起學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣。在分析教學(xué)目標(biāo)方面，需明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)活動(dòng)的中心，教學(xué)活動(dòng)需圍繞教學(xué)目標(biāo)逐級(jí)開(kāi)展。可根據(jù)“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程大綱和學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況來(lái)綜合確定教學(xué)目標(biāo)。在分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的適用性方面，對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，教師要清楚其適用的范圍和課程內(nèi)容，如何合理利用以提高教學(xué)效果；可結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，輔助傳統(tǒng)教學(xué)，從而提高教學(xué)質(zhì)量和水平，使學(xué)生充分融入課堂中。

在“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)目標(biāo)確定后，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可根據(jù)具體內(nèi)容制定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可分為流場(chǎng)的基本原理實(shí)驗(yàn)、軟件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等。結(jié)合汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師既可以選擇軟件自帶的實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行教學(xué)，也可以根據(jù)自身要求自行設(shè)計(jì)和組合，進(jìn)行探究式教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有助于師生之間、人機(jī)之間的交流互動(dòng)，學(xué)生有充分的思考空間，促進(jìn)其創(chuàng)新和發(fā)散思維的培養(yǎng)。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施和評(píng)價(jià)改進(jìn)方面，學(xué)生可以提出自己的想法，并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，把設(shè)計(jì)思路展示出來(lái)，并在教學(xué)后進(jìn)行反思和評(píng)價(jià)，在反思中回顧實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程存在的不足之處，教師反思教學(xué)實(shí)施過(guò)程和教學(xué)效果的不足之處，尋求解決途徑和措施，通過(guò)反思并進(jìn)行自我總結(jié)，逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案以及操作內(nèi)容，從而提高教學(xué)效率和教學(xué)能力。

通過(guò)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)，使“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸走向成熟，并融入教學(xué)更好地輔助課堂教學(xué)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容和路徑

本校與企業(yè)聯(lián)合共建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新新能源汽車(chē)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)聯(lián)合建設(shè)的方式，引入國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的ⅤR/AR 技術(shù)、方案及管理和教學(xué)內(nèi)容，制定適合本校該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的教學(xué)資源和計(jì)劃。

本校與企業(yè)聯(lián)合開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)ⅤR 智慧課堂軟件，以“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”為架構(gòu)，一方面，通過(guò)結(jié)合文字和ⅤR 模型、動(dòng)畫(huà)、彩圖、曲線(xiàn)等，展示學(xué)生結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理等重難點(diǎn)；另一方面，搭建教師客戶(hù)端，可以編輯視頻、圖片等素材，有助于全面實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題，闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在“汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)”教學(xué)中的作用和優(yōu)勢(shì)，探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義和目的。以汽車(chē)在風(fēng)洞中的流場(chǎng)為例，指明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程，并對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容和路徑進(jìn)行了規(guī)劃。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)課題教學(xué)的創(chuàng)新，學(xué)生可將理論和實(shí)際相結(jié)合，提高解決問(wèn)題的能力。