新工科背景下汽車電控技術遠程實驗教學體系建設

趙耕云，王 佳，劉小斌，王 珺，王 彥

（蘭州工業學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050）

“新工科”概念自提出就強調將“大數據、云計算、人工智能”等先進技術應用于傳統工科專業的升級改造，培養適合未來新興產業和新經濟需要的實踐能力強、創新能力強、具備高素質的復合型新工科人才。

汽車工業是我國經濟發展最重要的支柱產業，汽車本身是多學科融合的產品，具有高度技術密集型特點，尤其是汽車電控技術，科技含量高，發展迭代快，應用范圍廣，不僅包括發動機電控技術，還包括底盤電控技術、車身電控技術等，已經成為衡量現代汽車技術發展水平的重要標志。

在我國大力推進“中國制造 2025”戰略和汽車“電動化、智能化、網聯化、共享化”發展的大背景下[1]，迫切需要采用計算機信息化網絡化技術對汽車電控技術課程實驗教學進行優化和補充，解決實驗教學中存在的缺陷與不足，更好地培養應用型車輛工程專業人才的工程實踐、分析、判斷、設計與創新能力，提供人才培養質量，為地方經濟產業發展提供人才支持。

1 實驗教學現狀及存在的問題

蘭州工業學院汽車工程學院車輛工程專業汽車電控技術課程實驗內容側重于汽車電控系統性能參數檢測與典型故障診斷，對培養學生實踐動手能力具有重要作用。目前，傳統的實驗教學過程存在如下問題：

1）現有的實驗檢測設備大部分無法支持車輛上路測試，只能在車輛靜止，發動機空載時進行相關實驗項目，如：發動機點火提前角的測量，發動機燃油分配管油壓的測量，廢氣再循環 EGR率的測量。實驗所得數據不能全面反映車輛在各種工況下的參數之間的相互關系，實驗水平不高。

2）現有的實驗設備不能對實驗過程中產生的大量數據進行存儲和網絡共享，實驗數據的獲取主要依靠教師或學生的實時讀取，當實驗數據量大時，這種方式效率低下。實驗數據處理過程相對簡單，無法培養學生應用先進軟件進行數據處理的能力。

3）實驗項目單一，實驗時間固定，擴展性、綜合性、創新性不強，缺乏與最新汽車電控技術相關的實驗項目。如：汽車遠程控制技術、汽車空中下載技術（Over-the-Air Technology, OTA）升級技術、電子圍欄技術等方面的實驗。學生缺乏自主設計實驗的機會，對學生綜合能力的培養力度不足。

4）在疫情時有反復的情況下，學生在實驗室集中進行實驗教學的傳統模式無法滿足疫情防控的要求。

在傳統實驗教學過程中，學生對實驗的興趣和主動性相對不高，實驗教學效果不夠理想，已不能滿足“新工科”人才培養目標的要求，因此，建設以互聯網為核心，結合大數據、云計算、人工智能、虛擬仿真等先進技術的遠程實驗教學平臺以及對應的新的教學模式[2-4]，補充傳統實驗教學的不足，已成為汽車電控技術課程實驗教學的改革方向。

2 汽車電控技術遠程實驗教學平臺建設

為了適應“新工科”所強調的實踐能力強、創新能力強、掌握先進技術的車輛工程專業高素質人才培養要求，車輛工程教研室設計完成了針對車輛工程專業《汽車電控技術》課程，結合阿里云、4G移動通信、LabVIEW虛擬儀器、汽車故障診斷系統（On Board Diagnostics, OBD）等技術的汽車電控技術遠程實驗教學平臺系統，使課程實驗由傳統模式轉變為依托實驗室硬件設備的“網聯化、遠程化、虛擬化”實驗模式，對實驗教學進行有效補充?！熬W聯化”可以最大程度地實現實驗教學資源的共享化，“遠程化”可以打破傳統實驗教學模式在時間、空間方面的限制，避免學生實驗室內聚集。

2.1 遠程實驗平臺建設

汽車電控技術遠程實驗教學平臺有“遠程監控實驗”和“虛擬仿真實驗”兩大類實驗模式。遠程監控實驗由學生通過網絡遠程操作實驗儀器，監測異地實驗設備或實驗車輛的運行數據，所有實驗數據都是依托真實的實驗設備得到的，可以保證實驗數據的真實性和有效性。虛擬仿真實驗通過在云端建立實驗設備模型或實驗數據庫，模擬實驗設備的運行過程和數據變化過程，學生通過網絡遠程獲取相應的實驗結果。

利用汽車電控技術遠程實驗教學平臺可以進行汽車遠程故障診斷、汽車電控發動機性能檢測、汽車遠程定位監控等方面的遠程實驗教學，培養學生在單片機編程、汽車OBD診斷技術、物聯網技術、虛擬儀器技術、數據庫技術等方面的工程實踐能力、綜合設計能力和創新能力。

基于云平臺的汽車電控技術遠程實驗平臺由設備層、感知層及執行層、網絡層、應用層構成，如圖1所示。

圖1 遠程實驗平臺架構

感知層即用于實車或實驗臺架的數據采集終端，以STM32F103ZET6為核心，由汽車OBD診斷模塊、全球定位系統（Global Positioning System,GPS）模塊、各類傳感器等組成[5]；執行層為繼電器、電機等執行機構，控制實驗車輛或實驗臺架；網絡層為4G移動網絡、Internet網絡，位于感知層與應用層之間，進行數據傳遞；應用層由遠程實驗中心、實驗數據庫、Web服務器組成，部署于阿里云服務器[6]。云端實驗平臺架構如圖2所示，實驗數據庫采用SQL Server設計，遠程實驗中心采用LabVIEW軟件設計。

圖2 云端實驗平臺架構

云端實驗平臺具有學生信息管理、實驗項目管理、實驗報告上傳提交、實驗成績查詢等功能，功能模塊劃分如圖3所示。教師在“學生信息管理”模塊中輸入參與實驗的學生姓名和學號，允許錄入信息的學生進行遠程實驗。在實驗結束后，學生將完成的電子版實驗報告上傳云端實驗平臺的數據庫，教師批閱后，在系統中輸入學生的實驗成績，學生在“實驗成績管理”模塊即可查得自己的實驗成績。整個實驗過程均在網絡上進行。

圖3 云端實驗平臺功能

2.2 遠程實驗平臺教學過程

實驗教師通過聯網的任意計算機進入云服務器，通過可視化的遠程實驗中心，如圖4所示，開啟相應實驗項目，并對實驗采集的數據進行監控，便于實驗數據異常時及時處理。學生通過移動智能終端設備登錄云服務器的公網IP進入Web網頁（即遠程實驗端），打開相應的實驗項目，進入實驗，如圖5所示。在該遠程實驗平臺下，掛牌的實驗車輛可以上路行駛，實驗所得數據能夠反映車輛在各種行駛工況下的狀態參數之間的相互關系。

圖4 遠程實驗中心

圖5 遠程實驗終端

實驗過程中，實驗教師通過“釘釘直播”功能，利用手機攝像等方式將實驗過程的實時影像發送給學生，并對實驗過程進行講解，與學生互動交流。學生通過Web瀏覽器遠程操作實驗車輛或實驗臺架，觀察實驗數據變化。實驗過程中產生的大量數據存儲在云端實驗數據庫中，實驗結束后，通過Web瀏覽器訪問云端實驗數據庫，就能獲取存儲在數據庫中的實驗數據。實驗期間，學生無需集中在實驗室，可在任何有網絡的地點參與實驗教學。遠程實驗平臺從技術上避免了傳統實驗中存在的實驗車輛不能上路、學生在實驗室聚集等問題，提高了實驗水平，符合疫情防控的需要。

3 汽車電控技術遠程實驗項目體系建設

根據“新工科”培養實踐能力強、創新能力強的車輛工程專業高素質人才的要求和車輛工程人才培養方案中培養目標的規定，結合汽車電控技術課程特點和大綱要求，開發了由淺到深、由易到難的三層次遠程實驗項目體系，如圖6所示，在鞏固基本知識基本能力的基礎實驗之上，開展綜合設計性實驗、創新研究性實驗，拓展實驗的廣度和深度，突出多學科交叉的特點。

圖6 遠程實驗項目體系

基礎性實驗針對汽車電控技術課程中提到的一些結論，如：發動機點火提前角隨轉速變大而變大，隨負荷增大而減??；燃油壓力與進氣歧管壓力差值恒定，對這些結論進行大量實驗數據驗證。基礎性實驗目的是讓學生在實驗過程中，熟悉汽車發動機電控系統的結構組成，理解其工作過程，使理論教學與實踐教學相輔相成，相互補充，提高教學效果。

綜合設計性實驗要求結合單片機原理與接口技術、C語言程序設計、LabVIEW程序設計、數據庫技術、汽車OBD故障診斷技術，采用模塊化的硬件設備和程序，學生自主設計實驗項目，在注重綜合性和設計性的同時，也為學生提供必要的軟硬件支持，讓學生能夠動手做起來。綜合設計性實驗目的是培養學生綜合應用知識，進行實踐設計的能力。實驗周期長，需要學生在實驗前做大量的準備工作，學習相關知識。讓最后的實驗過程成為學生自主設計、自主學習的檢測過程，讓實驗結果成為評價學生實驗過程的主要依據，從而提高學生的學習積極性，提高學習效果，提高實踐能力。

創新研究性實驗主要針對最新汽車電控技術，如：汽車OTA技術、汽車遠程控制技術、汽車定位導航技術等，鼓勵學生研究最前沿的汽車電控技術領域的基本原理與應用過程。由自學能力強、實踐能力突出的學生通過借助大學生創新訓練計劃項目、挑戰杯等學科競賽，進行實驗方案設計，進一步提高學生的工程實踐能力和創新能力。

4 遠程實驗教學模式研究

遠程實驗首先在車輛工程專業試點，教師編寫了遠程實驗指導書，建立了遠程實驗相關理論知識資料庫，進一步完善遠程實驗教學資料，建立了“三開放、三層次、三能力、一交叉”的遠程實驗教學模式及學生在汽車電控技術領域的實踐能力培養模式，如圖7所示。

圖7 遠程實驗教學模式

三開放：教學地點開放、教學內容開放、教學方式開放。“教學地點開放”即學生無論身在何地，都可以通過“網聯化”遠程實驗平臺進行基礎實驗。開放的教學內容可以在實驗教學中使用差異化的教學方式，針對不同基礎、不同能力的學生提出課外必修或選修的綜合設計性實驗項目。對于部分學有余力，希望參加大學生創新創業項目、學科競賽的同學，可以自主選擇創新研究性實驗項目。開放的教學方式可改變傳統的“教師講-學生聽、教師做-學生看”的“驗證性實驗”教學方式，取而代之以學生為主體，學生研究實驗內容、分析實驗結果、教師指導配合的方式。通過開放式遠程實驗教學引導學生從“被動”參與實驗到“主動”設計研究實驗，培養學生的自學能力和綜合設計研究能力，激發學生自主學習的積極性。

三層次：基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗、創新研究性設計。

三能力：基本實踐能力、綜合設計能力、創新研究能力。

一交叉：車輛、控制器局域網總線、通信、軟件、單片機、物聯網等多學科交叉融合。

不同層次的實驗項目對應不同的能力培養目標，多學科交叉融合越來越多，融合程度越來越深，難度逐級增加。

5 結語

新工科背景下汽車電控技術遠程實驗教學體系研究，建立了基于云平臺的遠程實驗平臺，開發了遠程實驗項目體系，建立了遠程實驗教學模式，彌補了傳統實驗教學中的不足，突破了實驗地點的限制，調動了學生的學習積極性，培養了學生創新意識，提高了實驗教學效果。