汽車液壓傳動虛擬實驗平臺建設意義及應用探討

張智明，趙治國*，張娟楠，常 煒

汽車液壓傳動虛擬實驗平臺建設意義及應用探討

張智明1，趙治國*1，張娟楠2，常 煒1

（1.同濟大學汽車學院，上海 200092；2.同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

黨的二十大賦予了高等教育新的歷史使命和發展格局，為滿足國家“三新一高”和汽車“新四化”背景下車輛工程專業人才工程實踐能力培養的重大需求，針對汽車專業液壓傳動課程傳統實踐教學存在的實驗教學條件不足、手段單一和育人效果不佳等共性問題，開展汽車液壓傳動虛擬教學實驗平臺建設開發是目前有效的解決手段。通過國內外廣泛調研，總結了目前液壓傳動課程實踐教學環節客觀存在的諸多實際問題，系統綜述了國內外虛擬仿真技術的發展，以及在實驗教學應用中的技術現狀，提出了汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺的建議意義，明確了汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺建設的具體要求和實際應用效果，為汽車液壓傳動虛擬實驗平臺的建設內容和功能開發提供了有效指導，對實現液壓傳動專業基礎課與工程實踐育人相統一的課程教學新模式具有積極的參考借鑒意義。

汽車液壓傳動；課程實踐；虛擬仿真；實驗平臺建設

總書記習近平同志在黨的二十大報告中提出[1]，要實施科教興國戰略，強化現代化建設人才支撐，充分體現了教育是國之大計，是中國式現代化發展建設新征程中的基礎支撐力量和重要保障條件。如何進一步深化高等教育改革，對推動中國式現代化進程和提升我國高等教育的高質量發展具有重大的實際意義。

近年來，隨著我國教育水平的不斷提升，教育理念逐步升級，對學生實踐能力培養也愈加重視。自我國2016年6月加入《華盛頓協議》[2]，高等教育越來越注重學生對于知識理論的實踐應用，注重對復雜工程實際問題的分析解決和團隊協作等綜合實踐能力的探索與培養，但這對本科教學中工程教育的實踐教學環節提出了更高的要求。

實驗教學是高等院校教學過程中的重要組成部分，是促進學生深化理論知識、掌握實驗基本技能和基本研究方法的實驗教學環節，旨在加深學生深刻理解書本知識，做到理論與實踐相統一。車輛工程專業課程的實驗教學可以加深學生對基本概念和理論的理解和掌握，更重要的是培養學生發現問題、分析問題和解決實際問題的能力。

隨著現代汽車技術的發展，流體力學和液壓傳動技術在現代汽車上得到了廣泛的應用[3]，車身空氣動力學中空氣阻力和汽車系統動力學中側風影響、液壓助力轉向、空氣懸架、液壓制動等廣泛應用于各類汽車產品。流體力學和液壓傳動課程車輛工程專業的重要專業基礎課，對培養學生創新精神和工程實踐能力起著重要作用。液壓傳動課程是車輛工程專業中一門實踐性強的專業基礎課程，往往需要學生參與相關的實踐操作環節。

雖然近年來國內各大高校加大了對實驗教學資源的投入，但效果卻不盡人意。尤其是液壓傳動課程的實踐教學，極大程度上依賴于實驗場地和實驗設備條件，而近年來線上教學、實踐教學的開展受到極大的制約。因此，探索汽車液壓傳動虛擬仿真的實踐教學方式具有重要的研究意義[4]。

1 存在的主要問題

現有汽車液壓與氣壓傳動課程一般以教師講授為主，相關配圖無法反映液壓元件內部構造和參數變化，導致學生難以理解抽象的理論內容，教學效果并不理想，存在液壓傳動技術在汽車上的廣泛應用與目前實驗教學條件不足及手段簡單這一現實情況的主要矛盾[5]。傳統實踐教學課程主要基于學校的實驗設備和場地展開，存在諸多難以解決的問題，具體如下：

1）課時不足。車輛工程專業本科生課程較多，液壓傳動技術課程學時安排緊湊，主要強調書本內容的教育和考核，教學中難以安排實踐環節。

2）實驗設備與場地限制。很多實驗室都存在設備不足與老舊的問題，而且本科生人數眾多，導致學生無法做到人人操作設備，也不能深入了解實驗方法。而在開展線上教學時，即使實驗設備滿足，也很難組織實踐教學。

3）實驗內容和安全性限制。液壓元件往往外部造型簡單而內部結構復雜，學生難以通過一次實驗完全掌握，缺乏重復操作的條件。而且部分液壓傳動實驗存在一定的危險性，一般是由專業的實驗人員操作，學生們觀摩和記錄實驗數據，學生無法親自操作來提升對課程內容的認知。

4）實驗室維護管理困難。液壓元件多且雜，液壓傳動系統裝配復雜，在反復拆裝過程中容易造成元件損毀和丟失，實驗室維護管理困難。

5）由于教學任務重，教學時間有限，沒有條件開設實驗課程。即使開設了實驗課程，在實驗臺上看到的是元件及表盤，且感性認識少又沒有實踐經驗，對完整系統回路的理解效果不明顯。

顯然，傳統實踐教學模式無法滿足課程教學的實際需求。因此采用新的實踐教學技術，改革原有的實踐教學模式，是實踐教學改革的新課題。在虛擬現實技術飛速發展的現在，虛擬實驗應運而生[6]。

2 虛擬仿真實驗技術現狀

虛擬實驗建立了一個虛擬的平臺仿真實驗環境，將虛擬仿真與現實實驗相結合，注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性[7]。虛擬實驗能將抽象的理論教學內容用直觀的模型和仿真實驗顯示，并能模擬實際的流體和液壓元件拆裝過程，加深學生理解。汽車液壓傳動虛擬教學實驗平臺開發，可以為汽車專業高級人才展示生動豐富的實驗教學內容，可以彌補實際實驗室硬件條件的局限，減少實驗設備投入，有效緩解實驗設備缺乏和教學課時有限的矛盾[8]。

2.1 國外研究現狀

具有高度沉浸感的虛擬現實技術最早可以追溯到20世紀60年代娛樂業中的傳感影院[9]，其目的是吸引觀眾的注意。到20世紀80年代，虛擬現實技術開始應用于職業教育和培訓，利用虛擬現實技術模擬訓練飛行員。到20世紀90年代，美國研究人員在科學空間（Science Space）將虛擬現實技術引入基礎教育和高等教育[10]。21世紀初出現了大量基于虛擬現實技術的虛擬實驗室。美國20余所頂尖大學和印度甘露大學開展合作，建設虛擬學習環境和在線實驗室（Online Labs）；美國科羅拉多大學開設PhET交互式虛擬仿真實驗建設，為學生開展探究性學習提供了實驗條件；新西蘭惠靈頓維多利亞大學建筑和設計學院建設了3D模型車間，可以在虛擬場景中進行產品設計和模型打印[11]。虛擬仿真技術的發展，促使實驗教學環節發生深刻改變。

在液壓傳動課程實踐教學方面，法國工程師院校在上世紀末就開始將AMESim仿真軟件應用于課堂教學中，為多學科復雜系統建模仿真提供了一種有效的實驗平臺，具有直觀圖形界面，可實現面向原理圖建模[12]；美國佐治亞理工學院基于Java語言開發了VAL（Virtual Access Labora- tory）平臺，學生可以在平臺上自行設計并開展機械、電氣、液壓傳動、熱力學等虛擬實驗[13]；德國波鴻魯爾大學使用LabVIEW進行液壓傳動課程輔助教學，并基于Unity開發了遠程虛擬實驗平臺，學生可以在平臺上進行機械、液壓傳動等多學科的虛擬實驗[14]。

2.2 國內研究現狀

我國極為重視虛擬仿真實驗教學的建設發展，早在2013年8月，教育部在《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》中指出“虛擬仿真實驗教學中心建設任務是實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能”定義[15]，并在之后不斷推進教學信息化改革，促進實驗教學新模式發展。2018年12月，工信部印發了《關于加快推進虛擬現實產業發展的指導意見》，明確支持推進虛擬現實技術在高等教育和職業教育等領域實驗性、演示性課程中的應用，構建虛擬教室、虛擬實驗室等教育教學環境，推動教學模式轉型[16]，為高等教育虛擬仿真實驗教學指明了發展方向。

清華大學成立了材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心[17]，開發了一百余個虛擬仿真實驗教學項目，開展了極端條件下材料制備、復雜加工及成型、材料服役行為等虛擬仿真實驗教學。浙江大學成立醫學虛擬仿真實驗教學中心[18]，開設血管急重癥的臨床思維虛擬仿真教學系統，產房分娩及新生兒處理虛擬仿真實驗教學等虛擬仿真實驗教學，面向臨床醫學、口腔醫學等專業的本科生、留學生及研究生超過 3 000 人開設實驗課程。上海交通大學建立機電學科虛擬仿真實驗教學中心[19]，開發了微機系統仿真，三極管共射電路等虛擬仿真實驗。中國科學技術大學利用虛擬仿真技術開發幾何光學實驗平臺[20]，將物理教學儀器系統放入虛擬場景，搭建虛擬仿真教學應用實驗平臺。

在車輛工程和液壓傳動教學方面，江蘇大學建立了國家級汽車與交通工程虛擬仿真實驗教學中心[21]，開展了發動機構造與原理、汽車構造與原理、發動機負荷特性等虛擬仿真實驗教學；廈門大學建立的機電類虛擬仿真實驗教學中心[22]，開展了液壓與氣壓傳動仿真實驗教學，包括元件認知、工作原理、結構與拆裝等教學內容。

3 虛擬仿真實驗平臺建設意義

汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺的實現將有效緩解高校在經費、場地、實驗儀器等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網上虛擬實驗教學能夠突破傳統實驗限制，無論是學生還是教師，都可以隨時隨地上網進入虛擬實驗室，進行各種實驗，有助于提高實驗教學質量。同時，相比于傳統實驗，虛擬實驗室開發和維護的成本較低，且不受時間、地域限制也能讓學生進行實踐操作。因此，利用虛擬現實技術，以真實模型為基礎，開發的虛擬仿真教學系統，能極大提高教學效率，降低實驗設備采購成本，且容易跟進最新實驗方法，對解決實踐教學過程中存在的諸多問題具有及其重要的研究意義。

因此，從汽車液壓傳動課程教學面臨的實際問題出發，基于多年教學經驗積累，利用虛擬現實技術原理進行液壓傳動虛擬教學平臺系統的開發和研究，主要建設意義如下：

1）實現汽車液壓傳動課程本身的強實踐性。實驗操作是車輛工程專業必備的課程教學環節，課程本身也決定了需要開發高交互性的虛擬實驗系統，這也是卓越工程師課程建設上的一項重要工作和內容，同時可以為高校的虛擬仿真實驗技術提升積累實踐經驗。

2）提升液壓傳動課程教學質量。通過開發液壓傳動虛擬教學平臺系統，能讓學生通過線上學習的方式，自主學習液壓傳動系統相關知識，做到課前預習、課中學習、課后復習的有效結合。既能再現真實操作，又能克服時間、空間和設備的制約，有效解決目前液壓傳動課程實踐教學中存在的諸多問題，達到優化教育資源，提高教學質量的目的。

3）推進汽車液壓傳動本科教學模式改革。將虛擬實現等信息化教學方式引入“理論教學+實驗教學”的傳統教學模式中，推動液壓傳動教學模式向高科技、現代化、信息化和網絡化改革，使傳統的課堂教學結構由“以教師為中心”轉變為“教師主導－學生主體相結合”。

4）推動車輛工程專業學科和信息化技術融合。將虛擬現實技術融入汽車液壓傳動教學過程，實現學科和信息化技術的融合。充分發揮信息化技術發展的優勢，推動跨學科交叉和創新驅動發展。

5）提升整體教學效果。虛擬實驗教學平臺的開發，可以將汽車上涉及到的液壓傳動技術應用集大成于一套虛擬教學實驗平臺中，統一講授。同時也避免其他專業課程講解中要么直接忽略掉液壓傳動技術講解，要么教師對不熟悉的內容花很長時間備課講解。

6）同時該過程也對教師本人專業成長具有十分積極的意義。參與實驗教學改革建設，對教師來說，是專業成長中十分重要的途徑。汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺開發，可以使教師認真研究專業和學生特點，獲得知識的真諦。

4 虛擬實驗平臺建設要求及應用效果

汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺可以使學生通過該虛擬實驗教學平臺系統重溫理論教學中的重點內容，并通過虛擬實驗教學方式，提升工程實踐能力，掌握汽車液壓傳動試驗方法，加深對書本難點和重點知識的理解。為更好發揮汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺作用，應在設計開發過程中明確以下教學實踐要求及應用效果。

4.1 汽車液壓傳動虛擬仿真實驗教學平臺的教學實踐要求

1）真實性。包括汽車液壓傳動工作場景真實性和操作真實性。場景真實性是指虛擬實驗平臺系統內的液壓元件模型和實驗設備模型都高度還原真實情況，能讓學生在使用過程中有身臨其境的感覺。操作真實性指的是虛擬仿真實驗中實驗流程與真實情況完全一致，學生操作后得到的系統反饋也和真實情況相同。

2）便捷性。因為虛擬實驗教學平臺設計主要用于課程教學中，因此應當便于師生操作，需要設計簡潔、方便的平臺操作界面。同時，為了能適配不同的電腦配置，在進行開發時應當進行模型的簡化，并適當降低不重要的部件渲染質量，降低整個軟件包所占資源，提升運行速度。

3）豐富性。汽車液壓傳動課程內容豐富、復雜、抽象，為了能讓學生更全面地理解其中的難點和重點內容，虛擬實驗教學平臺系統應當包含豐富的液壓元件模型、液壓回路實驗和汽車液壓傳動應用技術，同時還應隨著技術革新，逐步更新虛擬實驗教學平臺系統的功能，做到豐富多樣，與時俱進。

4.2 汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺系統的教學應用效果

根據以上預期的教學實踐要求，汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺應在本科教學實踐中實現如下應用效果：

1）汽車液壓元件三維虛擬實物展示效果，破除書本中的元件平面二維認知。為真實反映汽車液壓元件外觀，特別是內部詳細構造，包括液壓系統中動力元件（液壓泵）、執行元件（液壓缸）、控制元件（液壓閥）和輔助元件（壓力表等）的三維模型展示。同時還應該對液壓元件職能符號和工作原理進行必要性介紹，實現學生“課上課下交互”深刻理解課程內容。

2）汽車液壓元件虛擬實物的剖視調節功能，實現多維度、多角度學生認知能力培養。通過建立液壓元件的三維實體模型，實現液壓元件的不同剖視功能和不同觀測角度調節。讓學生可以根據自身學習需要，看到液壓元件的1/4、半剖、3/4等剖視圖，任意轉動調節觀測角度，便于了解其內部構造。便于學生了解內部結構和微觀尺度下結構的形態，從而實現流體在微觀和內部流動形態的理解和掌握。

3）汽車液壓元件虛擬拆裝實驗，增強學生工程實踐能力。能夠在虛擬實驗場景中進行液壓元件的拆裝實驗，包括液壓元件彈出介紹、拆裝演示以及學生自主拆裝過程的功能實現。學生在觀看正確展示后，能夠根據虛擬實驗教學平臺系統的拆裝步驟引導，正確實現對液壓元件的拆裝，并實現步驟錯誤提醒，掌握拆裝規律和過程。

4）虛擬汽車液壓試驗臺，培養基礎實驗能力。液壓試驗臺是汽車液壓傳動課程實驗中的基礎實驗裝置，通過搭建虛擬液壓試驗臺的三維實物，不僅可以讓學生更好的認識液壓試驗臺，也可以讓學生更好的學習使用液壓試驗臺，有助于學生基礎實驗能力提升。通過液壓試驗臺也可以更好理解課程中的液壓系統和液壓元件，也有利于學生今后在實際液壓試驗臺上開展各種液壓回路實驗。

5）汽車液壓傳動回路虛擬實驗，提升學生分析解決問題能力。液壓基本回路實驗包括液壓回路基本原理和回路特性的介紹，以及液壓基本回路的虛擬仿真。基于搭建的虛擬液壓試驗臺，能夠像真實實驗一樣按照步驟進行操作，記錄實驗數據，并針對每個液壓回路實現的目標，認真思考、分析和解決問題，并撰寫實驗報告。

6）汽車液壓傳動技術應用案例的虛擬實驗展示，貫通不同專業課程間液壓共性技術。由于課程面向車輛工程專業本科生培養，需要對流體與液壓傳動技術在汽車上的應用案例進行重點的展示和虛擬實驗，如：汽車液壓助力轉向裝置、液壓制動回路、油氣主動懸架、換擋閥的液壓驅動等，包括實際汽車液壓應用的模型展示和工作原理介紹。同時汽車液壓技術應用虛擬實驗展示不僅可以更好的讓學生了解液壓傳動技術在汽車上的典型應用案例，也可以實現不同專業課程知識的貫通式教學。注重協同汽車構造、汽車原理和汽車設計等其他專業骨干課程中涉及的汽車液壓傳動技術應用，貫通加深汽車學院專業課程共性知識點的理解，全面提升本科生專業素養。

7）將虛擬實驗平臺進行課堂教學實踐應用，并針對學生實際需求，不斷改進提升。在本科教學中進行應用，將汽車液壓傳動虛擬實驗平臺系統打包，生成可執行程序，提供給上課學生使用，開展相關虛擬實驗，并進行考核。當然也要虛心聽取學生反饋意見，并制定相關方案進行改善。在教學實踐中不斷提升虛擬實驗教學平臺的實際效果，讓學生從不熟悉到熱愛，成為學生的好幫手。

8）掌握汽車液壓傳動虛擬實驗技術原理和設計開發方法，提升教師虛擬仿真實驗建設能力。對于教師本身，通過本項目實施，深入學習、掌握虛擬實驗技術方法和原理，熟練運用3D建模方法，實現液壓元件的3D實物建模。并掌握虛擬實驗平臺設計開發方法，實現汽車液壓傳動虛擬實驗教學平臺系統開發，并結合實際不斷升級。

5 結語

通過汽車液壓傳動虛擬仿真實驗教學平臺建設意義及應用效果探討，梳理了目前國內外虛擬實驗教學技術現狀，定義了液壓傳動虛擬仿真實驗教學平臺功能和應用效果，可以實現汽車液壓傳動理論教學與實驗教學環節更加緊密地結合，加深了學生對本門課程知識的理解和掌握，有利于提高本科學生對實驗的重視程度和對本門課程的學習興趣，為勝任今后的實際工作打下了良好的基礎。作為教師本身，通過開展專業課程的虛擬仿真實驗平臺建設，積極踐行黨的二十大精神，也是對國家實施“科教興國和人才強國戰略”的有效探索，對專業課程教師育人也能起到較強示范輻射帶動引領作用，也是對高等學校教師教育教學理念的新啟蒙。

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Construction Significance and Application for Virtual Experimental Platform of Automotive Hydraulic Transmission

ZHANG Zhiming1, ZHAO Zhiguo*1, ZHANG Juannan2, CHANG Wei1

( 1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.School of Physical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China )

The 20th National Congress of the Communist Party of China has bestowed upon higher education a new historical mission and development pattern. In order to meet the major needs of training engineering practical ability of vehicle engineering professionals under the background of national "three new and one high" and automobile "new four modernizations", there are common problems such as insufficient experimental teaching conditions, single means and poor education effect in traditional practice teaching of automobile major hydraulic transmission course. The construction and development of virtual teaching experimental platform for automotive hydraulic transmission is an effective solution at present. Through extensive research at home and abroad, this paper summarizes many practical problems objectively existing in the practical teaching of hydraulic transmission course at present, systematically summarizes the development of virtual simulation technology at home and abroad, as well as the technical status in the application of experimental teaching, and puts forward the suggestion significance of the virtual experiment teaching platform of automotive hydraulic transmission. The specific requirements and practical application effects of the construction of the virtual experiment teaching platform for automotive hydraulic transmission are clarified, which provides effective guidance for the construction content and function development of the virtual experiment platform for automotive hydraulic transmission, and has positive reference significance for the realization of a new curriculum teaching model that integrates the basic course of hydraulic transmission specialty with the education of engineering practice.

Automobile hydraulic transmission; Curriculum practice; Virtual simulation; Construc- tion of experimental teaching platform

G642.0

A

1671-7988(2023)21-167-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.034

張智明（1979－），男，博士，講師，研究方向為燃料電池汽車技術，E-mail:zhangzm@tongji.edu.cn。

趙治國（1971－），男，博士，教授，研究方向為新能源汽車動力系統，E-mail:zhiguozhao@tongji.edu.cn。

同濟大學17期實驗教學改革專項基金項目（1700104202）。