車輛工程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)及線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

（重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院,重慶 400054）

0 引言

隨著車輛工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，智能與新能源汽車等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，給車輛工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來極大困難。虛擬仿真教學(xué)手段在車輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用有助于解決上述困難[1]。重慶理工大學(xué)車輛工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心擬在整合現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，建設(shè)覆蓋車輛全生命周期的車輛工程虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，并進(jìn)行相應(yīng)的線上教學(xué)方式改革。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與課程改革思路

根據(jù)車輛工程學(xué)科人才培養(yǎng)需要，根據(jù)本科人才培養(yǎng)需要，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”的原則，針對(duì)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中成本高、危險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)[2]；擬整合現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以滿足汽車全生命周期教學(xué)需求為主線，建設(shè)汽車設(shè)計(jì)、汽車性能分析、汽車制造技術(shù)、汽車試驗(yàn)技術(shù)、汽車服務(wù)工程等五大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；每一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容均以車輛工程、熱能與動(dòng)力工程、汽車服務(wù)工程、工業(yè)工程相關(guān)核心課程實(shí)驗(yàn)需求為導(dǎo)向，對(duì)核心課程教學(xué)提供有力支撐；建立相應(yīng)管理機(jī)構(gòu)與管理制度，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)人才隊(duì)伍建設(shè)，建立功能完善、支撐有力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，切實(shí)提高虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用水平，將平臺(tái)打造成為一流的車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。通過虛擬仿真資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程線上教學(xué)改革與探索，建立功能完善、支撐有力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式，切實(shí)提高虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用水平，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。

2 覆蓋車輛全生命周期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建需要在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)具備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源包括：

（1）景格汽車構(gòu)造虛擬裝配系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室目前擁有景格公司汽車構(gòu)造虛擬裝配虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套，該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用虛擬仿真技術(shù)建立完整車輛模型及拆裝工具等環(huán)境，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中自行選擇工具對(duì)虛擬車輛進(jìn)行拆解和裝配，可讓學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手前熟悉車輛結(jié)構(gòu)。

（2）汽車駕駛模擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備與實(shí)際車輛完全一樣的方向盤、油門踏板、加速踏板、變速器操縱桿、手剎、燈光及雨刷控制裝置等操縱裝置，以顯示器模擬車輛行駛外部環(huán)境和車輛運(yùn)動(dòng)，可以模擬車輛駕駛過程，讓學(xué)生熟悉車輛駕駛操作。該仿真系統(tǒng)主要用于汽車駕駛實(shí)習(xí)前讓學(xué)生熟悉車輛操作。通過該仿真系統(tǒng)的使用，可以讓學(xué)生在駕駛實(shí)際車輛前熟悉車輛操作，縮短了駕駛實(shí)習(xí)時(shí)間，提高了駕駛實(shí)習(xí)實(shí)車的使用效率，同時(shí)降低了駕駛實(shí)習(xí)的危險(xiǎn)系數(shù)，實(shí)際使用效果較好。

（3）車輛空氣動(dòng)力學(xué)與碰撞虛擬仿真系統(tǒng)。采用工作站模擬車輛空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)以及車輛碰撞試驗(yàn)等大型試驗(yàn)。學(xué)生可以通過計(jì)算機(jī)演示熟悉車輛空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)過程，觀察試驗(yàn)結(jié)果，可以通過計(jì)算機(jī)模擬熟悉車輛碰撞試驗(yàn)過程，觀察模擬計(jì)算的碰撞結(jié)果等。風(fēng)洞試驗(yàn)及車輛碰撞試驗(yàn)設(shè)備昂貴，過程復(fù)雜，在教學(xué)中很難用真實(shí)設(shè)備進(jìn)行演示，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，能讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)這些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程，并根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察，加深直觀認(rèn)識(shí)，使用效果較好。

車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擬建設(shè)汽車設(shè)計(jì)、汽車性能分析、汽車制造技術(shù)、汽車試驗(yàn)技術(shù)、汽車服務(wù)工程等五大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，每一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能及主要建設(shè)內(nèi)容如下：

（1）汽車設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)主要支撐車輛工程、熱能與動(dòng)力工程、汽車服務(wù)工程、工業(yè)設(shè)計(jì)工程等專業(yè)本科及研究生汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知、設(shè)計(jì)等教學(xué)需要。平臺(tái)包括：汽車結(jié)構(gòu)虛擬裝配系統(tǒng)、汽車外形與內(nèi)飾虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)等子模塊。汽車結(jié)構(gòu)虛擬裝配系統(tǒng)：以景格虛擬拆裝軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行完善，建立整車和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生隨時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)進(jìn)行拆裝，提高學(xué)生對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的認(rèn)知水平。需要針對(duì)多種典型車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，建立體系完整的汽車構(gòu)造虛擬拆裝平臺(tái)。汽車外形與內(nèi)飾虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)：引進(jìn)數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套、高清投影機(jī)建立CAVE三維虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)整車外觀數(shù)字化設(shè)計(jì)方案評(píng)審、整車內(nèi)飾數(shù)字化設(shè)計(jì)方案評(píng)審、汽車零部件外觀設(shè)計(jì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案評(píng)審、車身及內(nèi)飾的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案、汽車操縱界面的操作舒適性、汽車內(nèi)外視野的主觀評(píng)價(jià)提供支撐環(huán)境。

（2）汽車性能分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。引進(jìn)汽車駕駛模擬器和高清投影顯示系統(tǒng)，建立汽車虛擬駕駛平臺(tái)，對(duì)車輛自動(dòng)駕駛控制與仿真、車輛動(dòng)力學(xué)控制與仿真、汽車空氣動(dòng)力學(xué)分析與仿真、汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與主動(dòng)安全仿真分析等提供實(shí)驗(yàn)支撐環(huán)境。

（3）汽車制造技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。對(duì)基本制造工藝、汽車制造四大工藝提供視頻、模擬操作等虛擬教學(xué)資料。具體包括車、銑、刨、磨等基本加工工藝的虛擬仿真操作，數(shù)控機(jī)床的虛擬仿真與操作，汽車沖壓、焊接、涂裝、總裝等四大工藝的視頻及互動(dòng)展示，為汽車制造技術(shù)教學(xué)提供有力的數(shù)字化支撐。

（4）汽車試驗(yàn)技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。構(gòu)建汽車動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)、車輛操縱穩(wěn)定性、汽車振動(dòng)等虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，可以完成多種虛擬實(shí)驗(yàn)，為汽車?yán)碚?、汽車電子與電器、內(nèi)燃機(jī)原理、汽車試驗(yàn)學(xué)等多門核心課程提供虛擬教學(xué)手段。

（5）汽車服務(wù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。引進(jìn)景格軟件和德國(guó)汽車檢測(cè)診斷與故障模擬教學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)車輛各電控系統(tǒng)故障在線模擬與在線檢測(cè)、故障排除等，對(duì)汽車服務(wù)工程教學(xué)提供虛擬仿真手段支撐。

3 以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

基于5大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，包括：

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)硬件平臺(tái)構(gòu)建。引進(jìn)數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔、高清投影系統(tǒng)、CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、汽車模擬駕駛系統(tǒng)等設(shè)備，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件支撐環(huán)境，為各子系統(tǒng)建設(shè)提供硬件平臺(tái)支撐，這些系統(tǒng)也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的亮點(diǎn)所在。

在虛擬與仿真運(yùn)算平臺(tái)方面，目前學(xué)院建設(shè)有車輛動(dòng)態(tài)模擬虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，擁有十余臺(tái)工作站。結(jié)合各類虛擬仿真軟件，該平臺(tái)可以對(duì)車輛虛擬裝配、空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)與仿真、車輛結(jié)構(gòu)安全與碰撞仿真、車輛動(dòng)力學(xué)仿真等方面進(jìn)行虛擬演示與虛擬試驗(yàn)，讓學(xué)生了解各種復(fù)雜的車輛試驗(yàn)過程。這些試驗(yàn)的實(shí)際設(shè)備往往非常昂貴，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，既可以讓學(xué)生了解車輛開發(fā)過程，又節(jié)約了成本，且教學(xué)效果和效率都大大提高。

該平臺(tái)的工作站提供了強(qiáng)大的模擬與計(jì)算能力，可以以該平臺(tái)為依托開發(fā)各類車輛仿真與模擬試驗(yàn)，為虛擬教學(xué)的開展提供了有力支撐。平臺(tái)內(nèi)的計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)連接，可以聯(lián)合運(yùn)行與仿真，大大提高了信息化水平與仿真計(jì)算能力。計(jì)算機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)不聯(lián)網(wǎng)，保證了信息安全。

（2）虛擬仿真教學(xué)與管理人才隊(duì)伍建設(shè)。車輛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要適用于空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)安全、車輛動(dòng)力學(xué)仿真模擬等過程復(fù)雜，成本較高的試驗(yàn)，在這些方面，車輛學(xué)院都具有高水平的教師隊(duì)伍。學(xué)院在車輛空氣動(dòng)力學(xué)仿真與模擬、車輛結(jié)構(gòu)及安全仿真與模擬、車輛動(dòng)力學(xué)仿真與模擬、車輛試驗(yàn)技術(shù)等方面都有以教授為核心的團(tuán)隊(duì)，各團(tuán)隊(duì)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，人員構(gòu)成合理，有利于將工程實(shí)踐與教學(xué)需求相結(jié)合，開發(fā)出既符合工程實(shí)際又滿足教學(xué)需求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（3）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)內(nèi)容改革。根據(jù)5大教學(xué)平臺(tái)的布局，以各專業(yè)實(shí)際教學(xué)需求合理制定虛擬教學(xué)項(xiàng)目，通過購(gòu)買與自行開發(fā)等方式搜集虛擬實(shí)驗(yàn)素材與教學(xué)內(nèi)容，豐富虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)內(nèi)容，對(duì)各專業(yè)核心課程教學(xué)提供有力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐。

（4）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)改革。依托學(xué)校力量，建設(shè)功能完善的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)所有數(shù)字化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，建立學(xué)生網(wǎng)上接入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、教學(xué)效果評(píng)價(jià)、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等功能，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力的網(wǎng)絡(luò)與信息化平臺(tái)支撐。

4 總結(jié)

通過規(guī)劃建設(shè)，建成覆蓋車輛全生命周期的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并形成與之相配套的信息化支撐平臺(tái)、人員隊(duì)伍、運(yùn)行機(jī)制、教學(xué)運(yùn)用，為車輛工程學(xué)科相關(guān)專業(yè)的本科及研究生實(shí)踐教學(xué)提供有力支撐。該虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)彌補(bǔ)了采用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行教學(xué)中出現(xiàn)的臺(tái)套數(shù)不足、建設(shè)資金短缺、缺乏適用教學(xué)設(shè)備、部分項(xiàng)目危險(xiǎn)性大等不足，有利于車輛工程相關(guān)教學(xué)的順利實(shí)施。