虛擬樣機技術在車輛工程專業(yè)教學中的應用研究

路永婕 鄭明軍 王軍

摘 要：虛擬樣機技術的廣泛和深入的普及對高等學校工科類的課程教學改革注入了新的活力，從教學手段和教學內涵方面豐富了工科教學的主體內容。該文針對傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)教學中存在的硬件實驗設備少、可重復性差等局限性，深入剖析虛擬樣機技術在教學手段中的優(yōu)勢，提出以成熟的仿真軟件為操作工具，制定具體的教學改革策略，為車輛工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供新的方法和思路。

關鍵詞：虛擬樣機技術 車輛工程 教學改革 應用研究

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0177-02

2013年國務院提出的《“十二五”國家自主創(chuàng)新能力建設規(guī)劃》指出在教育領域，應當“開發(fā)適應多終端共享要求的內容資源、學習工具和資源生成系統(tǒng)，提高教育信息化技術裝備水平。同時，加強數(shù)字化教學設施、特殊教育技術手段等技術創(chuàng)新?！币虼?，教育手段的更新是人才培養(yǎng)和實現(xiàn)自主創(chuàng)新的重要途徑，目前高等教育教學呈現(xiàn)出了“智能化”和“虛擬化”趨勢，因此，將基于計算機系統(tǒng)的虛擬樣機技術融入日常教學的改革探索勢在必行。

1 傳統(tǒng)車輛工程課程教學的局限性

車輛工程專業(yè)的基礎依然是機械工程，它是以相關自然科學和技術科學為理論基礎，結合生產(chǎn)實踐中的技術經(jīng)驗，研究和解決車輛相關產(chǎn)品和裝備在開發(fā)、設計、制造、安裝、運用和修理中的全部理論和實際問題的應用學科。所以，車輛工程專業(yè)的課程具有鮮明的強理論性與強實踐性的特點。而傳統(tǒng)的車輛工程專業(yè)課程的教學方式是依然是延續(xù)了“課堂講述、課程設計和典型實驗”，相應的教學手段也比較單一，教學的形式一般就是多媒體講解和例題的書面解算，學生在學習過程中也總是感覺到很抽象，不能夠良好地接受和吸收知識點，動手能力的培養(yǎng)也存在缺失。

目前，以計算機為基礎的多媒體技術極大地豐富了教學模式和教學內容，在很大程度上激發(fā)了學生的學習興趣，提升了教學的品質。但是，多媒體技術更注重的是使用三維動畫、視頻資料、海量圖庫等直觀、形象的教學資料刺激學生的感官，吸引學生的注意力，以取得良好的教學效果為目的。然而，真正的教學效果如何呢？在計算機網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展的當下，大學生所具有的互聯(lián)網(wǎng)搜索技巧能力是我們所不及的，他們完全可以實現(xiàn)任何知識點的全方面的搜集和整理，甚至是超越書本和教學資料的。所以，課堂上簡單的、淺層次的多媒體資料的堆砌，是遠遠不能夠滿足學生求知需求的。尤其是面對機械類課程和專業(yè)課程，如機械機構原理、傳動方式、液壓油路、機車動力學等知識點的講述，傳統(tǒng)的講解模式主要依賴于三維動畫的展示，至于量化的計算原理和推演過程，單純的動畫是無法仿真和闡述的。

總之，傳統(tǒng)的車輛工程類課程在教學過程中，雖然引入了多媒體等豐富多彩、數(shù)字化的技術手段，但是存在的集中問題是：結構的原理只能實現(xiàn)動態(tài)畫面的展示，而不能定量、重復性的進行原理的推演，學生不能夠深入的掌握知識點，更無法實現(xiàn)基于知識點的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 虛擬樣機技術在車輛工程類課程教學中應用的優(yōu)勢分析

20世紀80年代，隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬樣機技術作為計算機的輔助工程（CAE）中的典型代表迅猛發(fā)展，因為其突出的優(yōu)勢在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。虛擬樣機技術（VPT，Virtual Prototyping Technology）是一種全新的產(chǎn)品設計、優(yōu)化和生產(chǎn)的研發(fā)方法，是利用計算機仿真技術而面向產(chǎn)品全壽命周期的全新的數(shù)字化設計方法。通過虛擬樣機技術可以實現(xiàn)機械產(chǎn)品機構或車輛系統(tǒng)的計算機輔助設計和分析。針對車輛系統(tǒng)的研究包括靜力學、運動學和動力學，虛擬樣機技術主要進行的是機械系統(tǒng)（包括車輛系統(tǒng)）運動學和動力學分析，因此，它也被稱之為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術。將此項技術應用到實際教學中，有如下的優(yōu)勢和特點。

（1）高仿真的造型能力。近年來的計算機可視化技術和3D動畫技術的發(fā)展為虛擬樣機技術提供了更加友好的用戶界面。在基于虛擬樣機技術的軟件中，用既可以非常方便的實現(xiàn)任何機械系統(tǒng)的造型設計，亦可以兼容其他三維軟件導入的任何造型，形象直觀的描述機械系統(tǒng)的每一個部件和細節(jié)特征。在車輛工程課程的教學中，可以通過建立虛擬樣機模型直觀的讓學生掌握車輛系統(tǒng)的構造，激發(fā)學習專業(yè)知識的興趣。

（2）機構原理的準確描述。虛擬樣機技術是對多項先進技術的綜合，其核心部分是多體系統(tǒng)動力學中的運動學與動力學建模理論及仿真分析。因此，除了建立的機構虛擬模型有很高的仿真度，而且能夠準確的獲得機構的運動軌跡、運動學特征和動力學的響應值，定性的描述機構原理。這個顯著的特長在機械工程類課程設計中可以發(fā)揮重要的作用，學生對機械機構設計的原理將會有個深刻的認識。

（3）虛擬實驗降低教學低成本。虛擬樣機技術出現(xiàn)的初衷是利用虛擬平臺的可重復性，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的成本，在工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)中越來越重要。在針對教學方面，虛擬樣機技術降低教學成本的價值體現(xiàn)在減少實驗設備的投入，一些實驗裝置和設備要求高的實驗完全可以借助實驗平臺來完成。配合課程內容，有針對性的設計好虛擬實驗就可以彌補高校實驗設備短缺的問題，而且可重復性的虛擬實驗極大的降低教學的成本，同時可以實現(xiàn)實驗的可重復性。

（4）商業(yè)軟件的易操作性?；谔摂M樣機技術的成熟商業(yè)軟件如MSC/ADAMS，SIMPACK，Recurdyn，經(jīng)過多年的整合和完善都具有友好的操作界面。通過幾年的教學實踐發(fā)現(xiàn)，學生在掌握了一定的理論基礎之后，都可以很容易的操作這些軟件，建立各類機械構件的虛擬樣機模型，并進行動態(tài)仿真分析，獲得產(chǎn)品的動力學和運動學性能的分析。

3 基于虛擬樣機技術的教學改革

（1）以虛擬樣機技術為工具。工欲善其事必先利其器，在《“十二五”國家自主創(chuàng)新能力建設規(guī)劃》中也已經(jīng)明確倡導使用特殊教育技術手段。因此，要實現(xiàn)機械類課程教學的深入改革，就要充分利用好虛擬樣機技術的優(yōu)勢，并且將虛擬樣機技術作為一個基本的教學和學生學習的“雙重工具”融入教學各個環(huán)節(jié)。一方面教師以此工具講解、展示和還原機械系統(tǒng)原理；另一方面學生以此工具的仿真經(jīng)歷獲得啟發(fā)，重演原理和鞏固知識點。最終的目的不是將虛擬樣機技術視為一般的知識，而是真正的成為一個工科學生人人都具備的有效的工具。以虛擬樣機技術為紐帶在教和學中必然會得到雙贏。在該院的車輛工程專業(yè)的實際教學中，在講授車輛動力學和有限元方法時，要求學生將多體動力學軟件ADAMS、SIMPACK和有限元軟件ABAQUS作為基本工具，設定了若干的課程設計和畢業(yè)設計題目，完成了一些車輛虛擬的動力學和有限元模型的建立和分析，使學生準確、深入的掌握了專業(yè)知識。

（2）借虛擬實驗提高學生的動手能力。利用虛擬樣機技術的可重復性和低成本的優(yōu)勢，在課程教學中，精心設計一些動態(tài)實驗，讓學生在構建的虛擬平臺中反復的演練實驗項目。例如：在學習機械原理中齒輪的傳動比的學習時，內容比較抽象，學生很難一步到位的掌握知識點，就可以利用虛擬仿真的方式預設實驗，讓學生在虛擬平臺上自己動手搭建虛擬的齒輪的造型，動態(tài)仿真齒輪嚙合的過程，在體會齒輪的運動軌跡的同時，分析齒輪的受力情況，對齒受力集中的區(qū)域進行強度校核，即設計-動力學分析-強度分析-結構優(yōu)化等綜合性的演練，通過這樣的實驗可以以很低的教學成本的完成教學任務，同時在潛移默化中提高學生的動手能力和創(chuàng)新思維。

（3）設立虛擬樣機比賽驅動學生的創(chuàng)新能力。高校的職責之一就是培養(yǎng)人才，而且應當培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新意識、強競爭力的高級人才。在實踐教學中，以虛擬樣機技術為工具，組織形式多樣的“機械裝置虛擬設計”大賽，鼓勵學生充分借用虛擬樣機技術的特長，結合自己的創(chuàng)意，建立復雜機構的虛擬樣機模型，對模型的功能和性能進行動態(tài)仿真。經(jīng)過競賽的反復實戰(zhàn)練習，學生的創(chuàng)新意識得到增強，對專業(yè)知識也能夠做到靈活應用。

4 結語

在計算機技術快速發(fā)展的今天，虛擬樣機技術已經(jīng)進入一個比較成熟的時期。高校在教學過程中，應當突破傳統(tǒng)的單一化的多媒體教學手段。而是很好借助虛擬樣機技術的優(yōu)勢，以此為“工具、實驗平臺和演練手段”，豐富的車輛工程專業(yè)的教學方式，以培養(yǎng)出更具有實戰(zhàn)能力的人才為目標，切實的提高學生動手能力和創(chuàng)新能力。

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