關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》課程中應(yīng)用的探討

張智明+張娟楠+李昌昊+王毅剛+章桐

摘要：該項(xiàng)目針對(duì)本校車輛工程專業(yè)學(xué)生《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》課程中存在的課時(shí)少和缺乏實(shí)驗(yàn)的主要問題，結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求，基于目前可視化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，探討以虛擬實(shí)驗(yàn)取代現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的解決方案，提出了液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案和重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，希望對(duì)高校液壓傳動(dòng)課程建設(shè)提供一種發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng)；卓越工程師；虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）10-0265-03

一、引言

《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》是我校汽車學(xué)院本科生卓越工程師的核心課程之一，液壓傳動(dòng)技術(shù)在車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃中占有非常重要的位置。《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》作為汽車學(xué)院學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中液壓傳動(dòng)部分的知識(shí)在之后的專業(yè)課如《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗泛汀镀囋O(shè)計(jì)》中具有非常重要的作用，學(xué)好液壓傳動(dòng)是學(xué)習(xí)這些專業(yè)課程的前提。同時(shí)，液壓傳動(dòng)技術(shù)在汽車上有非常廣泛的應(yīng)用，例如汽車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)中的空氣彈簧和油氣彈簧、ABS防抱死系統(tǒng)等，所以液壓傳動(dòng)也是成為一個(gè)合格的汽車工程師的必要專業(yè)課程內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)高院課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到加深本科理論教學(xué)中涉及的基本概念和理論的理解和掌握，可以促使學(xué)生在該實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實(shí)際問題[1]?！兑簤簜鲃?dòng)技術(shù)》課程是與實(shí)際工程技術(shù)聯(lián)系緊密，實(shí)踐性非常強(qiáng)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。要學(xué)好這門課，學(xué)生不僅要從液壓傳動(dòng)技術(shù)相關(guān)的理論知識(shí)入手，也要具備一定的工程實(shí)踐能力。因此教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于液壓傳動(dòng)具有十分重要的意義，有助于學(xué)生深刻理解書本知識(shí)，提高實(shí)踐動(dòng)手能力，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

二、目前存在的問題

目前液壓傳動(dòng)技術(shù)教學(xué)仍采用先由教師在課堂上進(jìn)行理論知識(shí)的系統(tǒng)講授，然后再安排學(xué)生到實(shí)驗(yàn)中心或基地由實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式。然而隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足及手段簡(jiǎn)單這一現(xiàn)實(shí)問題愈加凸顯?，F(xiàn)行培養(yǎng)模式下液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)存在如下問題。

1.教學(xué)學(xué)時(shí)壓縮，學(xué)生沒有足夠時(shí)間進(jìn)行全面完善的液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)。以同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的課程安排為例，《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》總共51課時(shí)，其中液壓傳動(dòng)部分為24課時(shí)，分配在實(shí)驗(yàn)上的時(shí)間及其有限。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊單一，而且過于簡(jiǎn)單，主要為液壓元件結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)和液壓基本回路實(shí)驗(yàn)，沒有與汽車相關(guān)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，使得學(xué)生對(duì)于液壓傳動(dòng)在汽車上的應(yīng)用缺乏整體性的認(rèn)識(shí)。

3.液壓傳動(dòng)在應(yīng)用上，由于其工作條件要求良好的密封性，因此在實(shí)驗(yàn)中無法看到液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)，使得學(xué)生無法深刻了解其內(nèi)部構(gòu)造、流體流動(dòng)過程以及各個(gè)元件的工作原理。

4.實(shí)驗(yàn)課程中采用的一些有機(jī)玻璃制作的示教模板，既粗糙又缺乏真實(shí)感，而且由于元器件過小使學(xué)生難以看清。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)的意義

計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了解決方案，那就是虛擬實(shí)驗(yàn)。從枯燥單一的傳統(tǒng)教學(xué)方式、相對(duì)抽象的靜止且平面化的內(nèi)容，到計(jì)算機(jī)多媒體可視化教學(xué)[2]，是目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，在這個(gè)過程中，虛擬實(shí)驗(yàn)將逐步取代現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[3]。進(jìn)行液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)虛擬動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)開發(fā)，通過可視化的虛擬仿真演示，將密閉空間內(nèi)的流體液壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“可視動(dòng)態(tài)”展示，嘗試將液壓傳動(dòng)技術(shù)理論知識(shí)與計(jì)算機(jī)多媒體動(dòng)畫技術(shù)相結(jié)合用于課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更好的達(dá)到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，輔助該課程的學(xué)習(xí)。該課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件的實(shí)施具有積極的意義，具體如下。

1.液壓傳動(dòng)技術(shù)課程具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性和實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)是個(gè)必備的課程教學(xué)環(huán)節(jié)，所以這類課程需要開發(fā)高交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[4]，這也是卓越工程師課程建設(shè)上的一項(xiàng)重要工作和內(nèi)容[5]，同時(shí)可以為學(xué)校的慕課（MOOC）建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

2.填補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上的不足。可視化實(shí)驗(yàn)回路虛擬動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)開發(fā)，可以為汽車專業(yè)高級(jí)人才提供生動(dòng)豐富的課上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容展示；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備條件，彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)室硬件條件的局限。減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際成本投入，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作不再受時(shí)間和人力成本的限制，緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的矛盾。而且學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)操作來熟悉實(shí)驗(yàn)流程和元器件功能，掌握相關(guān)的動(dòng)作順序和操作步驟，也不會(huì)因誤操作而損壞儀器設(shè)備。

3.實(shí)驗(yàn)虛擬仿真動(dòng)態(tài)技術(shù)的開發(fā)，可以將車輛工程專業(yè)其他專業(yè)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)上涉及到的液壓技術(shù)知識(shí)集大成于一套課件中，統(tǒng)一講授，比如《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗?、《汽車設(shè)計(jì)》中的液壓部分知識(shí)?；谇懊嬉簤簜鲃?dòng)技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以加深這些專業(yè)課程中涉及的液壓傳動(dòng)技術(shù)知識(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)也可以促進(jìn)對(duì)這些課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的理解和掌握，加強(qiáng)汽車專業(yè)的整體教學(xué)效果。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施

液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)將通過綜合軟件制作和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景錄制兩種途徑實(shí)施。利用計(jì)算機(jī)軟件強(qiáng)大的動(dòng)畫功能，制作形象生動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)回路；利用現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)錄制技術(shù)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中存在的元器件和動(dòng)畫過程在課堂教學(xué)場(chǎng)景中顯示，從虛擬仿真到真實(shí)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)，全方位展示實(shí)驗(yàn)過程。以剖視圖形式展示液壓系統(tǒng)的基本組成，如動(dòng)力單元、控制單元、執(zhí)行單元和輔助單元，以及這些元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、順序運(yùn)動(dòng)關(guān)系及工作流程上的順序；從時(shí)間上可以看出各個(gè)元件運(yùn)動(dòng)的先后順序，有些同時(shí)發(fā)生，有些用控制元件控制順序發(fā)生；從結(jié)構(gòu)形式上可以看到三維半剖視圖，由內(nèi)而外觀察元器件結(jié)構(gòu)，從而全方位達(dá)到為學(xué)生完整展示實(shí)驗(yàn)過程的效果，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和把握。

利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以學(xué)生作為演示對(duì)象，結(jié)合理論教學(xué)進(jìn)度和教材中所有章節(jié)內(nèi)容，重點(diǎn)實(shí)施如下。

1.元件圖片展示。通過拍攝元件實(shí)物圖片讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)液壓傳動(dòng)中的元器件，并認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)中涉及的相關(guān)元器件的實(shí)際形態(tài)。

2.關(guān)鍵元器件動(dòng)畫虛擬仿真。將液壓傳動(dòng)技術(shù)中關(guān)鍵的元器件進(jìn)行繪圖，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為動(dòng)畫形式播放，使學(xué)生能夠透視、直觀地觀察流體在元器件內(nèi)部進(jìn)入、流出的全過程，結(jié)合流體力學(xué)原理的講解，讓學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，深刻理解課堂講授內(nèi)容。通過對(duì)課本中涉及的關(guān)鍵元器件及流體原理中的抽象流動(dòng)過程加以虛擬仿真，現(xiàn)實(shí)還原，不僅能看到平時(shí)看不到的流體流動(dòng)方向，而且能互換回路，實(shí)現(xiàn)流體反向進(jìn)出，拓展學(xué)生思維。這一做法能夠更進(jìn)一步的展示液壓元器件的工作過程，理解其原理和定義，讓學(xué)生“真實(shí)”認(rèn)識(shí)到流體的流動(dòng)特性。

3.實(shí)物的三維模型展示。作為課堂實(shí)驗(yàn)演示過程中的基本單元，液壓元器件實(shí)物的三維實(shí)體模型的建立是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)對(duì)回路中涉及的液壓元件在AutoCAD或者Solidworks工具中按照實(shí)物尺寸和形狀做出三維實(shí)體模型。對(duì)有些元件作剖開處理以便能觀察到內(nèi)部，如流體層流紊流過程、液壓泵、液壓缸、液壓閥和其他相關(guān)元件。通過三維建模方法，建立元器件的三維模型、半剖視圖和全剖視圖，讓學(xué)生真切了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀尺度下結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體在微觀和內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)部分的理解和掌握。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)畫設(shè)計(jì)。將完成的三維實(shí)體模型輸入3D Studio MAX場(chǎng)景中，編輯出與真實(shí)元件接近的材質(zhì)感來，并對(duì)一些零件作一定的透明處理使觀察者能看清內(nèi)部。三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一部分為每個(gè)獨(dú)立的液壓元件結(jié)構(gòu)及工作過程動(dòng)畫，用于虛擬仿真從主面板上放大單一元件的工作過程及結(jié)構(gòu)，使學(xué)生能清楚地看到細(xì)節(jié)。這一部分由于相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律多為平移和旋轉(zhuǎn)顯得不太復(fù)雜。另一部分為主演示面板動(dòng)畫設(shè)計(jì)[6]，從前述實(shí)驗(yàn)原理及過程分析可看出其中的動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件。由于各元件運(yùn)動(dòng)的相關(guān)性，在時(shí)間上又非常嚴(yán)格，因此，在動(dòng)畫時(shí)間上將整個(gè)實(shí)驗(yàn)精確地劃分開來，按時(shí)間劃分來做主演示板三維動(dòng)畫的分鏡頭。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化元器件的組裝和管路拼接，組成流體和液壓回路，并通過動(dòng)畫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)，讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)和虛擬仿真實(shí)際流體流動(dòng)的真實(shí)過程。

5.實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)錄制。在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，篩選流體和液壓傳動(dòng)技術(shù)中的關(guān)鍵試驗(yàn)，利用近距離高分辨率攝像機(jī)，對(duì)虛擬仿真中的流體液壓試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄。在教學(xué)上，將仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓學(xué)生更深刻理解實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錄像，讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中對(duì)虛擬仿真的流體液壓回路進(jìn)行真實(shí)的驗(yàn)證，使學(xué)生更真切的感受實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，并能夠更全面的了解實(shí)驗(yàn)過程，加深和對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身的理解和掌握，這部分在上述動(dòng)畫和虛擬模型中均有應(yīng)用。

五、結(jié)語

通過該應(yīng)用的實(shí)施，可以使理論教學(xué)與課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊密地結(jié)合起來，提高車輛工程專業(yè)本科學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度，激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣，也可以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問題能力和綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力，為勝任今后的工作和學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)；提高師生的科研能力，為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。

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Discussion on the Application of Virtual Experiment Technology in the Application of "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission"

ZHANG Zhi-ming1，ZHANG Juan-nan2，LI Chang-hao1，WANG Yi-gang1，ZHANG Tong1

（1.School of Automobile Studies/Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：The main problems exist in the "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission" course of vehicle engineering are less class time and lack of the experiment，combined with the project of “Excellent Engineer Education Plan Requirements”，based on the development trend of experimental visualization teaching，discuss some solutions to replace the real experiment with virtual experiment，some implementation plan and key construction content are proposed on virtual experiment of the hydraulic transmission course，hope to provide a development way for the construction of hydraulic transmission course in Universities.

Key words：hydraulic transmission；excellent engineer；virtual experiment