基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的開放型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊釩 楊瑞霞

[摘 要] 利用計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，建立基于網(wǎng)絡(luò)的開放型汽車發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，提供適應(yīng)不同教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在滿足常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的同時，還注重學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)多層次和貫通化的教學(xué)目標(biāo)。

[關(guān) 鍵 詞] 汽車發(fā)動機(jī)；虛擬實(shí)驗(yàn)；多層次；創(chuàng)新能力

[中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）03-0016-02

近年來，高校大力推行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，部分學(xué)生也選擇了創(chuàng)業(yè)之路，但真正創(chuàng)業(yè)成功者鳳毛麟角。究其原因，其中一個重要因素就是創(chuàng)新能力的缺乏。目前來說，高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育應(yīng)面向全體、分類施教、結(jié)合專業(yè)、強(qiáng)化實(shí)踐。對具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力的學(xué)生，要引導(dǎo)他們基于創(chuàng)新、結(jié)合專業(yè)，發(fā)揮自身優(yōu)勢來創(chuàng)業(yè)[1]。因此，立足本專業(yè)的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)對當(dāng)代大學(xué)生來說尤為重要。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育的重要組成部分之一，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐操作技能，加深對專業(yè)知識的理解。但現(xiàn)有的實(shí)物模型拆裝實(shí)驗(yàn)存在著實(shí)驗(yàn)效果不佳、管理維護(hù)難度高、資金需求大等諸多缺陷，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代職業(yè)教育的需要[2]。

為解決上述問題，教育部明確提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，要以提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展。國內(nèi)各大高校也開展了各級虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，如清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、北京理工大學(xué)的計算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、北京科技大學(xué)的材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、上海理工大學(xué)的裝備制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。

本文在充分分析論證的前提下，以“汽車發(fā)動機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”為起點(diǎn)，分階段、逐層次地建立具有職業(yè)技術(shù)教育特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，探索出一種有利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

一、高職院校汽車類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

職業(yè)教育類汽車專業(yè)教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容是汽車發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與拆裝。現(xiàn)階段該拆裝過程一般在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，學(xué)生在對發(fā)動機(jī)實(shí)物或模型拆卸、測繪的過程中，可以更深刻地理解發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理以及各零部件之間的拓?fù)潢P(guān)系[3][4]。發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知與拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量的實(shí)物模型，而汽車發(fā)動機(jī)的種類較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，職業(yè)院校難以配備完整的各類發(fā)動機(jī)模型，使學(xué)生沒有機(jī)會接觸多種類型的實(shí)物，實(shí)驗(yàn)效果也就無法達(dá)到預(yù)期目的。另一方面，雖然通過發(fā)動機(jī)實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)可觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是依然存在幾個較大的缺陷：（1）無法觀察發(fā)動機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過程；（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)發(fā)動機(jī)在精度、材料、外觀上存在一定差異，無法真實(shí)反映發(fā)動機(jī)的制造、裝配工藝，實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感有所下降。而且發(fā)動機(jī)的實(shí)物拆裝需要在專門的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，往往由于學(xué)生數(shù)量過多、設(shè)備配備不足等的限制，使部分學(xué)生無法獨(dú)立進(jìn)行完整的實(shí)驗(yàn)[5][6]。

為了解決發(fā)動機(jī)實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，通過查閱和走訪國內(nèi)外高校相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況，開發(fā)“面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放型虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”，利用軟件技術(shù)模擬汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)動仿真以及拆裝過程，有效地解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備緊缺、模型更新慢、實(shí)驗(yàn)效果不佳等問題。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究針對職業(yè)教育的特色，仔細(xì)分析相關(guān)課程教學(xué)大綱及其科技前沿，科學(xué)地確定各層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)流程，建立合理的系統(tǒng)構(gòu)架。依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象。將靜止、抽象的概念變?yōu)閯討B(tài)、形象的表示。開發(fā)出一個簡潔、實(shí)用、受眾面大、擴(kuò)充性好的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，提高了教學(xué)效率，達(dá)到了教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。既適應(yīng)當(dāng)代技能型教學(xué)的需求，也符合當(dāng)代職業(yè)教育改革的方向。具體功能如下：

（一）汽車發(fā)動機(jī)零部件功能性展示

根據(jù)汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢、選擇典型汽車發(fā)動機(jī)類型，按實(shí)際尺寸建立三維數(shù)字模型，用虛擬現(xiàn)實(shí)的手段對各組成部分的結(jié)構(gòu)、功能及拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行詳盡、直觀的展示和說明。

（二）發(fā)動機(jī)運(yùn)動仿真實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)建各種運(yùn)動副、傳動機(jī)構(gòu)數(shù)字模型，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析：如機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，追蹤部件的運(yùn)動軌跡；輸出部件的速度、加速度、位移等數(shù)據(jù)，幫助使用者更清晰地理解汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部的運(yùn)作方式。

（三）典型汽車發(fā)動機(jī)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)

在發(fā)動機(jī)三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合虛擬數(shù)字樣機(jī)與和手動直觀操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程的行為模擬。操作者能夠在計算機(jī)仿真環(huán)境中熟悉發(fā)動機(jī)整機(jī)及各組成部分的裝配流程，并直接操作零件模型，極大地提升了對裝配過程的理解和感知[7][8][9]。

（四）汽車發(fā)動機(jī)虛擬設(shè)計輔助教學(xué)系統(tǒng)

編制典型結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動機(jī)的設(shè)計指導(dǎo)書，對其關(guān)鍵零部件的設(shè)計流程及相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、計算公式、技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡的說明。指導(dǎo)和幫助使用者盡快掌握汽車發(fā)動機(jī)的基本設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，可利用商品化三維設(shè)計軟件完成整套發(fā)動機(jī)數(shù)字樣機(jī)的建立。

（五）網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用

（六）彈性的系統(tǒng)構(gòu)架

為緊跟學(xué)科及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿，及時、簡便地擴(kuò)展系統(tǒng)功能，系統(tǒng)采用彈性設(shè)計構(gòu)架。

三、多元化創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的實(shí)現(xiàn)

為適應(yīng)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育面向全體、分類施教的基本原則，本系統(tǒng)在以下幾個方面對多元化培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索。

（一）科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和強(qiáng)大的教學(xué)功能

結(jié)合職業(yè)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能優(yōu)勢， 本系統(tǒng)由認(rèn)識型、基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型等5個層次構(gòu)成。

1.認(rèn)識型實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解汽車發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，初步掌握實(shí)驗(yàn)流程。該層次實(shí)驗(yàn)主要包括以下內(nèi)容：發(fā)動機(jī)類型的認(rèn)識，曲柄連桿機(jī)構(gòu)認(rèn)識（機(jī)體組認(rèn)識、活塞連桿組認(rèn)識、曲軸飛輪組認(rèn)識等），配氣機(jī)構(gòu)認(rèn)識（氣門組認(rèn)識、氣門傳動組認(rèn)識），發(fā)動機(jī)其他系統(tǒng)認(rèn)識（發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)認(rèn)識、燃油供給系統(tǒng)認(rèn)識、點(diǎn)火系統(tǒng)及啟動系統(tǒng)認(rèn)識、潤滑和冷卻系統(tǒng)認(rèn)識等）。

2.基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本的單元，操作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，通過在虛擬現(xiàn)實(shí)條件下拆裝汽車發(fā)動機(jī)各主要模塊，進(jìn)一步加深對基本概念和理論的理解。

3.綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的組合，培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握發(fā)動機(jī)不同模塊之間的聯(lián)系，用于幫助學(xué)生樹立系統(tǒng)的概念，初步掌握汽車發(fā)動機(jī)各組成部分設(shè)計的基本方法與流程。主要包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)拆裝、配氣機(jī)構(gòu)拆裝、發(fā)動機(jī)其他系統(tǒng)拆裝、發(fā)動機(jī)總裝等。

4.設(shè)計型實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步了解和掌握汽車發(fā)動機(jī)各組成部分設(shè)計的基本方法與流程，利用商品化設(shè)計軟件完成汽車發(fā)動機(jī)虛擬數(shù)字樣機(jī)的建立。

5.創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是針對學(xué)有余力的部分學(xué)生，結(jié)合教師科研項(xiàng)目，幫助學(xué)生提高創(chuàng)新能力的進(jìn)一步訓(xùn)練，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力，提出和解決若干具有挑戰(zhàn)性的問題，參加國內(nèi)外創(chuàng)新競賽，申請并完成各級創(chuàng)新項(xiàng)目等。

通過多層次的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既可以觀察發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程，同時又可以完成其結(jié)構(gòu)的拆裝實(shí)驗(yàn)，了解相關(guān)設(shè)計理論和設(shè)計方法。三維數(shù)字模型的直觀、易用性提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固了理論知識；而開放的人機(jī)交流環(huán)境，可充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)效率。

（二）較高的知識關(guān)聯(lián)度

在理論教學(xué)過程中，理論知識與實(shí)物之間缺乏關(guān)聯(lián)，知識點(diǎn)之間無法有機(jī)結(jié)合，直接影響教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)時提示功能，方便學(xué)生查找、操作，遇到較難的知識點(diǎn)可以隨時進(jìn)入相關(guān)模塊進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

（三）低成本的規(guī)?；瘜?shí)驗(yàn)教學(xué)

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用軟件技術(shù)完成整個實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，不受時間、地域的限制，省去了實(shí)驗(yàn)場地，減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購費(fèi)用；以極低的成本在各個級別的學(xué)校較全面地實(shí)現(xiàn)汽車相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)?？梢宰屆恳粋€學(xué)生有充足的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)時間，既保證了教學(xué)效果，又實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化教學(xué)。

四、結(jié)束語

通過虛擬實(shí)驗(yàn)與輔助教學(xué)系統(tǒng)，合理設(shè)計多層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從認(rèn)識層、基礎(chǔ)層及綜合層的感知實(shí)驗(yàn)，到設(shè)計層和創(chuàng)新層的個性化訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動機(jī)課程的階梯式訓(xùn)練。培養(yǎng)了學(xué)生主動獲取知識的能力、提高了對學(xué)習(xí)的興趣和對本學(xué)科學(xué)術(shù)前沿的關(guān)注度。通過創(chuàng)新問題的提出，解決方案的研究，實(shí)際工作任務(wù)的分解、協(xié)調(diào)、最終系統(tǒng)的集成等工作，拓展了知識背景和能力基礎(chǔ)，培養(yǎng)了團(tuán)隊精神，為將來的實(shí)踐工作和進(jìn)一步的深造打下了基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)與設(shè)計有助于因材施教、發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)優(yōu)秀人才，是多層次培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的有效途徑。

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