國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與管理

劉秀清, 葛文慶, 焦學(xué)健, 李麗君

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要實(shí)踐內(nèi)容[1-5],而加速信息化教學(xué)建設(shè)是很多高?！笆濉币?guī)劃的重要建設(shè)內(nèi)容之一。車輛與交通專業(yè)群作為學(xué)校優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科,對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)尤為重要。目前各大院校存在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏、高危實(shí)驗(yàn)難于操作的問題[6-8]。對(duì)于需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)踐項(xiàng)目,以及那些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)則具有明顯的優(yōu)勢(shì),并對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響,同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生“工程意識(shí)和系統(tǒng)集成”的思想。

1 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)目標(biāo)及思路

以“一個(gè)宗旨,兩個(gè)核心,三個(gè)平臺(tái),四個(gè)層次、五個(gè)模塊”的“一二三四五”工程為建設(shè)目標(biāo)和思路,即以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨,以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心,建設(shè)基于五通道柱幕被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、集中式“虛實(shí)結(jié)合”虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和基于校園網(wǎng)的分布式虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)3個(gè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái),探索校、院、教師、學(xué)生4個(gè)層次的教學(xué)運(yùn)行管理模式,按照課程性質(zhì)分類建成汽車構(gòu)造原理、汽車設(shè)計(jì)理論、車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化與安全性設(shè)計(jì)、汽車電子電路與單片機(jī)、交通與安全5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊,見圖1。

圖1 “一二三四五”工程建設(shè)思路與建設(shè)目標(biāo)

2 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心硬件建設(shè)

車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(見圖2)面積達(dá)200 m2,10臺(tái)高亮度投影機(jī)、5臺(tái)圖形工作站、220度大型環(huán)繞金屬硬幕等組成的五通道被動(dòng)立體虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；配有高性能服務(wù)器2臺(tái),有30TB大型存儲(chǔ)設(shè)備及高配置計(jì)算機(jī)100余臺(tái),能夠保障車輛及相關(guān)學(xué)科各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；校園門戶網(wǎng)站、學(xué)院網(wǎng)站、在線教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng),及時(shí)在校內(nèi)外公布虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息,提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)鏈接等相關(guān)服務(wù)。

圖2 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

3 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的關(guān)鍵是如何搭建科學(xué)可行的信息化教學(xué)平臺(tái)和構(gòu)建豐富合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。硬件平臺(tái)建設(shè)通過投入人力、物力和財(cái)力能在短期內(nèi)產(chǎn)生很好的效果,但優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源必須有一定的基礎(chǔ)和積累[9]。車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)采用多元化建設(shè)模式。

3.1 集合多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)力量自主開發(fā)模式

汽車構(gòu)造、內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)多,參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生也多,而不同型號(hào)的汽車的零部件往往有很大的不同,故需要的零部件教具和儀器設(shè)備就多,費(fèi)用昂貴；綜合性實(shí)驗(yàn)往往僅能提供學(xué)生部分設(shè)備,限制了學(xué)生興趣和特長(zhǎng)的發(fā)揮。為此,我院在2008年就組織團(tuán)隊(duì)針對(duì)汽車構(gòu)造理論實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況開發(fā)了“基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的‘汽車構(gòu)造’虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件平臺(tái)”,通過該平臺(tái)使學(xué)生自由、自主、方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的操作,加深知識(shí)的理解,開拓了視野,提升了知識(shí)結(jié)構(gòu),培養(yǎng)了綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。該項(xiàng)目獲得了山東省教學(xué)成果三等獎(jiǎng)。

交通與安全實(shí)驗(yàn)多是高危性的,據(jù)此中心組建專門團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“道路交通安全三維仿真系統(tǒng)”,開設(shè)了“乘用車碰撞安全性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、大客車側(cè)翻安全性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和校車座椅—乘員安全性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”,解決了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴以及實(shí)驗(yàn)過程危險(xiǎn)等難題,有效滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

3.2 校企合作共同開發(fā)模式

(1) 中心與景格汽車科技有限公司合作開發(fā)具有破壞性和危險(xiǎn)性的、涉及人身安全及真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)的汽車碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。

(2) 山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司是國(guó)家定點(diǎn)汽車生產(chǎn)企業(yè)、省級(jí)企業(yè)技術(shù)中心和高新技術(shù)企業(yè),具有豐富的汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),為中心建立汽車的虛擬仿真模型提供技術(shù)支持。

(3) 國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心與車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心合作,為汽車碰撞安全性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供高性能并行超級(jí)計(jì)算的技術(shù)支持。

(4) 淄博市公安局交通警察支隊(duì)具有豐富的道路交通安全管理的經(jīng)驗(yàn),為中心的交通安全虛擬仿真研究提供專業(yè)咨詢和支持。

3.3 科研促教學(xué)的開發(fā)模式

中心研究成果應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),既豐富了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,又實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下難以開展的破壞性、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。例如在開展國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題“農(nóng)業(yè)裝備虛擬裝配技術(shù)的研究”過程中取得的研究成果為“汽車構(gòu)造”實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件開發(fā)提供了技術(shù)保證；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多軸轉(zhuǎn)向汽車操縱穩(wěn)定性研究”的研究成果拓展為汽車操縱穩(wěn)定性和多軸轉(zhuǎn)向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；山東省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于經(jīng)濟(jì)性與排放性的汽車動(dòng)力參數(shù)匹配優(yōu)化方法研究”的研究成果拓展為汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

通過這種多渠道建設(shè),目前中心面向車輛工程、交通運(yùn)輸、交通工程和熱能與動(dòng)力工程4個(gè)本科專業(yè)的18門骨干課程,基于5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊,開設(shè)了60個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及面向全校學(xué)生的1門通識(shí)性課程的2個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),建立了適應(yīng)以上專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的較為完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,如圖3所示。

圖3 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系

4 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的資源共享對(duì)于加強(qiáng)中心建設(shè)、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義[10]。針對(duì)我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和教育技術(shù),整合國(guó)內(nèi)外成熟的虛擬實(shí)驗(yàn)研究成果,聯(lián)合北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,研究開發(fā)和部署了校、院、教師、學(xué)生4個(gè)層次的開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)。平臺(tái)的目標(biāo)是高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享,滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了所有實(shí)驗(yàn)軟件統(tǒng)一接入、學(xué)生在平臺(tái)下進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)的目的。通過系統(tǒng)間的無縫連接,使之達(dá)到一個(gè)整體的實(shí)驗(yàn)效果,解決了信息孤島的問題。中心為學(xué)生提供多學(xué)科、多層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,資源共享,打破學(xué)生專業(yè)實(shí)驗(yàn)限制,更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[11]。平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)見圖4。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺(tái)功能圖

5 車輛工程與交通虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)成效

5.1 信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合,構(gòu)建了完善的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息化教育技術(shù)深度融合,建立了具有車輛工程專業(yè)和交通實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)的信息化管理共享平臺(tái),包括虛擬實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站、實(shí)驗(yàn)前的理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)成績(jī)統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)字化資源管理、師生互動(dòng)交流和系統(tǒng)管理等子系統(tǒng),解決信息孤島的問題；虛擬實(shí)驗(yàn)中心緊扣人才培養(yǎng)目標(biāo),整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合,能實(shí)勿虛”的原則,開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作,建立了虛實(shí)結(jié)合的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,提高了管理效率和教學(xué)效果。

5.2 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、CAE等現(xiàn)代仿真技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

建成了五通道柱幕虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),開發(fā)了基于多通道虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的“汽車構(gòu)造”實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的沉浸感、交互性、想象性3大特點(diǎn),為學(xué)生構(gòu)建了具有立體視覺和身臨其境的感受與體會(huì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。將CAE技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),通過數(shù)字化模型的CAE分析,在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境下,再現(xiàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致的實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了虛擬展示與性能仿真的統(tǒng)一。

5.3 教學(xué)科研相互促進(jìn),建成了高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍

除虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源外,影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素是師資隊(duì)伍[12]。中心堅(jiān)持采取教學(xué)科研相互促進(jìn)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè),實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍在開展教學(xué)的同時(shí),積極開展科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)工作,并及時(shí)將中心研究成果應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),自主開發(fā)了針對(duì)性強(qiáng)、因材施教的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件,既豐富了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,又開設(shè)了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下難以開展的破壞性、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過多年的建設(shè),中心已逐步形成了一支具有較高學(xué)術(shù)水平、科研能力和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。

5.4 促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

中心開設(shè)了若干個(gè)學(xué)生自主設(shè)計(jì)并完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,例如：振動(dòng)特性的柔性虛擬仿真實(shí)驗(yàn),可以由學(xué)生自己動(dòng)手根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象、激振設(shè)備、傳感器以及數(shù)采系統(tǒng),搭建相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并通過對(duì)儀器的配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；汽車虛擬實(shí)訓(xùn)軟件,學(xué)生可以自己動(dòng)手根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工具,自主設(shè)計(jì)并完成各種實(shí)際操作性實(shí)驗(yàn)。通過這些實(shí)驗(yàn),調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性,有力地促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。近2年我院學(xué)生在中心的技術(shù)支持下,在中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽中榮獲新秀獎(jiǎng)、全國(guó)節(jié)能減排大賽榮獲特等獎(jiǎng)、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練一等獎(jiǎng)等諸多創(chuàng)新獎(jiǎng)項(xiàng)。

6 結(jié)語

車輛工程與交通國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有高水平的教學(xué)團(tuán)隊(duì)和豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,形成了完善的教學(xué)管理運(yùn)行機(jī)制和保障體系,在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。下一步中心將加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)、開放和共享建設(shè)力度,充分發(fā)揮國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的示范、帶動(dòng)和引領(lǐng)作用。