面向新工科的汽車虛擬仿真實驗中心探索與實踐

胡 翼，侯獻軍，袁曉紅

（武漢理工大學，湖北武漢 430070）

我國汽車產(chǎn)銷量連續(xù)十一年位居全球第一，是穩(wěn)增長、保就業(yè)、促消費的關鍵產(chǎn)業(yè)之一，汽車科技正向輕量化、電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，同時積極響應國家“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，成為了新一輪科技革命交叉融合的戰(zhàn)略高地。隨著產(chǎn)業(yè)升級和科技發(fā)展，汽車工程類知識體系的交叉廣度和融合深度迅速擴展，汽車類專業(yè)的培養(yǎng)方向也應及時調(diào)整為以“輕量化、電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化”為代表的新一輪科技革命驅(qū)動下的產(chǎn)業(yè)需求，進一步做好國家戰(zhàn)略發(fā)展和行業(yè)升級的支撐。

教育部高教司于2016 年首次提出新工科概念后，經(jīng)過反復調(diào)研及論證，于2017 年先后形成了“復旦共識”“天大行動”等指導性文件，推出一系列實施計劃。隨著新工科教學改革實踐全面啟動，汽車虛擬仿真實驗中心作為聚焦學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要平臺，對其面向新工科的學科交叉與創(chuàng)新能力的融合培養(yǎng)方面提出了新的要求。

一、面向新工科的虛擬仿真實驗中心發(fā)展方向探索

（一）汽車虛擬仿真實驗教學應融入面向新工科的交叉學科知識體系

在汽車科技成為新一輪科技革命交叉融合的戰(zhàn)略高地的大背景下，汽車類專業(yè)工程人才的培養(yǎng)方向轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕鹿た平ㄔO為導向，突出于學科交叉特色，結(jié)合社會對新能源、新技術(shù)、新材料等方面的復合型人才實際需求，在汽車、機械、電子控制、新能源技術(shù)、材料科學等學科的交叉融合中培養(yǎng)應用型工程人才[1]。由于汽車工程的知識體系的交叉廣度和融合深度擴展速度加快，亟需緊密結(jié)合社會、經(jīng)濟及國家安全等各領域的新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，利用信息化、互聯(lián)網(wǎng)等虛擬技術(shù)，將新能源、智能網(wǎng)聯(lián)、汽車電子控制和材料科學方面的知識點融入實驗教學體系中。

汽車虛擬仿真實驗教學應融合以新工科建設為導向的學科交叉型的知識體系，實驗內(nèi)容的設計要充分結(jié)合汽車科技輕量化、電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化，搭建一個多樣化、復雜化、身臨其境的虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)一些線下實驗難以完成的實驗內(nèi)容，同時實現(xiàn)實驗開發(fā)與資源共享，進一步拓展學生多學科交叉融合的視野。

（二）汽車虛擬仿真實驗教學應融入面向新工科的多維度能力培養(yǎng)要求

為了支撐快速發(fā)展的新經(jīng)濟，達成培養(yǎng)新型工程創(chuàng)新人才的最終目標，應在教學中保持國家級虛擬仿真實驗中心建設的“初心”，將培養(yǎng)目標聚焦實踐能力和創(chuàng)新能力提升。伴隨著新工科立足新業(yè)態(tài)需求，新工科實踐教學模式包含了工科教育中的新模式、新方法、新內(nèi)容，倡導虛擬仿真實驗教學在新工科教育模式的基礎架構(gòu)下發(fā)展與推廣實施[2]。

武漢理工大學汽車虛擬仿真中心建設初期憑借信息化技術(shù)，融合了新工科教育模式下的新方法、新內(nèi)容，教學體系建構(gòu)3 個層次：基礎訓練層、技能提升層及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)層[3]。實驗室的建設實踐在既能滿足低年級學生學習汽車相關聯(lián)的機械工程基礎、工程實驗等領域?qū)I(yè)知識和基本技能的學習需要，又能夠滿足高年級學生開展學科競賽、工程問題研究及創(chuàng)新能力訓練的要求的基礎上，按照新工科建設的要求，從實驗室建設理念、實驗平臺構(gòu)建和實驗教學體系等方面進行逐步拓展，通過實驗內(nèi)容、方法的優(yōu)化和創(chuàng)新，進一步培養(yǎng)學生專業(yè)能力、通用能力、綜合素質(zhì)等多元能力。

虛擬仿真實驗應充分應用Matlab、Labview、3D 仿真、VR 虛擬現(xiàn)實、AR 增強現(xiàn)實等技術(shù)創(chuàng)造一些沉浸式教學環(huán)境，教學方法中融入任務實驗、綜合型實驗、探究式實驗，同時以校企聯(lián)合項目為抓手，結(jié)合虛擬仿真實驗項目有條件地翻轉(zhuǎn)教學對象、方法、程序等關鍵要素，使被動實踐轉(zhuǎn)化為主動實踐，激發(fā)學生對實驗設計的創(chuàng)新動機，進一步提升新工科多維度的能力[4]。

二、面向新工科的汽車虛擬仿真實驗中心實踐模式探索

（一）新工科汽車虛擬仿真實踐模式

汽車虛擬仿真實驗中心依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術(shù)，從創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標整體出發(fā)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，開發(fā)虛擬實驗資源，同時本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則，逐步建設了汽車構(gòu)造虛擬仿真、汽車實驗及性能虛擬仿真，以及汽車使用與服務虛擬仿真3 個實驗教學平臺。在此基礎上，中心有的放矢地通過新工科教育模式下的新方法的應用，在實驗設計中綜合應用任務式、自主設計式、團隊探究式等多種新方案及新方法，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力和系統(tǒng)性思維，教學實施中積極引導學生進行線上線下相結(jié)合的實驗，在網(wǎng)絡上進行實驗結(jié)果討論與互助，構(gòu)建分層次逐級遞進的新工科多維度能力培養(yǎng)實驗教學體系，見圖1[5-8]。

圖1 汽車虛擬仿真實驗中心能力培養(yǎng)平臺

中心圍繞以新工科建設為導向的汽車類交叉學科的專業(yè)培養(yǎng)方向，在實驗平臺構(gòu)建、實驗教學體系及虛擬項目建設等方面，吸納汽車產(chǎn)業(yè)新生態(tài)中的新能源、智能網(wǎng)聯(lián)、汽車電子等新技術(shù)、新成果等代表新工科發(fā)展方向的交叉學科元素，系統(tǒng)有序地建設了3 個平臺、14 個虛擬仿真實驗教學項目及50 個資源，見表1、表2、表3。

表1 汽車構(gòu)造實驗虛擬仿真平臺

表2 汽車實驗與性能平臺

表3 汽車使用與服務虛擬平臺

（二）面向新工科虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新實驗案例

1.新能源汽車結(jié)構(gòu)與性能虛擬仿真實驗

該教學內(nèi)容中融合了汽車新生態(tài)中的新能源、汽車電控等交叉學科元素。其實驗內(nèi)容設計上包含了新能源汽車結(jié)構(gòu)認知和性能虛擬仿真實驗兩部分，包括常見的4種新能源汽車的布置形式、結(jié)構(gòu)特點及每種類型汽車的基本工作原理和主要部件介紹等。學生可在資源首頁界面選擇進入結(jié)構(gòu)認知或性能仿真。結(jié)構(gòu)認知模塊可實現(xiàn)常見的純電動汽車、混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車等幾種車型的逐級部件拆解及部件裝配，采用虛擬仿真呈現(xiàn)新能源汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與性能，激發(fā)學生對汽車新技術(shù)與性能的深入理解[9]。

2.汽車制動虛擬仿真實驗

該實驗給學生提供一個以B/S 為架構(gòu)的線上虛擬平臺，并做好虛實結(jié)合，真實的道路實驗一般局限于汽車制動效能，且受制于場地和內(nèi)容深度問題制約，通過虛擬實驗設計，實現(xiàn)汽車制動效能恒定性和穩(wěn)定性等方面的教學內(nèi)容和現(xiàn)象，顯現(xiàn)了測試車輛不同工況的各種性能實驗現(xiàn)象。為了能讓每位學生直觀形象地學習汽車制動實驗過程中的相關知識，實驗采用先進的虛擬仿真技術(shù)3D 和Lab view 進行對比分析，讓學生可以較好地掌握汽車制動實驗的準備、汽車制動國家標準和數(shù)據(jù)采集等相關專業(yè)知識，通過實驗創(chuàng)新設計，開展結(jié)果做出分析、判斷及決策等項目，在實驗中應用了自主設計及團隊探究式實驗方案，著力訓練學生新工科多維能力。

3.汽車虛擬營銷實驗

該實驗可以讓學生在一個模擬現(xiàn)實的商業(yè)環(huán)境中演練所學的汽車營銷管理的理論和實驗技術(shù)與管理技能，而不需要承擔在現(xiàn)實中可能面對的風險。其基本思路是模擬汽車產(chǎn)業(yè)環(huán)境中多個企業(yè)因生產(chǎn)不同的汽車產(chǎn)品而相互競爭的氛圍。學生分成多個小組，分別扮演各個虛擬企業(yè)的營銷小組，進行營銷競爭演練的同時，通過對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟環(huán)境和市場進行調(diào)研，完成市場調(diào)研報告。學生主動理解和體驗在課堂上學到的各種營銷及物流管理的理論、分析工具和操作方法，自覺地從戰(zhàn)略高度考慮問題，并且在模擬的過程中不斷地分析市場環(huán)境、分析對手的策略，然后組織實施和修正自己的營銷管理策略[10]。

三、汽車虛擬仿真實驗中心發(fā)展階段性成果

虛擬仿真實驗中心堅持開展校企合作，依托武漢理工大學—上汽通用五菱國家級工程實踐教育中心和東風汽車集團等校外實習基地，構(gòu)建了包含校內(nèi)實驗基地在內(nèi)的多元化實踐平臺，通過實施校企資源共享，協(xié)同各成員單位可提供的共享資源、互補資源、有償資源，共建聯(lián)盟，實現(xiàn)資源利用效益的最大化。通過構(gòu)建校企協(xié)同育人機制，圍繞以新工科為導向的專業(yè)人才的社會需求，與企業(yè)共同修訂人才培養(yǎng)標準，對相關實踐課程及專業(yè)課程進行開發(fā)，逐步建設完成了省級一流課程“汽車動力性虛擬仿真實驗”、校級一流課程“新能源汽車結(jié)構(gòu)與性能虛擬仿真實驗”等課程。

在教學研究方面，本中心主要結(jié)合虛擬仿真實驗教學工作，以協(xié)同育人項目為發(fā)展抓手，主要圍繞教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目及國家新工科項目，通過構(gòu)建校企協(xié)同育人機制，在教研實踐中充分挖掘和合理設計，開展了包括國家第二批新工科項目“汽車類專業(yè)產(chǎn)學研融合創(chuàng)新教學模式研究與探索”1 項、省級教研項目“新工科背景下汽車服務工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”“雙一流建設下的高校學科交叉的探索與實踐”2 項在內(nèi)的30 項教學研究項目申報和建設工作。

在國家汽車新科技的創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略下，汽車虛擬仿真實驗中心圍繞滿足新工科發(fā)展方向的汽車交叉學科專業(yè)知識，踐行新工科“融合創(chuàng)新”教育理念，運用先進信息化技術(shù)，借助新工科為導向的科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬實驗資源的快速通道,保證虛擬實驗項目的先進性,為汽車類專業(yè)的實踐教學和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供新的模式和理念。