虛擬仿真實驗在“汽車空氣動力學”教學中的應用與探索＊

曾凡琮

（江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430056）

汽車空氣動力學專家從航空空氣動力學等相關(guān)學科獲得啟發(fā)和經(jīng)驗，再結(jié)合汽車自身的特點，在汽車空氣動力學領(lǐng)域取得了巨大的成就。隨著研究工作的日益深入，“汽車空氣動力學”已經(jīng)逐步發(fā)展成了一門非常重要的學科。在現(xiàn)代汽車市場競爭中，具有最佳氣動外形造型的汽車才更有生命力，可以說在汽車空氣動力學方面的挑戰(zhàn)是汽車面臨的首要問題。

汽車空氣動力學是主要研究空氣與汽車相對運動時的現(xiàn)象、作用規(guī)律以及氣動力對汽車各性能影響的一門科學，要求學生在系統(tǒng)掌握空氣動力學基本理論的基礎(chǔ)上，還需要通過實踐訓練掌握氣動特性、汽車設(shè)計的能力。實驗教學是“汽車空氣動力學”課程教學中的重要環(huán)節(jié)，學生通過對理論和實驗教學的學習，能夠掌握基本理論及分析和解決實際問題，同時也培養(yǎng)了學生探索理論和創(chuàng)新的能力。

隨著汽車車速的不斷提高以及能源問題日趨嚴重、汽車空氣動力學的快速發(fā)展以及研究工作的日益深入，“汽車空氣動力學”學科面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，普遍存在教學脫離實際的現(xiàn)象。目前的教學方案往往忽視了對學生創(chuàng)新和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，學校無法給予學生良好的實驗條件和設(shè)備，在有限的課堂學時中，無法使學生真正掌握實驗教學的核心內(nèi)容，無法理論聯(lián)系實際。以上問題導致學生無法完全將“汽車空氣動力學”的理論與實踐融會貫通，進入研究階段后難以適應。

目前“汽車空氣動力學”課程實驗受場地、成本等因素的影響難以全面開展，而在教學中應用虛擬仿真實驗是解決這一問題的科學方法，虛擬仿真實驗不同于傳統(tǒng)實驗，其可視化效果更強。因此，有必要建立汽車空氣動力學虛擬仿真實驗環(huán)境，針對性地對學生的實踐能力和理論聯(lián)系實際的能力進行培養(yǎng)。“汽車空氣動力學”課程虛擬仿真實驗可實現(xiàn)對教學資源的高效利用和探索創(chuàng)新，極大程度地發(fā)揮學生學習的主動性，培養(yǎng)其探索和實踐的綜合能力。

1 教學現(xiàn)狀分析

“汽車空氣動力學”課程是汽車專業(yè)的一門重要專業(yè)理論課，以汽車空氣動力學理論及其相關(guān)的流體力學基礎(chǔ)為出發(fā)點，詳細探索車型的外形氣動特性、塵土污染以及氣動噪聲等汽車空氣動力學問題，汽車發(fā)動機冷卻及駕駛室通風等內(nèi)流問題，汽車空氣動力學試驗技術(shù)及數(shù)值計算等問題。該課程既有理論分析又有實際應用。

據(jù)分析，目前“汽車空氣動力學”課程教學主要采用傳統(tǒng)的課堂教學，而課堂教學具有課程評價系統(tǒng)完整、教案成熟、教師對授課內(nèi)容熟悉等優(yōu)勢。但這種“敘述式”教學法很難調(diào)動學生的主觀能動性，教師與學生交流較少，互動率較低。這種教學方法沒有從實際工程中找問題，理論聯(lián)系實際不夠緊密。學生學習理論知識后，無法很快與實際工程相結(jié)合，學生普遍反映理論與實際是脫節(jié)的。

為此，國內(nèi)眾多學者針對傳統(tǒng)課題教學存在的不足，提出了許多新的教學方法，其中虛擬仿真實驗的引入取得了良好的教學效果。陳萬通等[1]構(gòu)建了適用于“導航原理與系統(tǒng)”課程的虛擬仿真實驗教學體系，設(shè)計了地面信標天線安裝與板件互聯(lián)虛擬仿真實驗系統(tǒng)、ILS 航向信標信號測試與排故虛擬仿真實驗系統(tǒng)。李啟良等[2]針對“汽車空氣動力學”課程教學存在的“敘述式”等問題，提出以“學生為中心、產(chǎn)出為導向、持續(xù)改進”的教學思路、“教學與科研相互促進”的教學理念，探索將科研成果融入課程體系。張曉磊等[3]探討了虛擬仿真實驗在臨床生物化學檢驗實驗教學中的應用，通過問卷調(diào)查和操作考核發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗有助于將傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗教學模式相結(jié)合，可以提高學生的實踐和創(chuàng)新能力。郭世永等[4]針對本校車輛工程專業(yè)培養(yǎng)方案的基本要求，試圖構(gòu)建純電動車動力系統(tǒng)及控制虛擬現(xiàn)實教學實驗平臺，提高學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。靳華偉等[5]提出了汽車實驗教學虛擬化平臺建設(shè)方案，詳細介紹了平臺的組成和設(shè)計思想，并列舉實驗案例進行了應用驗證。劉曉剛等[6]搭建了流化床鍋爐燃燒虛擬仿真實驗平臺，從教學資源建設(shè)、教學和管理隊伍建設(shè)、管理和共享平臺以及管理體系等方面介紹了流化床鍋爐燃燒虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)情況，并提出了虛擬仿真實驗教學改革方面的建議。祖梅等[7]分析了“材料學”課程的教學特點，針對學?！安牧蠈W實驗”課程中存在的問題，在教學模式、虛擬仿真實驗等教學內(nèi)容和教學方法方面進行了探索創(chuàng)新。

在“汽車空氣動力學”課程教學和虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，同樣可以做出一些創(chuàng)新性的教學改革。例如教師可以結(jié)合科研實例，講解汽車車身表面塵土污染的形成和控制、汽車噪聲的來源及控制、減小氣動升力的主要措施等，通過在書本理論中增加課題研究的內(nèi)容，使學生深入了解汽車空氣動力學領(lǐng)域國內(nèi)外最新的研究現(xiàn)狀。同時，教師還可以根據(jù)具體的課題研究，指導學生更深入了解理論知識點與實際的結(jié)合情況。例如在講解“汽車空氣動力學試驗技術(shù)”這一節(jié)時，結(jié)合教師的科研項目，詳細講授風洞試驗的測量儀器、風洞試驗的內(nèi)容、道路試驗的方法等，可以結(jié)合最新的流線型轎車、賽車，說明其設(shè)計的原理和優(yōu)勢，這樣能讓學生更直觀地了解試驗和理論是如何結(jié)合的，讓學生掌握主流的汽車外型設(shè)計思路和方法流程等。在虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，教師在課堂上講授計算機數(shù)值仿真的原理、方法等理論后，可以配合虛擬仿真實驗培養(yǎng)學生建模、分析、求解、后處理等仿真能力。學生可以在教師指導下，對CFD 仿真軟件STAR-CCM+、FLUENT 等進行實操，從而加深對有限體積法、有限差分法等流體力學數(shù)值方法的理解和掌握，提高學生的學習興趣和主動性。

2 虛擬仿真實驗的探索

虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)主要包括以下幾方面：①配置虛擬仿真實驗設(shè)備和軟件。在集成的虛擬仿真實驗設(shè)備中安裝虛擬實驗軟件，虛擬實驗軟件由高校教師團隊或委托第三方科技公司進行開發(fā)，在軟件中集成了教學資源和仿真界面，并將軟件集成到虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺中。②虛擬實驗課程的建設(shè)。在平臺的教學管理框架的基礎(chǔ)上構(gòu)建實驗課程，在課程管理界面提供實驗仿真軟件上傳的接口。

2.1 實驗的意義和目的

虛擬仿真實驗的典型代表是汽車風洞試驗，其從本質(zhì)上講是一種模擬方法，即通過風洞和汽車模擬來模擬道路行駛條件下汽車與空氣相對運動環(huán)境。虛擬仿真實驗一方面可以理解為“數(shù)字化風洞”或“虛擬風洞”；另一方面，還可以研究一些風洞試驗難以模擬的情況，比如汽車的超車情況、近距離隊列行駛情況以及非穩(wěn)態(tài)的風環(huán)境等。虛擬仿真實驗的目的并不是為了取代傳統(tǒng)實驗，兩者是相互促進、相互補充的。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，空氣動力學數(shù)值模擬將在新產(chǎn)品開發(fā)中起到越來越大的作用，發(fā)達國家用巨型計算機研究空氣動力學數(shù)值，美國和日本等國花費巨資研制空氣動力學數(shù)值模擬。在汽車造型概念設(shè)計階段即可分析其空氣動力學特性。通常采用CFD技術(shù)分析第一輪設(shè)計方案的空氣動力學性能，之后對第二輪設(shè)計方案進行空氣動力學數(shù)值模擬并開始進行小比例模型風洞試驗，第三輪開始全尺寸模型風洞試驗。在進行風洞試驗時，開始測量各種優(yōu)化方案的結(jié)果。CFD 技術(shù)的優(yōu)勢是可以充分展示流場的流動結(jié)構(gòu)，有助于研究人員分析出相應試驗測試結(jié)果的原因，從而能夠更高效地發(fā)現(xiàn)好的改進方向和方案。

2.2 虛擬仿真實驗的實踐

以汽車在風洞中的流場為例，制作汽車風洞視頻，將視頻集成到虛擬仿真實驗設(shè)備中，學生通過觀看視頻可以直觀了解汽車風洞的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，對汽車風洞有深刻的認識。在軟件中嵌入汽車風洞流場的彩圖、曲線等素材，對風洞溫度場、壓力場、速度場等流場進行描述。將STAR-CCM+、FLUENT 等CFD仿真軟件集成到虛擬仿真實驗設(shè)備中，指導學生運用仿真工具進行流場的數(shù)值計算，用可視化工具將仿真結(jié)果直觀地顯示出來。讓學生參與到教師關(guān)于汽車空氣動力學仿真的科研項目中，從實踐中了解、理解和掌握汽車在風洞中的流場，將理論和實際相結(jié)合，提高解決問題的能力。

3 虛擬仿真實驗的教學設(shè)計

虛擬仿真實驗教學設(shè)計的一般流程主要分為4 個環(huán)節(jié)，具體包括選題分析、實驗設(shè)計、實驗實施以及實驗評價和改進等。在選題分析方面，需要對學生的學情、教學目標以及虛擬仿真實驗的適用性進行分析。在分析學生學情方面，首先需要了解學生的認知發(fā)展水平，才能使學生在實驗探索中理清思路，緊跟教師的思維和步伐；其次需要了解學生的知識掌握水平和實驗操作技能水平，學生的實驗操作技能水平參差不齊，只有了解清楚學生的實驗操作能力，才能判斷出學生進行虛擬仿真實驗的難易程度，從而選擇適當?shù)膶嶒灲虒W模式；最后需要了解學生對汽車空氣動力學虛擬仿真實驗的感興趣程度，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，激起學生的求知欲和學習興趣。在分析教學目標方面，需明確實驗教學要求，教學目標是教學活動的中心，教學活動需圍繞教學目標逐級開展?？筛鶕?jù)“汽車空氣動力學”課程大綱和學生的實際學習情況來綜合確定教學目標。在分析虛擬仿真實驗的適用性方面，對于虛擬仿真實驗，教師要清楚其適用的范圍和課程內(nèi)容，如何合理利用以提高教學效果；可結(jié)合虛擬仿真實驗教學的特點，輔助傳統(tǒng)教學，從而提高教學質(zhì)量和水平，使學生充分融入課堂中。

在“汽車空氣動力學”課程教學目標確定后，需根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計其虛擬仿真實驗內(nèi)容，教師可根據(jù)具體內(nèi)容制定相應的實驗模塊?！捌嚳諝鈩恿W”課程的實驗內(nèi)容可分為流場的基本原理實驗、軟件的虛擬仿真實驗、虛擬風洞實驗等。結(jié)合汽車空氣動力學虛擬仿真實驗平臺，教師既可以選擇軟件自帶的實驗案例進行教學，也可以根據(jù)自身要求自行設(shè)計和組合，進行探究式教學。虛擬仿真實驗的設(shè)計有助于師生之間、人機之間的交流互動，學生有充分的思考空間，促進其創(chuàng)新和發(fā)散思維的培養(yǎng)。

在實驗實施和評價改進方面，學生可以提出自己的想法，并在虛擬仿真實驗平臺上實現(xiàn)，把設(shè)計思路展示出來，并在教學后進行反思和評價，在反思中回顧實驗設(shè)計過程存在的不足之處，教師反思教學實施過程和教學效果的不足之處，尋求解決途徑和措施，通過反思并進行自我總結(jié)，逐步改進實驗內(nèi)容、實驗方案以及操作內(nèi)容，從而提高教學效率和教學能力。

通過對虛擬仿真實驗教學的設(shè)計，使“汽車空氣動力學”實驗教學逐漸走向成熟，并融入教學更好地輔助課堂教學。

4 虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容和路徑

本校與企業(yè)聯(lián)合共建產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新新能源汽車虛擬仿真教學實驗平臺，通過聯(lián)合建設(shè)的方式，引入國內(nèi)外領(lǐng)先的ⅤR/AR 技術(shù)、方案及管理和教學內(nèi)容，制定適合本校該專業(yè)學生的教學資源和計劃。

本校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)新能源汽車ⅤR 智慧課堂軟件，以“汽車空氣動力學”為架構(gòu)，一方面，通過結(jié)合文字和ⅤR 模型、動畫、彩圖、曲線等，展示學生結(jié)構(gòu)和相關(guān)原理等重難點；另一方面，搭建教師客戶端，可以編輯視頻、圖片等素材，有助于全面實現(xiàn)對課堂實驗的虛擬仿真。

5 結(jié)語

本文分析了“汽車空氣動力學”課程的教學現(xiàn)狀和存在的主要問題，闡述了虛擬仿真實驗在“汽車空氣動力學”教學中的作用和優(yōu)勢，探索了虛擬仿真實驗的意義和目的。以汽車在風洞中的流場為例，指明虛擬仿真實驗的實踐過程，并對虛擬仿真實驗建設(shè)內(nèi)容和路徑進行了規(guī)劃。虛擬仿真實驗的應用是對傳統(tǒng)課題教學的創(chuàng)新，學生可將理論和實際相結(jié)合，提高解決問題的能力。