基于虛擬資源在汽車碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)上應(yīng)用與探索

劉義付 孫瑞霞

黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院 河南省焦作市 454950

1 汽車試驗(yàn)學(xué)課程概述

汽車從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有百年的發(fā)展歷程，一個(gè)世紀(jì)以來汽車交通事故也是不斷增加。汽車碰撞是現(xiàn)在中國(guó)乃至國(guó)際上最主要的道路交通事故形式，由于汽車本身速度和重量的原因，已經(jīng)造成了巨大的生命與財(cái)產(chǎn)損失。如何提高車身結(jié)構(gòu)的安全性，更好的保護(hù)司機(jī)和乘客的人生安全，需要各級(jí)科研機(jī)構(gòu)以及高校從事車輛工程專業(yè)學(xué)生加大對(duì)汽車試驗(yàn)學(xué)課程的研究和實(shí)踐。

汽車試驗(yàn)學(xué)是汽車工程學(xué)院車輛工程、能源與動(dòng)力工程等專業(yè)學(xué)生在第七學(xué)期開展的專業(yè)核心課，主要的授課內(nèi)容是將汽車試驗(yàn)的基本原理、基本測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法進(jìn)行學(xué)習(xí)[1]。課程對(duì)于車輛工程專業(yè)具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于應(yīng)用型本科而言，是貼近與社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要方法，是提高學(xué)生對(duì)于汽車整體認(rèn)識(shí)的特殊途徑。

2 汽車試驗(yàn)學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)的組成

汽車工程學(xué)院在2019版人才培養(yǎng)方案中，通過和社會(huì)汽車行業(yè)發(fā)展的調(diào)研，結(jié)合學(xué)院的具體情況汽車試驗(yàn)學(xué)是一門32學(xué)時(shí)，有6個(gè)學(xué)時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的專業(yè)課程的，其中有一個(gè)2學(xué)時(shí)的汽車碰撞測(cè)試試驗(yàn)。通過汽車碰撞測(cè)試試驗(yàn)，使學(xué)生掌握汽車碰撞測(cè)試的具體過程，了解汽車碰撞試驗(yàn)室的各種設(shè)備，掌握汽車被動(dòng)安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車碰撞常見的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理分析和歸納，并對(duì)常見安全缺陷進(jìn)行初步的分析。本實(shí)驗(yàn)具體教學(xué)目的如下：

第一、增進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)課程《汽車試驗(yàn)學(xué)》理論知識(shí)的理解，理論聯(lián)系實(shí)踐，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力；

第二、熟悉車輛碰撞實(shí)驗(yàn)的基本原理、方法、流程，可以根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展汽車安全性方面評(píng)價(jià)的基本能力；

第三、掌握被動(dòng)安全與主動(dòng)安全的主要作用，在實(shí)際碰撞過程中的主要作用；

第四、根據(jù)后退距離-車速關(guān)系曲線、碎片面積-車速關(guān)系曲線等，對(duì)汽車碰撞的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，并對(duì)汽車安全性改進(jìn)提出科學(xué)建議的能力；

第五、通過對(duì)國(guó)產(chǎn)汽車、國(guó)外汽車安全性發(fā)展的對(duì)比，增強(qiáng)四個(gè)自信，立志為社會(huì)主義貢獻(xiàn)力量。

3 常規(guī)汽車碰撞測(cè)試的局限性

雖然本試驗(yàn)具有非常重要的理論意義，但是現(xiàn)實(shí)中開展本試驗(yàn)具有很大的局限性，主要分為：

第一、實(shí)車碰撞場(chǎng)地的造價(jià)非常昂貴?，F(xiàn)在各個(gè)專業(yè)的汽車制造廠家都建設(shè)有符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室，目的就是可以方便的掌握被測(cè)試汽車第一手資料，有利于以后車輛的改進(jìn)，為后續(xù)的量產(chǎn)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。但是建設(shè)一個(gè)符合要求的汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室基本需要幾百萬左右，一次投入成本很高，不方便讓院校參觀學(xué)習(xí)，給實(shí)際的實(shí)習(xí)帶來了很大的困難。

第二、實(shí)車碰撞的視頻資料不適宜公開。由于汽車碰撞大部分都是汽車廠家在研車型，汽車內(nèi)部構(gòu)造的缺陷設(shè)計(jì)到商業(yè)秘密等，不適合讓學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)。同時(shí)，由于每次碰撞的時(shí)間都是以毫秒計(jì)算，因此一般的人眼是無法進(jìn)行觀測(cè)的，需要結(jié)合高速攝像機(jī)的慢放才能進(jìn)行觀察，這些給實(shí)際的實(shí)習(xí)帶來很大的不方便。

第三、一次真車汽車碰撞一般需要準(zhǔn)備的時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生的參與度很低。一次碰撞從開始進(jìn)行各種準(zhǔn)備，包括各種標(biāo)定、傳感器的固定等，到最后的實(shí)際實(shí)施，一般需要數(shù)天的準(zhǔn)備。試驗(yàn)過程復(fù)雜、學(xué)生的參與度低，重復(fù)性很差。同時(shí)，學(xué)校不會(huì)離實(shí)驗(yàn)室非常近，考慮到組織時(shí)間，每次真正的實(shí)習(xí)時(shí)間會(huì)比較短，實(shí)習(xí)效率不是非常高。

4 虛擬仿真資源進(jìn)行汽車碰撞測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)

通過以上的分析可以看出，普通高校開展本實(shí)驗(yàn)具有很大的局限性，包括一次性投入大、時(shí)間長(zhǎng)等，因此可以采用虛擬仿真資源進(jìn)行替代。開展三維汽車碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，具有很突出的優(yōu)點(diǎn)[2]：

第一、虛擬仿真測(cè)試需要投入的成本要比實(shí)車要少，且可以重復(fù)使用。虛擬資源建立和實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)基本上都是一次投入，多次使用，和一次實(shí)車碰撞相比，經(jīng)濟(jì)性非常好，符合現(xiàn)在高校發(fā)展的方向。

第二、虛擬仿真測(cè)試的安全性極高。汽車碰撞測(cè)試在實(shí)際的進(jìn)行中，由于碰撞是能量的轉(zhuǎn)化是在極端時(shí)間內(nèi)完成的，因此其危險(xiǎn)系數(shù)很高，虛擬仿真測(cè)試可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，安全方面有很好的保證。

第三、虛擬仿真資源可以豐富教學(xué)方法。采用虛擬資源進(jìn)行授課，對(duì)于培養(yǎng)熟悉汽車安全結(jié)構(gòu)和安全保護(hù)技術(shù)的專業(yè)人才非常必要。“汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”基于真實(shí)車輛建立高精度數(shù)字化車輛仿真模型，完整再現(xiàn)實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)全過程，提供有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的鮮明特色，實(shí)現(xiàn)“深度交互、理實(shí)融合”的教學(xué)效果。

5 汽車碰撞測(cè)試虛擬資源建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展，首先需要建立汽車的三維模型。課題組和專業(yè)公司合作開展了本內(nèi)容的完成，實(shí)車模型的數(shù)據(jù)完全來自在售車型，增加了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，為實(shí)驗(yàn)的開展奠定了應(yīng)用型的基礎(chǔ)。通過對(duì)汽車碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要工序及實(shí)際樣車主要參數(shù)而建立的可視化3D模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，以不同的速度等參數(shù)再現(xiàn)交通事故的方式，分析汽車在碰撞過程中乘員及車輛傷害狀態(tài)，從不同的受損情況分析汽車結(jié)構(gòu)安全性。使學(xué)生能夠觀察不同車速下的碰撞結(jié)果，并利用特殊的計(jì)算機(jī)展示技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在基于數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)3D汽車模型的基礎(chǔ)上，通過分析結(jié)果可以改進(jìn)車輛結(jié)安全構(gòu)設(shè)計(jì)，完全體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、產(chǎn)教融合的原則。

圖1 汽車碰撞實(shí)驗(yàn)虛擬資源封面圖

6 汽車碰撞測(cè)試虛擬資源教學(xué)實(shí)施

本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施過程也和普通的實(shí)驗(yàn)有一定的區(qū)別。在實(shí)驗(yàn)前，提出問題讓學(xué)生對(duì)汽車碰撞進(jìn)行思考，而后開始虛擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)《汽車試驗(yàn)學(xué)》課程教學(xué)要求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開展“汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3]。該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用虛擬車輛模型、虛擬駕駛員、虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，借助3D可視化技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，開展汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真，使學(xué)生了解汽車碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，掌握汽車碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)的操作流程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，深入理解影響汽車碰撞測(cè)試的主要因素。

學(xué)生通過局域網(wǎng)電腦登錄汽車碰撞實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在教學(xué)資料中獲取汽車碰撞實(shí)驗(yàn)流程介紹、主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備等資料，進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)前，可以通過系統(tǒng)先了解汽車碰撞的概況、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)安全要求等基本問題，然后開始實(shí)驗(yàn)。學(xué)生選擇進(jìn)入不同的碰撞類型，按照系統(tǒng)提示的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行汽車碰撞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，在此過程中可以按照之前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)對(duì)汽車的各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行選擇和設(shè)定。同時(shí)，學(xué)生可以全方位多角度觀察汽車模型，調(diào)整拍攝角度等。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，按照系統(tǒng)的提示進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)過程具體參數(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)碰撞指標(biāo)后退距離、碎片面積、凹陷深度等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，此部分為電腦自動(dòng)評(píng)分。對(duì)各種不同碰撞的主動(dòng)安全措施和被動(dòng)安全措施進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)汽車安全體系提出學(xué)生自己的解決方案，本部分由教師人工批改評(píng)分；每位實(shí)驗(yàn)的學(xué)生還要寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)，才能提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，獲得成績(jī)。

使用者還可以通過佩戴VR眼鏡，利用眼鏡與手柄結(jié)合操作，VR眼鏡用來實(shí)現(xiàn)虛擬車輛場(chǎng)景畫面，手柄代替鼠標(biāo)和其他工具進(jìn)行操作，使用者有身臨其境的感受。

最后，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程中，課程的考核也進(jìn)行了一定的創(chuàng)新主要內(nèi)容見表1。按照實(shí)際得分，給出等級(jí)（90分以上優(yōu)秀，80-90分良好，70-79分中等，60-69分及格，低于60分不及格）。

表1 汽車碰撞測(cè)試虛擬資源教學(xué)考核明細(xì)表

7 汽車碰撞測(cè)試虛擬資源教學(xué)特色

基于虛擬仿真資源來進(jìn)行汽車碰撞測(cè)試和傳統(tǒng)的教學(xué)相比，具有一定的特色，主要表現(xiàn)在：

第一、有一定的時(shí)代先進(jìn)性。

（一）全面融合數(shù)字虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)室、三維場(chǎng)景與人機(jī)在線交互等技術(shù)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目易學(xué)易用、界面友好，學(xué)生參與度高、沉浸性強(qiáng)，解決了該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)器材昂貴、學(xué)生參與度低，實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開展的突出問題，具有“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的鮮明特色。

（二）不斷融入吸收最新教學(xué)實(shí)踐和科硏成果，開發(fā)的仿真模型與實(shí)車具有相同的幾何結(jié)構(gòu)、軸荷分配、車身材料屬性設(shè)置等，同時(shí)與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和測(cè)試部門相結(jié)合，將產(chǎn)教融合理念深度融合在學(xué)生的本科教育當(dāng)中，體現(xiàn)了實(shí)踐的先進(jìn)性和科學(xué)性。最后，由于實(shí)驗(yàn)中采用的是真實(shí)案例教學(xué)，因此加深了學(xué)生對(duì)汽車碰撞知識(shí)的更深入理解，還加強(qiáng)了解決實(shí)際工程問題的能力。

（三）在進(jìn)行實(shí)踐的過程中，通過對(duì)比國(guó)產(chǎn)汽車和其他汽車碰撞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)汽車在這方面不比他們差。加入課程思政元素，提高學(xué)生道德標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持把立德樹人作為教育的中心環(huán)節(jié)，將思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全過程育人。

第二、教學(xué)方法有一定的創(chuàng)新。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中汽車碰撞實(shí)驗(yàn)流程的2D/3D形態(tài)特征，結(jié)合實(shí)驗(yàn)地實(shí)景展示，啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生有親臨其境的真實(shí)感受。通過主要車輛部件的3D動(dòng)態(tài)觀察，可全方位、多角度了解汽車碰撞過程中關(guān)鍵部件的作用、外形結(jié)構(gòu)、碰撞時(shí)的變形等，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)會(huì)碰撞實(shí)驗(yàn)的全部流程，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要選擇合適的工藝設(shè)備，參看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)安全提出個(gè)人見解，解決了部分實(shí)際工程問題，達(dá)到了應(yīng)用型本科教育的目的[4]。

同時(shí)，通過系統(tǒng)互動(dòng)平臺(tái)，教師還可在線指導(dǎo)學(xué)生，解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。最后，本系統(tǒng)還可以開展線上真人競(jìng)賽模式，支持多人交互。這種不受時(shí)間、地點(diǎn)限制的VR虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)效果明顯。

第三、評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新。

汽車碰撞實(shí)驗(yàn)是一個(gè)汽車類專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生掌握汽車碰撞的類型、碰撞實(shí)驗(yàn)流程、碰撞實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)的設(shè)定、結(jié)構(gòu)上常見缺陷改進(jìn)的方法等。

該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用過程，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，還必須在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，老師在線上對(duì)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)和共享平臺(tái)上運(yùn)行，教師可利用該平臺(tái)在線上安排學(xué)生預(yù)習(xí)、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并與學(xué)生互動(dòng)交流，實(shí)現(xiàn)了全流程、一體化、交互式的教學(xué)管理與評(píng)價(jià)。

第四、對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在《汽車構(gòu)造》、《汽車實(shí)驗(yàn)學(xué)》等課程基礎(chǔ)上，運(yùn)用3D仿真VR在線交互等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，通過三維交互虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，學(xué)生可在三維場(chǎng)景下開展“汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，學(xué)習(xí)汽車正面和側(cè)面碰撞實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸和拓展。同時(shí)，增加課題思政的元素，采用啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生“四個(gè)自信”，完成立德樹人的教育目標(biāo)。

8 汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真資源教學(xué)總結(jié)

汽車碰撞測(cè)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建汽車三維模型，以工程實(shí)際問題的處理流程為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代科技再現(xiàn)汽車碰撞測(cè)試的完整過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中感受和學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)，貼合時(shí)代發(fā)展，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的參與度。在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的預(yù)習(xí)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，對(duì)課程考核進(jìn)行一定的改革，達(dá)到了“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的目的，可以給其他對(duì)時(shí)間要求高、安全要求高、資金投入高的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)起到一定的借鑒意義。