趙耕云,王 佳,劉小斌,王 珺,王 彥
(蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)
“新工科”概念自提出就強(qiáng)調(diào)將“大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能”等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造,培養(yǎng)適合未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備高素質(zhì)的復(fù)合型新工科人才。
汽車(chē)工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的支柱產(chǎn)業(yè),汽車(chē)本身是多學(xué)科融合的產(chǎn)品,具有高度技術(shù)密集型特點(diǎn),尤其是汽車(chē)電控技術(shù),科技含量高,發(fā)展迭代快,應(yīng)用范圍廣,不僅包括發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù),還包括底盤(pán)電控技術(shù)、車(chē)身電控技術(shù)等,已經(jīng)成為衡量現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
在我國(guó)大力推進(jìn)“中國(guó)制造 2025”戰(zhàn)略和汽車(chē)“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”發(fā)展的大背景下[1],迫切需要采用計(jì)算機(jī)信息化網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)對(duì)汽車(chē)電控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)充,解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的缺陷與不足,更好地培養(yǎng)應(yīng)用型車(chē)輛工程專業(yè)人才的工程實(shí)踐、分析、判斷、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力,提供人才培養(yǎng)質(zhì)量,為地方經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供人才支持。
蘭州工業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院車(chē)輛工程專業(yè)汽車(chē)電控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于汽車(chē)電控系統(tǒng)性能參數(shù)檢測(cè)與典型故障診斷,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力具有重要作用。目前,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程存在如下問(wèn)題:
1)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備大部分無(wú)法支持車(chē)輛上路測(cè)試,只能在車(chē)輛靜止,發(fā)動(dòng)機(jī)空載時(shí)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,如:發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的測(cè)量,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油分配管油壓的測(cè)量,廢氣再循環(huán) EGR率的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)不能全面反映車(chē)輛在各種工況下的參數(shù)之間的相互關(guān)系,實(shí)驗(yàn)水平不高。
2)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)共享,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取主要依靠教師或?qū)W生的實(shí)時(shí)讀取,當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量大時(shí),這種方式效率低下。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用先進(jìn)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的能力。
3)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一,實(shí)驗(yàn)時(shí)間固定,擴(kuò)展性、綜合性、創(chuàng)新性不強(qiáng),缺乏與最新汽車(chē)電控技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如:汽車(chē)遠(yuǎn)程控制技術(shù)、汽車(chē)空中下載技術(shù)(Over-the-Air Technology, OTA)升級(jí)技術(shù)、電子圍欄技術(shù)等方面的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生缺乏自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì),對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)力度不足。
4)在疫情時(shí)有反復(fù)的情況下,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室集中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)模式無(wú)法滿足疫情防控的要求。
在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣和主動(dòng)性相對(duì)不高,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不夠理想,已不能滿足“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求,因此,建設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)為核心,結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、虛擬仿真等先進(jìn)技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以及對(duì)應(yīng)的新的教學(xué)模式[2-4],補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,已成為汽車(chē)電控技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方向。
為了適應(yīng)“新工科”所強(qiáng)調(diào)的實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、掌握先進(jìn)技術(shù)的車(chē)輛工程專業(yè)高素質(zhì)人才培養(yǎng)要求,車(chē)輛工程教研室設(shè)計(jì)完成了針對(duì)車(chē)輛工程專業(yè)《汽車(chē)電控技術(shù)》課程,結(jié)合阿里云、4G移動(dòng)通信、LabVIEW虛擬儀器、汽車(chē)故障診斷系統(tǒng)(On Board Diagnostics, OBD)等技術(shù)的汽車(chē)電控技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng),使課程實(shí)驗(yàn)由傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐劳袑?shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的“網(wǎng)聯(lián)化、遠(yuǎn)程化、虛擬化”實(shí)驗(yàn)?zāi)J?,?duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有效補(bǔ)充?!熬W(wǎng)聯(lián)化”可以最大程度地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享化,“遠(yuǎn)程化”可以打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在時(shí)間、空間方面的限制,避免學(xué)生實(shí)驗(yàn)室內(nèi)聚集。
汽車(chē)電控技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)有“遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)”和“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”兩大類實(shí)驗(yàn)?zāi)J?。遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)由學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)儀器,監(jiān)測(cè)異地實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)車(chē)輛的運(yùn)行數(shù)據(jù),所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是依托真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到的,可以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)在云端建立實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程和數(shù)據(jù)變化過(guò)程,學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
利用汽車(chē)電控技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以進(jìn)行汽車(chē)遠(yuǎn)程故障診斷、汽車(chē)電控發(fā)動(dòng)機(jī)性能檢測(cè)、汽車(chē)遠(yuǎn)程定位監(jiān)控等方面的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生在單片機(jī)編程、汽車(chē)OBD診斷技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等方面的工程實(shí)踐能力、綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。
基于云平臺(tái)的汽車(chē)電控技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由設(shè)備層、感知層及執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)
感知層即用于實(shí)車(chē)或?qū)嶒?yàn)臺(tái)架的數(shù)據(jù)采集終端,以STM32F103ZET6為核心,由汽車(chē)OBD診斷模塊、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)模塊、各類傳感器等組成[5];執(zhí)行層為繼電器、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制實(shí)驗(yàn)車(chē)輛或?qū)嶒?yàn)臺(tái)架;網(wǎng)絡(luò)層為4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò),位于感知層與應(yīng)用層之間,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞;應(yīng)用層由遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器組成,部署于阿里云服務(wù)器[6]。云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server設(shè)計(jì),遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)。
圖2 云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)
云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有學(xué)生信息管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳提交、實(shí)驗(yàn)成績(jī)查詢等功能,功能模塊劃分如圖3所示。教師在“學(xué)生信息管理”模塊中輸入?yún)⑴c實(shí)驗(yàn)的學(xué)生姓名和學(xué)號(hào),允許錄入信息的學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生將完成的電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù),教師批閱后,在系統(tǒng)中輸入學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī),學(xué)生在“實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理”模塊即可查得自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程均在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。
圖3 云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能
實(shí)驗(yàn)教師通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的任意計(jì)算機(jī)進(jìn)入云服務(wù)器,通過(guò)可視化的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心,如圖4所示,開(kāi)啟相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)及時(shí)處理。學(xué)生通過(guò)移動(dòng)智能終端設(shè)備登錄云服務(wù)器的公網(wǎng)IP進(jìn)入Web網(wǎng)頁(yè)(即遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)端),打開(kāi)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,進(jìn)入實(shí)驗(yàn),如圖5所示。在該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下,掛牌的實(shí)驗(yàn)車(chē)輛可以上路行駛,實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)能夠反映車(chē)輛在各種行駛工況下的狀態(tài)參數(shù)之間的相互關(guān)系。
圖4 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心
圖5 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)終端
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)教師通過(guò)“釘釘直播”功能,利用手機(jī)攝像等方式將實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)影像發(fā)送給學(xué)生,并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行講解,與學(xué)生互動(dòng)交流。學(xué)生通過(guò)Web瀏覽器遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)車(chē)輛或?qū)嶒?yàn)臺(tái)架,觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)云端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),就能獲取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)期間,學(xué)生無(wú)需集中在實(shí)驗(yàn)室,可在任何有網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從技術(shù)上避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的實(shí)驗(yàn)車(chē)輛不能上路、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室聚集等問(wèn)題,提高了實(shí)驗(yàn)水平,符合疫情防控的需要。
根據(jù)“新工科”培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的車(chē)輛工程專業(yè)高素質(zhì)人才的要求和車(chē)輛工程人才培養(yǎng)方案中培養(yǎng)目標(biāo)的規(guī)定,結(jié)合汽車(chē)電控技術(shù)課程特點(diǎn)和大綱要求,開(kāi)發(fā)了由淺到深、由易到難的三層次遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,如圖6所示,在鞏固基本知識(shí)基本能力的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之上,開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn),拓展實(shí)驗(yàn)的廣度和深度,突出多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。
圖6 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系
基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)針對(duì)汽車(chē)電控技術(shù)課程中提到的一些結(jié)論,如:發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速變大而變大,隨負(fù)荷增大而減??;燃油壓力與進(jìn)氣歧管壓力差值恒定,對(duì)這些結(jié)論進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證?;A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,熟悉汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,理解其工作過(guò)程,使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相輔相成,相互補(bǔ)充,提高教學(xué)效果。
綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求結(jié)合單片機(jī)原理與接口技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、LabVIEW程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、汽車(chē)OBD故障診斷技術(shù),采用模塊化的硬件設(shè)備和程序,學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在注重綜合性和設(shè)計(jì)性的同時(shí),也為學(xué)生提供必要的軟硬件支持,讓學(xué)生能夠動(dòng)手做起來(lái)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥囵B(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí),進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計(jì)的能力。實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前做大量的準(zhǔn)備工作,學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。讓最后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程成為學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主學(xué)習(xí)的檢測(cè)過(guò)程,讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果成為評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的主要依據(jù),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提高學(xué)習(xí)效果,提高實(shí)踐能力。
創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)最新汽車(chē)電控技術(shù),如:汽車(chē)OTA技術(shù)、汽車(chē)遠(yuǎn)程控制技術(shù)、汽車(chē)定位導(dǎo)航技術(shù)等,鼓勵(lì)學(xué)生研究最前沿的汽車(chē)電控技術(shù)領(lǐng)域的基本原理與應(yīng)用過(guò)程。由自學(xué)能力強(qiáng)、實(shí)踐能力突出的學(xué)生通過(guò)借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、挑戰(zhàn)杯等學(xué)科競(jìng)賽,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)首先在車(chē)輛工程專業(yè)試點(diǎn),教師編寫(xiě)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),建立了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)資料庫(kù),進(jìn)一步完善遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料,建立了“三開(kāi)放、三層次、三能力、一交叉”的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及學(xué)生在汽車(chē)電控技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐能力培養(yǎng)模式,如圖7所示。
圖7 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
三開(kāi)放:教學(xué)地點(diǎn)開(kāi)放、教學(xué)內(nèi)容開(kāi)放、教學(xué)方式開(kāi)放?!敖虒W(xué)地點(diǎn)開(kāi)放”即學(xué)生無(wú)論身在何地,都可以通過(guò)“網(wǎng)聯(lián)化”遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。開(kāi)放的教學(xué)內(nèi)容可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用差異化的教學(xué)方式,針對(duì)不同基礎(chǔ)、不同能力的學(xué)生提出課外必修或選修的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于部分學(xué)有余力,希望參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽的同學(xué),可以自主選擇創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。開(kāi)放的教學(xué)方式可改變傳統(tǒng)的“教師講-學(xué)生聽(tīng)、教師做-學(xué)生看”的“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)方式,取而代之以學(xué)生為主體,學(xué)生研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、教師指導(dǎo)配合的方式。通過(guò)開(kāi)放式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生從“被動(dòng)”參與實(shí)驗(yàn)到“主動(dòng)”設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和綜合設(shè)計(jì)研究能力,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。
三層次:基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新研究性設(shè)計(jì)。
三能力:基本實(shí)踐能力、綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新研究能力。
一交叉:車(chē)輛、控制器局域網(wǎng)總線、通信、軟件、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科交叉融合。
不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)不同的能力培養(yǎng)目標(biāo),多學(xué)科交叉融合越來(lái)越多,融合程度越來(lái)越深,難度逐級(jí)增加。
新工科背景下汽車(chē)電控技術(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系研究,建立了基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系,建立了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足,突破了實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí),提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。