汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)意義及應(yīng)用探討

張智明，趙治國(guó)*，張娟楠，常 煒

汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)意義及應(yīng)用探討

張智明1，趙治國(guó)*1，張娟楠2，常 煒1

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

黨的二十大賦予了高等教育新的歷史使命和發(fā)展格局，為滿足國(guó)家“三新一高”和汽車“新四化”背景下車輛工程專業(yè)人才工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的重大需求，針對(duì)汽車專業(yè)液壓傳動(dòng)課程傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足、手段單一和育人效果不佳等共性問(wèn)題，開展汽車液壓傳動(dòng)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)開發(fā)是目前有效的解決手段。通過(guò)國(guó)內(nèi)外廣泛調(diào)研，總結(jié)了目前液壓傳動(dòng)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)客觀存在的諸多實(shí)際問(wèn)題，系統(tǒng)綜述了國(guó)內(nèi)外虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用中的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建議意義，明確了汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的具體要求和實(shí)際應(yīng)用效果，為汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容和功能開發(fā)提供了有效指導(dǎo)，對(duì)實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)專業(yè)基礎(chǔ)課與工程實(shí)踐育人相統(tǒng)一的課程教學(xué)新模式具有積極的參考借鑒意義。

汽車液壓傳動(dòng)；課程實(shí)踐；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

總書記習(xí)近平同志在黨的二十大報(bào)告中提出[1]，要實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略，強(qiáng)化現(xiàn)代化建設(shè)人才支撐，充分體現(xiàn)了教育是國(guó)之大計(jì)，是中國(guó)式現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè)新征程中的基礎(chǔ)支撐力量和重要保障條件。如何進(jìn)一步深化高等教育改革，對(duì)推動(dòng)中國(guó)式現(xiàn)代化進(jìn)程和提升我國(guó)高等教育的高質(zhì)量發(fā)展具有重大的實(shí)際意義。

近年來(lái)，隨著我國(guó)教育水平的不斷提升，教育理念逐步升級(jí)，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)也愈加重視。自我國(guó)2016年6月加入《華盛頓協(xié)議》[2]，高等教育越來(lái)越注重學(xué)生對(duì)于知識(shí)理論的實(shí)踐應(yīng)用，注重對(duì)復(fù)雜工程實(shí)際問(wèn)題的分析解決和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合實(shí)踐能力的探索與培養(yǎng)，但這對(duì)本科教學(xué)中工程教育的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)過(guò)程中的重要組成部分，是促進(jìn)學(xué)生深化理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)基本技能和基本研究方法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在加深學(xué)生深刻理解書本知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一。車輛工程專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以加深學(xué)生對(duì)基本概念和理論的理解和掌握，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，流體力學(xué)和液壓傳動(dòng)技術(shù)在現(xiàn)代汽車上得到了廣泛的應(yīng)用[3]，車身空氣動(dòng)力學(xué)中空氣阻力和汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中側(cè)風(fēng)影響、液壓助力轉(zhuǎn)向、空氣懸架、液壓制動(dòng)等廣泛應(yīng)用于各類汽車產(chǎn)品。流體力學(xué)和液壓傳動(dòng)課程車輛工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力起著重要作用。液壓傳動(dòng)課程是車輛工程專業(yè)中一門實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，往往需要學(xué)生參與相關(guān)的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。

雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大高校加大了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的投入，但效果卻不盡人意。尤其是液壓傳動(dòng)課程的實(shí)踐教學(xué)，極大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，而近年來(lái)線上教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的開展受到極大的制約。因此，探索汽車液壓傳動(dòng)虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)方式具有重要的研究意義[4]。

1 存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)有汽車液壓與氣壓傳動(dòng)課程一般以教師講授為主，相關(guān)配圖無(wú)法反映液壓元件內(nèi)部構(gòu)造和參數(shù)變化，導(dǎo)致學(xué)生難以理解抽象的理論內(nèi)容，教學(xué)效果并不理想，存在液壓傳動(dòng)技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用與目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足及手段簡(jiǎn)單這一現(xiàn)實(shí)情況的主要矛盾[5]。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)課程主要基于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地展開，存在諸多難以解決的問(wèn)題，具體如下：

1）課時(shí)不足。車輛工程專業(yè)本科生課程較多，液壓傳動(dòng)技術(shù)課程學(xué)時(shí)安排緊湊，主要強(qiáng)調(diào)書本內(nèi)容的教育和考核，教學(xué)中難以安排實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)備與場(chǎng)地限制。很多實(shí)驗(yàn)室都存在設(shè)備不足與老舊的問(wèn)題，而且本科生人數(shù)眾多，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法做到人人操作設(shè)備，也不能深入了解實(shí)驗(yàn)方法。而在開展線上教學(xué)時(shí)，即使實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿足，也很難組織實(shí)踐教學(xué)。

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和安全性限制。液壓元件往往外部造型簡(jiǎn)單而內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)完全掌握，缺乏重復(fù)操作的條件。而且部分液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)性，一般是由專業(yè)的實(shí)驗(yàn)人員操作，學(xué)生們觀摩和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生無(wú)法親自操作來(lái)提升對(duì)課程內(nèi)容的認(rèn)知。

4）實(shí)驗(yàn)室維護(hù)管理困難。液壓元件多且雜，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)裝配復(fù)雜，在反復(fù)拆裝過(guò)程中容易造成元件損毀和丟失，實(shí)驗(yàn)室維護(hù)管理困難。

5）由于教學(xué)任務(wù)重，教學(xué)時(shí)間有限，沒(méi)有條件開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程。即使開設(shè)了實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上看到的是元件及表盤，且感性認(rèn)識(shí)少又沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)完整系統(tǒng)回路的理解效果不明顯。

顯然，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式無(wú)法滿足課程教學(xué)的實(shí)際需求。因此采用新的實(shí)踐教學(xué)技術(shù)，改革原有的實(shí)踐教學(xué)模式，是實(shí)踐教學(xué)改革的新課題。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)在，虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生[6]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)建立了一個(gè)虛擬的平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性[7]。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒊橄蟮睦碚摻虒W(xué)內(nèi)容用直觀的模型和仿真實(shí)驗(yàn)顯示，并能模擬實(shí)際的流體和液壓元件拆裝過(guò)程，加深學(xué)生理解。汽車液壓傳動(dòng)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)，可以為汽車專業(yè)高級(jí)人才展示生動(dòng)豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)室硬件條件的局限，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入，有效緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏和教學(xué)課時(shí)有限的矛盾[8]。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

具有高度沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)60年代娛樂(lè)業(yè)中的傳感影院[9]，其目的是吸引觀眾的注意。到20世紀(jì)80年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始應(yīng)用于職業(yè)教育和培訓(xùn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬訓(xùn)練飛行員。到20世紀(jì)90年代，美國(guó)研究人員在科學(xué)空間（Science Space）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入基礎(chǔ)教育和高等教育[10]。21世紀(jì)初出現(xiàn)了大量基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。美國(guó)20余所頂尖大學(xué)和印度甘露大學(xué)開展合作，建設(shè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和在線實(shí)驗(yàn)室（Online Labs）；美國(guó)科羅拉多大學(xué)開設(shè)PhET交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)提供了實(shí)驗(yàn)條件；新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)建筑和設(shè)計(jì)學(xué)院建設(shè)了3D模型車間，可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模型打印[11]。虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)生深刻改變。

在液壓傳動(dòng)課程實(shí)踐教學(xué)方面，法國(guó)工程師院校在上世紀(jì)末就開始將AMESim仿真軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)中，為多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有直觀圖形界面，可實(shí)現(xiàn)面向原理圖建模[12]；美國(guó)佐治亞理工學(xué)院基于Java語(yǔ)言開發(fā)了VAL（Virtual Access Labora- tory）平臺(tái)，學(xué)生可以在平臺(tái)上自行設(shè)計(jì)并開展機(jī)械、電氣、液壓傳動(dòng)、熱力學(xué)等虛擬實(shí)驗(yàn)[13]；德國(guó)波鴻魯爾大學(xué)使用LabVIEW進(jìn)行液壓傳動(dòng)課程輔助教學(xué)，并基于Unity開發(fā)了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以在平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)械、液壓傳動(dòng)等多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)[14]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)極為重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)發(fā)展，早在2013年8月，教育部在《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》中指出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能”定義[15]，并在之后不斷推進(jìn)教學(xué)信息化改革，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式發(fā)展。2018年12月，工信部印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確支持推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育和職業(yè)教育等領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)性、演示性課程中的應(yīng)用，構(gòu)建虛擬教室、虛擬實(shí)驗(yàn)室等教育教學(xué)環(huán)境，推動(dòng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)型[16]，為高等教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)指明了發(fā)展方向。

清華大學(xué)成立了材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[17]，開發(fā)了一百余個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，開展了極端條件下材料制備、復(fù)雜加工及成型、材料服役行為等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。浙江大學(xué)成立醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[18]，開設(shè)血管急重癥的臨床思維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，產(chǎn)房分娩及新生兒處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，面向臨床醫(yī)學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)等專業(yè)的本科生、留學(xué)生及研究生超過(guò) 3 000 人開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程。上海交通大學(xué)建立機(jī)電學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[19]，開發(fā)了微機(jī)系統(tǒng)仿真，三極管共射電路等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[20]，將物理教學(xué)儀器系統(tǒng)放入虛擬場(chǎng)景，搭建虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在車輛工程和液壓傳動(dòng)教學(xué)方面，江蘇大學(xué)建立了國(guó)家級(jí)汽車與交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[21]，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與原理、汽車構(gòu)造與原理、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；廈門大學(xué)建立的機(jī)電類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[22]，開展了液壓與氣壓傳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，包括元件認(rèn)知、工作原理、結(jié)構(gòu)與拆裝等教學(xué)內(nèi)容。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)意義

汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)將有效緩解高校在經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)限制，無(wú)論是學(xué)生還是教師，都可以隨時(shí)隨地上網(wǎng)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和維護(hù)的成本較低，且不受時(shí)間、地域限制也能讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作。因此，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以真實(shí)模型為基礎(chǔ)，開發(fā)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，能極大提高教學(xué)效率，降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)成本，且容易跟進(jìn)最新實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)解決實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題具有及其重要的研究意義。

因此，從汽車液壓傳動(dòng)課程教學(xué)面臨的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，基于多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理進(jìn)行液壓傳動(dòng)虛擬教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)和研究，主要建設(shè)意義如下：

1）實(shí)現(xiàn)汽車液壓傳動(dòng)課程本身的強(qiáng)實(shí)踐性。實(shí)驗(yàn)操作是車輛工程專業(yè)必備的課程教學(xué)環(huán)節(jié)，課程本身也決定了需要開發(fā)高交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這也是卓越工程師課程建設(shè)上的一項(xiàng)重要工作和內(nèi)容，同時(shí)可以為高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)提升積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2）提升液壓傳動(dòng)課程教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)開發(fā)液壓傳動(dòng)虛擬教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)，能讓學(xué)生通過(guò)線上學(xué)習(xí)的方式，自主學(xué)習(xí)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，做到課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的有效結(jié)合。既能再現(xiàn)真實(shí)操作，又能克服時(shí)間、空間和設(shè)備的制約，有效解決目前液壓傳動(dòng)課程實(shí)踐教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，達(dá)到優(yōu)化教育資源，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

3）推進(jìn)汽車液壓傳動(dòng)本科教學(xué)模式改革。將虛擬實(shí)現(xiàn)等信息化教學(xué)方式引入“理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，推動(dòng)液壓傳動(dòng)教學(xué)模式向高科技、現(xiàn)代化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化改革，使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)由“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熤鲗?dǎo)－學(xué)生主體相結(jié)合”。

4）推動(dòng)車輛工程專業(yè)學(xué)科和信息化技術(shù)融合。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入汽車液壓傳動(dòng)教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)學(xué)科和信息化技術(shù)的融合。充分發(fā)揮信息化技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)跨學(xué)科交叉和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

5）提升整體教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)，可以將汽車上涉及到的液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用集大成于一套虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，統(tǒng)一講授。同時(shí)也避免其他專業(yè)課程講解中要么直接忽略掉液壓傳動(dòng)技術(shù)講解，要么教師對(duì)不熟悉的內(nèi)容花很長(zhǎng)時(shí)間備課講解。

6）同時(shí)該過(guò)程也對(duì)教師本人專業(yè)成長(zhǎng)具有十分積極的意義。參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革建設(shè)，對(duì)教師來(lái)說(shuō)，是專業(yè)成長(zhǎng)中十分重要的途徑。汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)，可以使教師認(rèn)真研究專業(yè)和學(xué)生特點(diǎn)，獲得知識(shí)的真諦。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)要求及應(yīng)用效果

汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以使學(xué)生通過(guò)該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)重溫理論教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，并通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提升工程實(shí)踐能力，掌握汽車液壓傳動(dòng)試驗(yàn)方法，加深對(duì)書本難點(diǎn)和重點(diǎn)知識(shí)的理解。為更好發(fā)揮汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)作用，應(yīng)在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中明確以下教學(xué)實(shí)踐要求及應(yīng)用效果。

4.1 汽車液壓傳動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐要求

1）真實(shí)性。包括汽車液壓傳動(dòng)工作場(chǎng)景真實(shí)性和操作真實(shí)性。場(chǎng)景真實(shí)性是指虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)的液壓元件模型和實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型都高度還原真實(shí)情況，能讓學(xué)生在使用過(guò)程中有身臨其境的感覺(jué)。操作真實(shí)性指的是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)流程與真實(shí)情況完全一致，學(xué)生操作后得到的系統(tǒng)反饋也和真實(shí)情況相同。

2）便捷性。因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要用于課程教學(xué)中，因此應(yīng)當(dāng)便于師生操作，需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、方便的平臺(tái)操作界面。同時(shí)，為了能適配不同的電腦配置，在進(jìn)行開發(fā)時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，并適當(dāng)降低不重要的部件渲染質(zhì)量，降低整個(gè)軟件包所占資源，提升運(yùn)行速度。

3）豐富性。汽車液壓傳動(dòng)課程內(nèi)容豐富、復(fù)雜、抽象，為了能讓學(xué)生更全面地理解其中的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含豐富的液壓元件模型、液壓回路實(shí)驗(yàn)和汽車液壓傳動(dòng)應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)還應(yīng)隨著技術(shù)革新，逐步更新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的功能，做到豐富多樣，與時(shí)俱進(jìn)。

4.2 汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用效果

根據(jù)以上預(yù)期的教學(xué)實(shí)踐要求，汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)在本科教學(xué)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)如下應(yīng)用效果：

1）汽車液壓元件三維虛擬實(shí)物展示效果，破除書本中的元件平面二維認(rèn)知。為真實(shí)反映汽車液壓元件外觀，特別是內(nèi)部詳細(xì)構(gòu)造，包括液壓系統(tǒng)中動(dòng)力元件（液壓泵）、執(zhí)行元件（液壓缸）、控制元件（液壓閥）和輔助元件（壓力表等）的三維模型展示。同時(shí)還應(yīng)該對(duì)液壓元件職能符號(hào)和工作原理進(jìn)行必要性介紹，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“課上課下交互”深刻理解課程內(nèi)容。

2）汽車液壓元件虛擬實(shí)物的剖視調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)多維度、多角度學(xué)生認(rèn)知能力培養(yǎng)。通過(guò)建立液壓元件的三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)液壓元件的不同剖視功能和不同觀測(cè)角度調(diào)節(jié)。讓學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)需要，看到液壓元件的1/4、半剖、3/4等剖視圖，任意轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)觀測(cè)角度，便于了解其內(nèi)部構(gòu)造。便于學(xué)生了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀尺度下結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)流體在微觀和內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)的理解和掌握。

3）汽車液壓元件虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中進(jìn)行液壓元件的拆裝實(shí)驗(yàn)，包括液壓元件彈出介紹、拆裝演示以及學(xué)生自主拆裝過(guò)程的功能實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在觀看正確展示后，能夠根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的拆裝步驟引導(dǎo)，正確實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓元件的拆裝，并實(shí)現(xiàn)步驟錯(cuò)誤提醒，掌握拆裝規(guī)律和過(guò)程。

4）虛擬汽車液壓試驗(yàn)臺(tái)，培養(yǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。液壓試?yàn)臺(tái)是汽車液壓傳動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)搭建虛擬液壓試驗(yàn)臺(tái)的三維實(shí)物，不僅可以讓學(xué)生更好的認(rèn)識(shí)液壓試驗(yàn)臺(tái)，也可以讓學(xué)生更好的學(xué)習(xí)使用液壓試驗(yàn)臺(tái)，有助于學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘?。通過(guò)液壓試驗(yàn)臺(tái)也可以更好理解課程中的液壓系統(tǒng)和液壓元件，也有利于學(xué)生今后在實(shí)際液壓試驗(yàn)臺(tái)上開展各種液壓回路實(shí)驗(yàn)。

5）汽車液壓傳動(dòng)回路虛擬實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生分析解決問(wèn)題能力。液壓基本回路實(shí)驗(yàn)包括液壓回路基本原理和回路特性的介紹，以及液壓基本回路的虛擬仿真。基于搭建的虛擬液壓試驗(yàn)臺(tái)，能夠像真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣按照步驟進(jìn)行操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并針對(duì)每個(gè)液壓回路實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，認(rèn)真思考、分析和解決問(wèn)題，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

6）汽車液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用案例的虛擬實(shí)驗(yàn)展示，貫通不同專業(yè)課程間液壓共性技術(shù)。由于課程面向車輛工程專業(yè)本科生培養(yǎng)，需要對(duì)流體與液壓傳動(dòng)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用案例進(jìn)行重點(diǎn)的展示和虛擬實(shí)驗(yàn)，如：汽車液壓助力轉(zhuǎn)向裝置、液壓制動(dòng)回路、油氣主動(dòng)懸架、換擋閥的液壓驅(qū)動(dòng)等，包括實(shí)際汽車液壓應(yīng)用的模型展示和工作原理介紹。同時(shí)汽車液壓技術(shù)應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)展示不僅可以更好的讓學(xué)生了解液壓傳動(dòng)技術(shù)在汽車上的典型應(yīng)用案例，也可以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)課程知識(shí)的貫通式教學(xué)。注重協(xié)同汽車構(gòu)造、汽車原理和汽車設(shè)計(jì)等其他專業(yè)骨干課程中涉及的汽車液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用，貫通加深汽車學(xué)院專業(yè)課程共性知識(shí)點(diǎn)的理解，全面提升本科生專業(yè)素養(yǎng)。

7）將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行課堂教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，并針對(duì)學(xué)生實(shí)際需求，不斷改進(jìn)提升。在本科教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，將汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)打包，生成可執(zhí)行程序，提供給上課學(xué)生使用，開展相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行考核。當(dāng)然也要虛心聽(tīng)取學(xué)生反饋意見(jiàn)，并制定相關(guān)方案進(jìn)行改善。在教學(xué)實(shí)踐中不斷提升虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)際效果，讓學(xué)生從不熟悉到熱愛(ài)，成為學(xué)生的好幫手。

8）掌握汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理和設(shè)計(jì)開發(fā)方法，提升教師虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)能力。對(duì)于教師本身，通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)施，深入學(xué)習(xí)、掌握虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法和原理，熟練運(yùn)用3D建模方法，實(shí)現(xiàn)液壓元件的3D實(shí)物建模。并掌握虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)汽車液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)，并結(jié)合實(shí)際不斷升級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)汽車液壓傳動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)意義及應(yīng)用效果探討，梳理了目前國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀，定義了液壓傳動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能和應(yīng)用效果，可以實(shí)現(xiàn)汽車液壓傳動(dòng)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊密地結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)本門課程知識(shí)的理解和掌握，有利于提高本科學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度和對(duì)本門課程的學(xué)習(xí)興趣，為勝任今后的實(shí)際工作打下了良好的基礎(chǔ)。作為教師本身，通過(guò)開展專業(yè)課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，積極踐行黨的二十大精神，也是對(duì)國(guó)家實(shí)施“科教興國(guó)和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略”的有效探索，對(duì)專業(yè)課程教師育人也能起到較強(qiáng)示范輻射帶動(dòng)引領(lǐng)作用，也是對(duì)高等學(xué)校教師教育教學(xué)理念的新啟蒙。

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Construction Significance and Application for Virtual Experimental Platform of Automotive Hydraulic Transmission

ZHANG Zhiming1, ZHAO Zhiguo*1, ZHANG Juannan2, CHANG Wei1

( 1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.School of Physical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China )

The 20th National Congress of the Communist Party of China has bestowed upon higher education a new historical mission and development pattern. In order to meet the major needs of training engineering practical ability of vehicle engineering professionals under the background of national "three new and one high" and automobile "new four modernizations", there are common problems such as insufficient experimental teaching conditions, single means and poor education effect in traditional practice teaching of automobile major hydraulic transmission course. The construction and development of virtual teaching experimental platform for automotive hydraulic transmission is an effective solution at present. Through extensive research at home and abroad, this paper summarizes many practical problems objectively existing in the practical teaching of hydraulic transmission course at present, systematically summarizes the development of virtual simulation technology at home and abroad, as well as the technical status in the application of experimental teaching, and puts forward the suggestion significance of the virtual experiment teaching platform of automotive hydraulic transmission. The specific requirements and practical application effects of the construction of the virtual experiment teaching platform for automotive hydraulic transmission are clarified, which provides effective guidance for the construction content and function development of the virtual experiment platform for automotive hydraulic transmission, and has positive reference significance for the realization of a new curriculum teaching model that integrates the basic course of hydraulic transmission specialty with the education of engineering practice.

Automobile hydraulic transmission; Curriculum practice; Virtual simulation; Construc- tion of experimental teaching platform

G642.0

A

1671-7988(2023)21-167-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.034

張智明（1979－），男，博士，講師，研究方向?yàn)槿剂想姵仄嚰夹g(shù)，E-mail:zhangzm@#edu.cn。

趙治國(guó)（1971－），男，博士，教授，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)，E-mail:zhiguozhao@#edu.cn。

同濟(jì)大學(xué)17期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)基金項(xiàng)目（1700104202）。