侯獻軍, 唐 蜜, 張國方, 楊 波, 顏伏伍, 華 林

(1. 武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430070)

面向全產(chǎn)業(yè)鏈的汽車虛擬仿真實驗教學中心建設與發(fā)展

侯獻軍1,2, 唐 蜜1,2, 張國方1,2, 楊 波1,2, 顏伏伍1,2, 華 林1,2

(1. 武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430070；2. 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430070)

武漢理工大學汽車虛擬仿真實驗教學中心依據(jù)面向汽車全產(chǎn)業(yè)鏈、多層次的實驗教學體系,搭建了3個虛擬仿真實驗教學平臺,開發(fā)了若干虛擬仿真實驗資源與實際實驗相互補充深化,有效實現(xiàn)了教學資源的開放共享。中心的建設和發(fā)展對完善實驗教學體系、提高實驗教學質(zhì)量、培養(yǎng)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才具有重要意義。

汽車全產(chǎn)業(yè)鏈； 虛擬仿真； 實驗教學中心

隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅速發(fā)展和普及,為了提高教育質(zhì)量、深化教育改革,國家更加重視高等教育的信息化。2012年3月13日,教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》[1]，該發(fā)展規(guī)劃要求推進信息技術(shù)與高等教育深度融合、創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、促進優(yōu)質(zhì)教育資源共享，提出要整合信息資源、提高教育管理現(xiàn)代化水平等。虛擬仿真實驗以信息技術(shù)的應用為本質(zhì)特征,在國外大學的實驗教學方面已有很多應用[2]，因此,從2013年起,教育部積極組織開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作。建設與發(fā)展虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)是高等教育信息化的重要組成部分,也順應了高等教育的發(fā)展趨勢[3-5]。

1 建設汽車虛擬仿真實驗教學中心的必要性

根據(jù)行業(yè)調(diào)查,當前中國仍處于汽車普及期,中國汽車市場需求將長期穩(wěn)健增長,仍需要大量的工程人才參與建設[6]。汽車作為一種復雜的機電設備,針對汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié),其設計、制造、性能評價、銷售、維修、循環(huán)利用等方面都涉及到許多不同學科領(lǐng)域的專業(yè)知識,加大了人才培養(yǎng)的難度，且車輛工程類專業(yè)作為工程應用性很強的專業(yè),需要畢業(yè)生具有較強的工程實踐能力。因此在教育過程中,車輛工程類專業(yè)的實驗與實踐環(huán)節(jié)顯得尤為重要。而在目前的高等教育中,車輛工程類專業(yè)的實驗實踐教學面臨著許多困難和問題,這些困難和問題通過虛擬仿真實驗平臺的建設可以得到較好的解決或改善[7]。

1.1 實驗成本過高,運行經(jīng)費有限

例如發(fā)動機拆裝實習,由于每臺發(fā)動機每個學期要接受多組學生的拆裝,而學生都處于學習認識的過程,對拆裝過程不熟悉,指導教師也無法照顧到每個學生的實習細節(jié),因此經(jīng)過多輪教學后,發(fā)動機會出現(xiàn)配件丟失、安裝錯誤導致部件損壞等各種問題,大大提高了實驗教學的成本。因此，指導教師在學生實際操作之前,通過虛擬拆裝先熟悉拆裝過程,可以使學生更熟練地操作,有效地減少上述情況的發(fā)生。

1.2 設備單價昂貴,人均資源不足

例如許多汽車性能測試儀器單價均非常昂貴,整個學院可能只配置1～2臺套,因?qū)W生規(guī)模以及課時限制,通常只能保證10人次/臺套。這樣的資源配置,使學生在課堂上的動手機會少之又少,影響了他們對知識的學習和理解,通過相應虛擬實驗的開展,可以彌補學生在實際實驗中缺少的動手機會,更好的理解知識點。

1.3 部分實驗項目因?qū)嶒灜h(huán)境的要求高無法或難以實現(xiàn)

車輛工程類專業(yè)有許多實驗無法直接面向?qū)W生開展,或只能開展某一部分,使學生無緣接觸相關(guān)的實驗。例如汽車碰撞實驗、汽車操縱穩(wěn)定性實驗、汽車故障診斷實驗等。而開展虛擬仿真實驗可以很好的彌補相關(guān)的空缺,使學生在理論課之外依然有機會通過較直觀的實驗手段去學習專業(yè)知識。

1.4 學時有限,實驗教學內(nèi)容結(jié)構(gòu)不合理

由于學生在校學習的時間有限,實際實驗無法完整有效地涉及到汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié),嚴重制約了學生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗資源的建設,可以替代單純的演示性、驗證性實驗；可以利用學生的課余時間,輔助進行實際實驗中對原理、步驟等的講解,節(jié)省的學時用以開展知識面更寬、知識點更多的綜合性、設計性和研究性的實驗,更好地提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

1.5 教學資源共享力度不足

因資金和制度等的限制，實驗資源共享范圍始終有限。要促進優(yōu)質(zhì)教育資源共享,利用信息技術(shù)和虛擬仿真實驗開發(fā)軟件,不斷建設和整合信息化實驗教學資源,構(gòu)建一個開放式、互動式和智能式的虛擬仿真實驗平臺,通過計算機網(wǎng)絡向校內(nèi)外和社會開放，提高資源共享力度是一個重要的途徑。

2 汽車虛擬仿真實驗教學中心的建設

2.1 虛擬仿真實驗教學平臺的建設基礎(chǔ)與內(nèi)容

武漢理工大學汽車綜合實驗實踐中心是湖北省實驗教學示范中心。中心經(jīng)過多年的建設發(fā)展和積淀,根據(jù)現(xiàn)代汽車科技的發(fā)展方向和汽車全產(chǎn)業(yè)鏈對車輛工程類人才在理論知識、專業(yè)能力和綜合素質(zhì)方面的要求,從創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標整體出發(fā),著力建設了從汽車設計、生產(chǎn)制造、開發(fā)試驗到應用服務全產(chǎn)業(yè)鏈遞進的教學內(nèi)容,并以此為基礎(chǔ)搭建了從基礎(chǔ)訓練、技能提升到創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)分層次深入的實驗實訓教學體系,如圖1所示。

圖1 汽車實驗實踐教學體系

汽車虛擬仿真實驗教學中心基于上述面向汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的實驗實踐教學體系,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),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。本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則,建立了汽車及發(fā)動機設計與制造虛擬仿真、汽車及發(fā)動機實驗虛擬仿真和汽車使用與服務虛擬仿真3個實驗教學平臺,如表1所示。

表1 汽車虛擬仿真實驗教學中心的平臺、實驗課程和實驗項目一覽表

2.2 汽車虛擬仿真實驗典型案例分析

2.2.1 發(fā)動機虛擬裝配實驗

發(fā)動機虛擬裝配實驗采用“教、學、練、考”相結(jié)合方式,通過計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、3D技術(shù)與視頻動畫操作相結(jié)合來介紹工具、儀器及裝配過程,如圖2、圖3所示，讓學生直觀地體驗汽車拆卸與安裝的過程與細節(jié),了解學習發(fā)動機結(jié)構(gòu)和工作原理。學生可以通過操作鼠標選擇工具、拆卸部件,如果工具選擇錯誤或者拆裝順序有誤,實驗將無法繼續(xù)進行,這樣可以使學生及時發(fā)現(xiàn)操作中的錯誤。此外,通過網(wǎng)絡技術(shù),學生可以不必到實驗室或機房而是通過網(wǎng)絡共享,直接在寢室、教室等位置,利用自己的計算機輸入軟件,反復練習,這樣可以利用課余時間培養(yǎng)學生的實際操作規(guī)范意識和水平,大大提高了學生在實際拆裝過程中的速度、準確性和完成度,在提高教學效果的同時可以節(jié)約大量的實訓資金。同時,該虛擬實驗系統(tǒng)還可以進行考試、批改作業(yè)，學生可以自查分數(shù)。

圖2 發(fā)動機虛擬裝配實驗工具

圖3 發(fā)動機總成虛擬裝配

2.2.2 汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)典型故障模擬及診斷實驗

在發(fā)動機實際運行過程中,不能同時出現(xiàn)多個真實的故障,而且有些故障不能復現(xiàn),如果故障狀態(tài)下運行會對發(fā)動機造成損壞。通過搭建汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)半實物仿真平臺(如圖4—圖6所示),可以模擬發(fā)動機在運行過程中可能出現(xiàn)的各種故障。基于該平臺可以進行發(fā)動機電控系統(tǒng)各類傳感器故障模擬、各類執(zhí)行器故障模擬以及控制器本身故障模擬。通過各類故障的模擬,讓學生深入理解發(fā)動機電控系統(tǒng)正常信號與異常信號之間的差異,理解不同故障的診斷方法及診斷策略；通過D2P快速開發(fā)平臺,可實現(xiàn)對故障閥值的標定試驗[8-9]。

圖4 汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)半實物仿真平臺架構(gòu)示意圖

圖5 發(fā)動機電控系統(tǒng)半實物仿真平臺

圖6 發(fā)動機電控系統(tǒng)OBD典型故障模擬裝置圖

2.2.3 汽車碰撞實驗

汽車碰撞實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、設備昂貴、操作專業(yè)、碰撞現(xiàn)場有一定的危險性。真實的汽車碰撞單次實驗準備周期長、費用高。為了能讓每個學生直觀形象地學習汽車碰撞實驗過程中的相關(guān)知識,采用先進的虛擬仿真技術(shù),使用非線性顯式求解器LS-DYNA、前后處理軟件Hyperworks,能逼真再現(xiàn)汽車碰撞實驗過程,如圖7所示,讓學生切身感受汽車碰撞帶來的震撼。通過本虛擬仿真實驗教學,學生可以較好地掌握汽車碰撞實驗的準備、碰撞相關(guān)程序和碰撞數(shù)據(jù)采集等相關(guān)專業(yè)知識,更好地掌握汽車碰撞實驗安全的相關(guān)內(nèi)容和要求[10]。

圖7 整車碰撞變形時序圖

2.2.4 汽車虛擬營銷實驗

由于汽車營銷管理的過程涉及到車輛產(chǎn)品多、汽車營銷環(huán)境復雜、服務專業(yè)化要求高等因素,如何將教學與實際聯(lián)系在一起一直是汽車服務專業(yè)教學過程中難點較多的部分。

汽車虛擬營銷實驗可以讓學生在一個模擬現(xiàn)實的商業(yè)環(huán)境中演練他們所學習的汽車營銷管理的理論和技能,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)生產(chǎn)不同的汽車產(chǎn)品相互競爭。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,如圖8—圖11所示。學生對于模擬實驗的過程抱有極大的興趣,主動地去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)略的高度考慮問題,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[11]。

圖8 市場調(diào)研報告

圖10 營銷計劃報告

圖11 市場運作報告

3 汽車虛擬仿真實驗教學中心的特色與創(chuàng)新

3.1 在功能面向上針對汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)需求

面向汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的實驗實踐教學體系，明確且條理清楚地向?qū)W生和教師展示了汽車行業(yè)工程類人才所需的專業(yè)知識結(jié)構(gòu),教學目標一目了然。虛擬仿真實驗為學生提供了方便、快捷以及全面的知識來源,使學生可根據(jù)教學以及自身的需求進行自主學習。

3.2 在教學模式上實現(xiàn)多目標、多主體、多形式

中心的實驗實踐教學體系在縱向上建構(gòu)3個層次:基礎(chǔ)訓練層、技能提升層以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)層,既能滿足低年級學生學習機械工程基礎(chǔ)、汽車結(jié)構(gòu)原理、工程實驗基礎(chǔ)等領(lǐng)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和研究生開展學科競賽、工程問題研究和工程創(chuàng)新能力訓練的要求。同時開放的共享資源還能面向多種專業(yè)的學生,例如中心每年舉辦的“虛擬拆裝大賽”,面向全校學生,除車輛專業(yè)外,還包括了機電、藝術(shù)設計等多個專業(yè)的學生。

3.3 在建設方式上協(xié)同校內(nèi)外、匯聚國內(nèi)政產(chǎn)學研和國際合作資源

學院與美國PURDUE大學、UIUC大學、加拿大UQTR大學等建立了密切的人才培養(yǎng)和科技合作關(guān)系,與美國通用汽車公司聯(lián)合建立了PACE中心,與英國RICARDO公司聯(lián)合建立了研究培訓中心。與汽車行業(yè)形成了廣泛深入的產(chǎn)學研關(guān)系,由東風、一汽、上汽、北汽等60多家著名企事業(yè)單位組成的汽車行業(yè)董事會，為汽車工程學院人才培養(yǎng)和學科建設注入了強大動力。

4 結(jié)語

汽車虛擬仿真實驗教學中心服務于全校多個本科專業(yè),已開設和擬開設25個虛擬仿真實驗項目,年完成實驗實訓300多學時,年受訓學生達2 000余人次,成為車輛工程類人才培養(yǎng)的重要基地。

此后,中心將依照面向汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的教學體系,緊密結(jié)合實際實驗,進一步開發(fā)和搭建知識面更廣、層次更深的虛擬仿真實驗資源和實驗平臺。汽車虛擬仿真實驗教學中心的建設和發(fā)展對于完善實驗教學體系,提高實驗教學質(zhì)量,促進汽車創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革,建立創(chuàng)新人才成長環(huán)境,服務湖北省和全國科教新國戰(zhàn)略、人才培養(yǎng)強國戰(zhàn)略具有重要意義。

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高等教育信息化是促進高等教育改革創(chuàng)新和提高質(zhì)量的有效途徑，是教育信息化發(fā)展的創(chuàng)新前沿。進一步加強基礎(chǔ)設施和信息資源建設，重點推進信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進教育內(nèi)容、教學手段和方法現(xiàn)代化，創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科研組織和社會服務模式，推動文化傳承創(chuàng)新，促進高等教育質(zhì)量全面提高。

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》教育部 2012年3月

Construction and development of experimental teaching center of virtual simulation for automotive based on whole industrial chain

Hou Xianjun1,2, Tang Mi1,2, Zhang Guofang1,2, Yang Bo1,2, Yan Fuwu1,2, Hua Lin1,2

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070,China)

Based on the automotive whole industrial chain, three virtual simulation experimental teaching platforms have been built and several virtual simulation experiments have been developed by the teaching center of virtual simulation for automotive at Wuhan University of Technology. The virtual simulation experiments and practical experiments have compiled and deepened each other. And the opening and sharing of teaching resources have been realized effectively by the virtual simulation experiments. The construction of the teaching center is of great significance to optimize the experimental teaching system, improve the quality of experimental teaching and train innovative talents for the automotive industry.

automotive whole industry chain; virtual simulation; experimental teaching center

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.001

TP391.9;G482

A

1002-4956(2017)2-0001-06

2016-10-14

侯獻軍(1973—)，男，河南新鄉(xiāng)，博士，教授，研究方向為汽車及發(fā)動機CAD/CAE、汽車發(fā)動機排放控制及電控技術(shù).

E-mail：houxj@whut.edu.cn

特約專欄——國家級實驗教學示范中心建設和虛擬仿真技術(shù)研究與應用(Ⅱ)

編者按：國家級實驗教學示范中心經(jīng)過10余年的建設取得了豐碩成果,積累了豐富經(jīng)驗。本刊《特約專欄》將陸續(xù)刊登有關(guān)專家、教授的文章，介紹國家級實驗教學示范中心建設發(fā)展的情況。由于虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速，國家級虛擬仿真實驗教學中心建設發(fā)展情況為廣大讀者所關(guān)注，我們也將給予較集中報道。本期《特約專欄》刊登武漢理工大學、電子科技大學、大連理工大學和中國民航大學有關(guān)專家、教授的文章，他們所介紹的經(jīng)驗很有參考價值，值得一讀。