虚拟仿真实验模块在车辆工程专业实验教学中的应用

摘要：随着科学技术的快速发展，基于计算机的虚拟仿真技术在实验教学中的应用越来越多。车辆工程是一门工程应用型学科，旨在培养学生的自主学习和工程实践能力，其中实验教学环节起到了非常重要的作用。但基于实验条件的局限性，全国大部分高校均难以满足车辆工程专业的实验设备、实验场地、实验环境等特殊需求。因此，设立虚拟仿真实验室，借助虚拟仿真技术，搭建车辆工程专业实验教学模块，能在一定程度上降低实验成本，提高学生的学习和工程实践能力。

关键词：虚拟仿真；车辆工程；实验教学

中图分类号：U467 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）17-0276-03

一、前言

車辆工程是一门工程应用型学科，旨在培养出能从事汽车工程技术领域设计制造、科研开发、应用研究、经营管理和市场营销等工作的复合型高级专业人才，其中实验教学是培养学生工程实践能力的重要环节，在人才培养过程中具有非常重要的作用。然而，受到实验场地、实验仪器设备台套数、实验经费使用等诸多因素的影响，使得学生在实验过程中亲自动手实践的机会有限，严重影响了教学效果。通过设立虚拟仿真实验室，借助虚拟仿真技术，搭建车辆工程专业实验教学模块，能在一定程度上降低实验成本，提高学生的学习和工程实践能力，提升教学质量。

二、虚拟仿真实验教学模块的搭建方案

1.汽车结构拆装虚拟实验模块。汽车结构拆装实验主要用于汽车工程导论、汽车构造、发动机原理等车辆工程专业课程，使学生了解汽车总体构造及其连接关系，了解各部分结构的功能和运动形式。传统汽车构造实验教学成本高、资源消耗大，并且需将实体结构拆开以了解零部件内部构造，而部件结构在拆开状态下又无法运行，因此在传统实验中无法同时表现汽车结构的内部构造及其运动状态。

采用虚拟仿真技术，研发“汽车结构拆装虚拟仿真实验教学系统”，使用虚拟显示技术创建的一种可以完全或部分代替真实实验的各种操作的模拟环境，学生可以进行各种汽车虚拟装配和拆装实验、实训操作，了解汽车构造与装配原理、步骤，以及锻炼操作技能，使学生更加直观地学习汽车构造和工作原理。如图1所示，本系统包含四个实验子模块：汽车原理与构造认知子模块、汽车底盘结构分析与虚拟拆装子模块、发动机结构分析与虚拟拆装子模块、变速箱结构分析与虚拟拆装子模块。

采用虚拟仿真技术帮助学生认识汽车构造，了解底盘、发动机和变速箱总成、部件、零件的结构、装配关系，使学生在沉浸式虚拟环境下自主学习各总成的拆装，有效地解决了真实实验无法同时表现结构内部构造与工作状态的问题。

2.车辆性能测试虚拟仿真实验模块。如图2所示，车辆性能测试虚拟仿真实验模块应用于汽车理论、内燃机原理、汽车实验学等专业课程实验，包括车辆动力性能仿真实验教学平台、车辆制动性能仿真实验教学平台、车辆经济性能仿真实验教学平台、车辆操纵稳定性能仿真实验教学平台。应用此实验模块可以实现开放式虚拟仿真实验教学功能。

3.汽车模拟驾驶虚拟实验模块。汽车模拟驾驶虚拟实验模块主要用于汽车理论、汽车电子控制技术等车辆工程专业课程，使学生了解汽车理论知识在汽车上的应用及电子控制技术的实现形式。传统汽车驾驶实验教学不仅需要特定的场地、专业的司机，还浪费了大量的资源，成本较高，同时可重复性不高。学生在完成该项实验时多处于感兴趣的状态且走马观花，对涉及的理论知识思索得不够。采用虚拟仿真技术研发了“汽车模拟驾驶仿真实验教学系统”，使用虚拟现实技术创建的一种可以完全或部分代替真实实验各种操作的模拟环境。

本系统包含四个实验子模块：转向理论认知子模块、制动理论认知子模块、操作稳定性认知子模块和汽车电子技术认知子模块，如图3所示。

三、虚拟仿真实验教学模块的具体应用

1.汽车结构拆装虚拟实验模块。汽车发动机是汽车最重要的系统之一，发动机的拆装是熟悉汽车动力系统的重要环节，利用虚拟仿真技术研发汽车结构拆装虚拟实验模块，虚拟设置整车的各部分结构，建立三维互动模型，呈现逼真结构，提高学生的学习兴趣。学生通过对汽车发动机结构的虚拟拆卸、安装，快速掌握汽车发动机的结构组成，提升教学效果。

2.车辆性能测试虚拟仿真实验模块。汽车动力性仿真实验教学平台包括汽车动力性指标、汽车驱动力和行驶阻力以及驱动力—行驶阻力平衡图、动力特性图（包含各档位下的驱动力曲线、加速度曲线、爬坡度曲线）和汽车的功率平衡图。系统建立汽车动力性能的影响参数与汽车动力性指标的函数关系。在系统面板的左半区域是汽车动力性的影响参数，右半区域是汽车动力性的指标显示区域和系统控制区域，中间面板是汽车动力性所涉及的一些特征曲线。

通过车辆性能虚拟仿真实验教学仿真平台的使用，使学生理解并掌握车辆动力性模型的建立和计算。理解车辆各性能的影响因素，在今后的车辆性能优化学习过程中产生感性和理性的认识，了解车辆各性能特征参数曲线的变化趋势。图6为汽车模拟驾驶与操稳性能实验界面，图7为车辆动力性能仿真实验教学平台前面板。

3.汽车模拟驾驶虚拟实验模块。利用计算机技术、虚拟仿真技术和3D沉浸式交互显示系统，可设置不同的道路、场景，使学生具有身临其境的视觉，提高学生对汽车驾驶体验感，提高教学效果。图8为汽车的模拟驾驶场景。

四、结论

采用计算机仿真技术，结合先进传感和3D沉浸式技术，搭建车辆工程专业实验教学模块，作为一种辅助实验教学方式，用来弥补受实验条件限制的实物实训实验系统，对车辆工程专业人才培养具有重要意义。虚拟仿真实验教学平台具有降低实验教学成本、提升学生学习效率、减轻教师教学负担等诸多优点，随着科学技术的进一步发展，虚拟实验教学模块开发周期和成本的降低，先进传感技术和3D沉浸式渲染技术的提高，未来更逼真、更丰富、更高效的虚拟仿真实验教学模块会被开发出来，并应用到车辆工程实验教学中去。

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