面向全产业链的汽车虚拟仿真实验教学中心建设与发展

侯献军, 唐 蜜, 张国方, 杨 波, 颜伏伍, 华 林

(1. 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430070；2. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430070)

面向全产业链的汽车虚拟仿真实验教学中心建设与发展

侯献军1,2, 唐 蜜1,2, 张国方1,2, 杨 波1,2, 颜伏伍1,2, 华 林1,2

(1. 武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430070；2. 汽车零部件技术湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430070)

武汉理工大学汽车虚拟仿真实验教学中心依据面向汽车全产业链、多层次的实验教学体系,搭建了3个虚拟仿真实验教学平台,开发了若干虚拟仿真实验资源与实际实验相互补充深化,有效实现了教学资源的开放共享。中心的建设和发展对完善实验教学体系、提高实验教学质量、培养汽车产业创新人才具有重要意义。

汽车全产业链； 虚拟仿真； 实验教学中心

随着计算机、互联网等技术的迅速发展和普及,为了提高教育质量、深化教育改革,国家更加重视高等教育的信息化。2012年3月13日,教育部印发了《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》[1]，该发展规划要求推进信息技术与高等教育深度融合、创新人才培养模式、促进优质教育资源共享，提出要整合信息资源、提高教育管理现代化水平等。虚拟仿真实验以信息技术的应用为本质特征,在国外大学的实验教学方面已有很多应用[2]，因此,从2013年起,教育部积极组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作。建设与发展虚拟仿真实验教学中心(下称中心)是高等教育信息化的重要组成部分,也顺应了高等教育的发展趋势[3-5]。

1 建设汽车虚拟仿真实验教学中心的必要性

根据行业调查,当前中国仍处于汽车普及期,中国汽车市场需求将长期稳健增长,仍需要大量的工程人才参与建设[6]。汽车作为一种复杂的机电设备,针对汽车全产业链的各个环节,其设计、制造、性能评价、销售、维修、循环利用等方面都涉及到许多不同学科领域的专业知识,加大了人才培养的难度，且车辆工程类专业作为工程应用性很强的专业,需要毕业生具有较强的工程实践能力。因此在教育过程中,车辆工程类专业的实验与实践环节显得尤为重要。而在目前的高等教育中,车辆工程类专业的实验实践教学面临着许多困难和问题,这些困难和问题通过虚拟仿真实验平台的建设可以得到较好的解决或改善[7]。

1.1 实验成本过高,运行经费有限

例如发动机拆装实习,由于每台发动机每个学期要接受多组学生的拆装,而学生都处于学习认识的过程,对拆装过程不熟悉,指导教师也无法照顾到每个学生的实习细节,因此经过多轮教学后,发动机会出现配件丢失、安装错误导致部件损坏等各种问题,大大提高了实验教学的成本。因此，指导教师在学生实际操作之前,通过虚拟拆装先熟悉拆装过程,可以使学生更熟练地操作,有效地减少上述情况的发生。

1.2 设备单价昂贵,人均资源不足

例如许多汽车性能测试仪器单价均非常昂贵,整个学院可能只配置1～2台套,因学生规模以及课时限制,通常只能保证10人次/台套。这样的资源配置,使学生在课堂上的动手机会少之又少,影响了他们对知识的学习和理解,通过相应虚拟实验的开展,可以弥补学生在实际实验中缺少的动手机会,更好的理解知识点。

1.3 部分实验项目因对实验环境的要求高无法或难以实现

车辆工程类专业有许多实验无法直接面向学生开展,或只能开展某一部分,使学生无缘接触相关的实验。例如汽车碰撞实验、汽车操纵稳定性实验、汽车故障诊断实验等。而开展虚拟仿真实验可以很好的弥补相关的空缺,使学生在理论课之外依然有机会通过较直观的实验手段去学习专业知识。

1.4 学时有限,实验教学内容结构不合理

由于学生在校学习的时间有限,实际实验无法完整有效地涉及到汽车全产业链的各个环节,严重制约了学生能力和素质的培养。虚拟仿真实验资源的建设,可以替代单纯的演示性、验证性实验；可以利用学生的课余时间,辅助进行实际实验中对原理、步骤等的讲解,节省的学时用以开展知识面更宽、知识点更多的综合性、设计性和研究性的实验,更好地提升学生的实践能力和创新能力。

1.5 教学资源共享力度不足

因资金和制度等的限制，实验资源共享范围始终有限。要促进优质教育资源共享,利用信息技术和虚拟仿真实验开发软件,不断建设和整合信息化实验教学资源,构建一个开放式、互动式和智能式的虚拟仿真实验平台,通过计算机网络向校内外和社会开放，提高资源共享力度是一个重要的途径。

2 汽车虚拟仿真实验教学中心的建设

2.1 虚拟仿真实验教学平台的建设基础与内容

武汉理工大学汽车综合实验实践中心是湖北省实验教学示范中心。中心经过多年的建设发展和积淀,根据现代汽车科技的发展方向和汽车全产业链对车辆工程类人才在理论知识、专业能力和综合素质方面的要求,从创新型人才培养目标整体出发,着力建设了从汽车设计、生产制造、开发试验到应用服务全产业链递进的教学内容,并以此为基础搭建了从基础训练、技能提升到创新创业分层次深入的实验实训教学体系,如图1所示。

图1 汽车实验实践教学体系

汽车虚拟仿真实验教学中心基于上述面向汽车全产业链的实验实践教学体系,依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,开发虚拟实验资源。本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则,建立了汽车及发动机设计与制造虚拟仿真、汽车及发动机实验虚拟仿真和汽车使用与服务虚拟仿真3个实验教学平台,如表1所示。

表1 汽车虚拟仿真实验教学中心的平台、实验课程和实验项目一览表

2.2 汽车虚拟仿真实验典型案例分析

2.2.1 发动机虚拟装配实验

发动机虚拟装配实验采用“教、学、练、考”相结合方式,通过计算机技术、网络技术、3D技术与视频动画操作相结合来介绍工具、仪器及装配过程,如图2、图3所示，让学生直观地体验汽车拆卸与安装的过程与细节,了解学习发动机结构和工作原理。学生可以通过操作鼠标选择工具、拆卸部件,如果工具选择错误或者拆装顺序有误,实验将无法继续进行,这样可以使学生及时发现操作中的错误。此外,通过网络技术,学生可以不必到实验室或机房而是通过网络共享,直接在寝室、教室等位置,利用自己的计算机输入软件,反复练习,这样可以利用课余时间培养学生的实际操作规范意识和水平,大大提高了学生在实际拆装过程中的速度、准确性和完成度,在提高教学效果的同时可以节约大量的实训资金。同时,该虚拟实验系统还可以进行考试、批改作业，学生可以自查分数。

图2 发动机虚拟装配实验工具

图3 发动机总成虚拟装配

2.2.2 汽车发动机电控系统典型故障模拟及诊断实验

在发动机实际运行过程中,不能同时出现多个真实的故障,而且有些故障不能复现,如果故障状态下运行会对发动机造成损坏。通过搭建汽车发动机电控系统半实物仿真平台(如图4—图6所示),可以模拟发动机在运行过程中可能出现的各种故障。基于该平台可以进行发动机电控系统各类传感器故障模拟、各类执行器故障模拟以及控制器本身故障模拟。通过各类故障的模拟,让学生深入理解发动机电控系统正常信号与异常信号之间的差异,理解不同故障的诊断方法及诊断策略；通过D2P快速开发平台,可实现对故障阀值的标定试验[8-9]。

图4 汽车发动机电控系统半实物仿真平台架构示意图

图5 发动机电控系统半实物仿真平台

图6 发动机电控系统OBD典型故障模拟装置图

2.2.3 汽车碰撞实验

汽车碰撞实验系统结构复杂、设备昂贵、操作专业、碰撞现场有一定的危险性。真实的汽车碰撞单次实验准备周期长、费用高。为了能让每个学生直观形象地学习汽车碰撞实验过程中的相关知识,采用先进的虚拟仿真技术,使用非线性显式求解器LS-DYNA、前后处理软件Hyperworks,能逼真再现汽车碰撞实验过程,如图7所示,让学生切身感受汽车碰撞带来的震撼。通过本虚拟仿真实验教学,学生可以较好地掌握汽车碰撞实验的准备、碰撞相关程序和碰撞数据采集等相关专业知识,更好地掌握汽车碰撞实验安全的相关内容和要求[10]。

图7 整车碰撞变形时序图

2.2.4 汽车虚拟营销实验

由于汽车营销管理的过程涉及到车辆产品多、汽车营销环境复杂、服务专业化要求高等因素,如何将教学与实际联系在一起一直是汽车服务专业教学过程中难点较多的部分。

汽车虚拟营销实验可以让学生在一个模拟现实的商业环境中演练他们所学习的汽车营销管理的理论和技能,而不需要承担在现实中可能面对的风险。其基本思路是模拟汽车产业环境中多个企业生产不同的汽车产品相互竞争。学生分成多个小组,分别扮演各个虚拟企业的营销小组,进行营销竞争演练同时，通过对产业经济环境和市场进行调研,完成市场调研报告,如图8—图11所示。学生对于模拟实验的过程抱有极大的兴趣,主动地去理解和体验在课堂上学到的各种营销及物流管理的理论、分析工具和操作方法,自觉地从战略的高度考虑问题,并且在模拟的过程中不断地分析市场环境、分析对手的策略、然后组织实施和修正自己的营销管理策略[11]。

图8 市场调研报告

图10 营销计划报告

图11 市场运作报告

3 汽车虚拟仿真实验教学中心的特色与创新

3.1 在功能面向上针对汽车全产业链的技术需求

面向汽车全产业链的实验实践教学体系，明确且条理清楚地向学生和教师展示了汽车行业工程类人才所需的专业知识结构,教学目标一目了然。虚拟仿真实验为学生提供了方便、快捷以及全面的知识来源,使学生可根据教学以及自身的需求进行自主学习。

3.2 在教学模式上实现多目标、多主体、多形式

中心的实验实践教学体系在纵向上建构3个层次:基础训练层、技能提升层以及创新创业层,既能满足低年级学生学习机械工程基础、汽车结构原理、工程实验基础等领域专业知识和基本技能的学习需要,又能够满足高年级学生和研究生开展学科竞赛、工程问题研究和工程创新能力训练的要求。同时开放的共享资源还能面向多种专业的学生,例如中心每年举办的“虚拟拆装大赛”,面向全校学生,除车辆专业外,还包括了机电、艺术设计等多个专业的学生。

3.3 在建设方式上协同校内外、汇聚国内政产学研和国际合作资源

学院与美国PURDUE大学、UIUC大学、加拿大UQTR大学等建立了密切的人才培养和科技合作关系,与美国通用汽车公司联合建立了PACE中心,与英国RICARDO公司联合建立了研究培训中心。与汽车行业形成了广泛深入的产学研关系,由东风、一汽、上汽、北汽等60多家著名企事业单位组成的汽车行业董事会，为汽车工程学院人才培养和学科建设注入了强大动力。

4 结语

汽车虚拟仿真实验教学中心服务于全校多个本科专业,已开设和拟开设25个虚拟仿真实验项目,年完成实验实训300多学时,年受训学生达2 000余人次,成为车辆工程类人才培养的重要基地。

此后,中心将依照面向汽车全产业链的教学体系,紧密结合实际实验,进一步开发和搭建知识面更广、层次更深的虚拟仿真实验资源和实验平台。汽车虚拟仿真实验教学中心的建设和发展对于完善实验教学体系,提高实验教学质量,促进汽车创新人才培养改革,建立创新人才成长环境,服务湖北省和全国科教新国战略、人才培养强国战略具有重要意义。

References)

[1] 中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划(2011—2020年)[Z]. 2012.

[2] 王卫国,胡今鸿,刘宏. 国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索,2015,34(5):214-219.

[3] 李亮亮,赵玉珍,李正操,等. 材料科学与工程虚拟仿真试验教学中心的建设[J]. 实验技术与管理,2014,31(2):5-8.

[4] 纪金豹,李炎锋,李振宝,等. 土木工程虚拟实验中心的建设与思考[J]. 实验室研究与探索,2015,34(10):142-145.

[5] 李军政,蒋蘋,孙松林,等. 基于网络的汽车构造虚拟实验室构建研究[J]. 农业装备与车辆工程,2013,51(11):75-77.

[6] 智研咨询集团. 2016—2022年中国汽车市场供需预测及投资战略研究报告[R400447][Z]. 2016.

[7] 胡宏伟. 关于改进汽车试验学教学的探讨[J]. 机械管理开发,2010,25(2):180-181.

[8] 颜伏伍,胡杰,邹斌. 基于OBD失火故障模拟及诊断技术的研究[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2009,31(1):67-70.

[9] 吴超,颜伏伍,石国勇,等. 基于ODX标准的汽车诊断系统一体化平台研发[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2014,36(6):825-828.

[10] 熊欣,过学迅,胡朝峰. 虚拟装配技术在汽车部件级产品研发中的应用[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2006,30(1):42-47.

[11] 张国方,王宇宁. CRM在汽车营销企业中的开发与应用[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2002,24(3):123-126.

高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，是教育信息化发展的创新前沿。进一步加强基础设施和信息资源建设，重点推进信息技术与高等教育的深度融合，促进教育内容、教学手段和方法现代化，创新人才培养、科研组织和社会服务模式，推动文化传承创新，促进高等教育质量全面提高。

《教育信息化十年发展规划(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

侯献军(1973—)，男，河南新乡，博士，教授，研究方向为汽车及发动机CAD/CAE、汽车发动机排放控制及电控技术.

E-mail：houxj@whut.edu.cn

特约专栏——国家级实验教学示范中心建设和虚拟仿真技术研究与应用(Ⅱ)

编者按：国家级实验教学示范中心经过10余年的建设取得了丰硕成果,积累了丰富经验。本刊《特约专栏》将陆续刊登有关专家、教授的文章，介绍国家级实验教学示范中心建设发展的情况。由于虚拟仿真技术发展迅速，国家级虚拟仿真实验教学中心建设发展情况为广大读者所关注，我们也将给予较集中报道。本期《特约专栏》刊登武汉理工大学、电子科技大学、大连理工大学和中国民航大学有关专家、教授的文章，他们所介绍的经验很有参考价值，值得一读。