国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理

刘秀清, 葛文庆, 焦学健, 李丽君

(山东理工大学 交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255049)

虚拟仿真实验教学是国家信息化教育战略的重要实践内容[1-5],而加速信息化教学建设是很多高校“十三五”规划的重要建设内容之一。车辆与交通专业群作为学校优势特色学科,对学生实践能力和创新能力培养尤为重要。目前各大院校存在实验经费不足、实验设备缺乏、高危实验难于操作的问题[6-8]。对于需要高成本、高消耗的大型或综合性实践项目,以及那些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作,虚拟仿真实验教学则具有明显的优势,并对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段等都产生了意义深远的颠覆性影响,同时还能培养学生“工程意识和系统集成”的思想。

1 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心建设目标及思路

以“一个宗旨,两个核心,三个平台,四个层次、五个模块”的“一二三四五”工程为建设目标和思路,即以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨,以建设信息化实验教学资源和共享优质实验教学资源为核心,建设基于五通道柱幕被动立体虚拟现实系统、集中式“虚实结合”虚拟现实系统和基于校园网的分布式虚拟仿真教学实验系统3个虚拟仿真教学实验硬件平台,探索校、院、教师、学生4个层次的教学运行管理模式,按照课程性质分类建成汽车构造原理、汽车设计理论、车身结构优化与安全性设计、汽车电子电路与单片机、交通与安全5个虚拟仿真实验教学模块,见图1。

图1 “一二三四五”工程建设思路与建设目标

2 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心硬件建设

车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心(见图2)面积达200 m2,10台高亮度投影机、5台图形工作站、220度大型环绕金属硬幕等组成的五通道被动立体虚拟现实系统；配有高性能服务器2台,有30TB大型存储设备及高配置计算机100余台,能够保障车辆及相关学科各类虚拟仿真实验教学的需求和网络应用；校园门户网站、学院网站、在线教学平台、实验预约系统,及时在校内外公布虚拟仿真实验教学信息,提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务。

图2 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心

3 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心多元化实验教学资源建设

虚拟仿真实验中心建设的关键是如何搭建科学可行的信息化教学平台和构建丰富合理的虚拟仿真实验教学资源。硬件平台建设通过投入人力、物力和财力能在短期内产生很好的效果,但优质的虚拟仿真实验教学资源必须有一定的基础和积累[9]。车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心实验教学资源建设采用多元化建设模式。

3.1 集合多学科交叉的优势力量自主开发模式

汽车构造、内燃机构造实验平台开设的实验多,参加实验的学生也多,而不同型号的汽车的零部件往往有很大的不同,故需要的零部件教具和仪器设备就多,费用昂贵；综合性实验往往仅能提供学生部分设备,限制了学生兴趣和特长的发挥。为此,我院在2008年就组织团队针对汽车构造理论实验的实际情况开发了“基于虚拟现实环境的‘汽车构造’虚拟仿真实验教学软件平台”,通过该平台使学生自由、自主、方便地实现实验的操作,加深知识的理解,开拓了视野,提升了知识结构,培养了综合设计和创新能力。该项目获得了山东省教学成果三等奖。

交通与安全实验多是高危性的,据此中心组建专门团队开发了“道路交通安全三维仿真系统”,开设了“乘用车碰撞安全性虚拟仿真实验、大客车侧翻安全性虚拟仿真实验和校车座椅—乘员安全性虚拟仿真实验”,解决了实验费用昂贵以及实验过程危险等难题,有效满足了实验教学的要求。

3.2 校企合作共同开发模式

(1) 中心与景格汽车科技有限公司合作开发具有破坏性和危险性的、涉及人身安全及真实实验环境难以实现的汽车碰撞虚拟仿真实验教学软件。

(2) 山东唐骏欧铃汽车制造有限公司是国家定点汽车生产企业、省级企业技术中心和高新技术企业,具有丰富的汽车设计、研发、生产经验,为中心建立汽车的虚拟仿真模型提供技术支持。

(3) 国家超级计算济南中心与车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心合作,为汽车碰撞安全性虚拟仿真实验提供高性能并行超级计算的技术支持。

(4) 淄博市公安局交通警察支队具有丰富的道路交通安全管理的经验,为中心的交通安全虚拟仿真研究提供专业咨询和支持。

3.3 科研促教学的开发模式

中心研究成果应用于虚拟仿真实验教学,既丰富了虚拟仿真实验教学内容,又实现了在现实环境下难以开展的破坏性、危险性实验。例如在开展国家“十一五”科技支撑计划项目子课题“农业装备虚拟装配技术的研究”过程中取得的研究成果为“汽车构造”实验教学软件开发提供了技术保证；山东省自然科学基金项目“多轴转向汽车操纵稳定性研究”的研究成果拓展为汽车操纵稳定性和多轴转向虚拟仿真实验；山东省教育厅科技计划项目“基于经济性与排放性的汽车动力参数匹配优化方法研究”的研究成果拓展为汽车动力性和经济性虚拟仿真实验。

通过这种多渠道建设,目前中心面向车辆工程、交通运输、交通工程和热能与动力工程4个本科专业的18门骨干课程,基于5个虚拟仿真实验教学模块,开设了60个虚拟仿真实验以及面向全校学生的1门通识性课程的2个虚拟仿真实验,建立了适应以上专业虚拟仿真实验教学的较为完整的虚拟仿真实验教学体系,如图3所示。

图3 虚拟仿真教学实验体系

4 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心教学平台功能实现

实验教学中心的资源共享对于加强中心建设、深化实验教学改革、提高人才培养质量具有重要意义[10]。针对我院实验教学实际,采用先进的设计理念和教育技术,整合国内外成熟的虚拟实验研究成果,联合北京润尼尔网络科技有限公司,研究开发和部署了校、院、教师、学生4个层次的开放式虚拟仿真实验教学管理和共享平台。平台的目标是高效管理实验教学资源,实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享,满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台实现了所有实验软件统一接入、学生在平台下进行统一实验的目的。通过系统间的无缝连接,使之达到一个整体的实验效果,解决了信息孤岛的问题。中心为学生提供多学科、多层次的实验项目,资源共享,打破学生专业实验限制,更有利于学生创新能力培养[11]。平台功能实现见图4。

图4 虚拟仿真实验教学管理和共享平台功能图

5 车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心的建设成效

5.1 信息技术与实验教学深度融合,构建了完善的信息化实验教学体系

实验教学和信息化教育技术深度融合,建立了具有车辆工程专业和交通实验教学特点的信息化管理共享平台,包括虚拟实验中心门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统,解决信息孤岛的问题；虚拟实验中心紧扣人才培养目标,整合实验教学内容,坚持“虚实结合,能实勿虚”的原则,开展虚拟实验教学工作,建立了虚实结合的信息化实验教学体系,提高了管理效率和教学效果。

5.2 将虚拟现实技术、CAE等现代仿真技术应用于虚拟仿真实验教学

建成了五通道柱幕虚拟现实系统,开发了基于多通道虚拟现实环境的“汽车构造”实验教学软件,借助于虚拟现实技术所具有的沉浸感、交互性、想象性3大特点,为学生构建了具有立体视觉和身临其境的感受与体会的实验教学环境。将CAE技术应用于虚拟仿真实验教学,通过数字化模型的CAE分析,在计算机的虚拟环境下,再现与真实实验一致的实验过程与实验结果,实现了虚拟展示与性能仿真的统一。

5.3 教学科研相互促进,建成了高水平实验教学队伍

除虚拟仿真实验教学资源外,影响实验教学质量的另一个关键因素是师资队伍[12]。中心坚持采取教学科研相互促进的方式进行实验教学队伍建设,实验教学队伍在开展教学的同时,积极开展科学研究和社会服务工作,并及时将中心研究成果应用于虚拟仿真实验教学,自主开发了针对性强、因材施教的虚拟仿真实验教学软件,既丰富了虚拟仿真实验教学内容,又开设了在现实环境下难以开展的破坏性、危险性实验。经过多年的建设,中心已逐步形成了一支具有较高学术水平、科研能力和虚拟仿真实验教学开发能力的实验教学队伍。

5.4 促进了学生创新能力的培养

中心开设了若干个学生自主设计并完成的实验项目,例如：振动特性的柔性虚拟仿真实验,可以由学生自己动手根据实验要求选择实验对象、激振设备、传感器以及数采系统,搭建相应的虚拟实验项目,并通过对仪器的配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备进行虚拟仿真实验；汽车虚拟实训软件,学生可以自己动手根据实验要求选用相应的实验工具,自主设计并完成各种实际操作性实验。通过这些实验,调动了学生学习的积极性、主动性,有力地促进了学生创新能力的培养。近2年我院学生在中心的技术支持下,在中国大学生方程式汽车大赛中荣获新秀奖、全国节能减排大赛荣获特等奖、全国大学生工程训练一等奖等诸多创新奖项。

6 结语

车辆工程与交通国家级虚拟仿真实验教学中心拥有高水平的教学团队和丰富的虚拟仿真实验教学资源,形成了完善的教学管理运行机制和保障体系,在应用型人才培养中发挥了重要作用。下一步中心将加大实验教学资源的开发、开放和共享建设力度,充分发挥国家级虚拟仿真实验教学中心的示范、带动和引领作用。