基于創新人才培養的開放型虛擬實驗系統的研究與應用

楊釩 楊瑞霞

[摘 要] 利用計算機虛擬仿真技術，建立基于網絡的開放型汽車發動機實驗教學系統，提供適應不同教學需求的實驗項目，在滿足常規實驗教學要求的同時，還注重學生創新能力和綜合素質的培養，最終實現多層次和貫通化的教學目標。

[關 鍵 詞] 汽車發動機；虛擬實驗；多層次；創新能力

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）03-0016-02

近年來，高校大力推行創新創業計劃，部分學生也選擇了創業之路，但真正創業成功者鳳毛麟角。究其原因，其中一個重要因素就是創新能力的缺乏。目前來說，高校創新創業教育應面向全體、分類施教、結合專業、強化實踐。對具備創新創業潛力的學生，要引導他們基于創新、結合專業，發揮自身優勢來創業[1]。因此，立足本專業的創新能力和創新精神培養對當代大學生來說尤為重要。

實驗教學是高等教育的重要組成部分之一，能有效地培養學生的創新能力和實踐操作技能，加深對專業知識的理解。但現有的實物模型拆裝實驗存在著實驗效果不佳、管理維護難度高、資金需求大等諸多缺陷，已經無法適應現代職業教育的需要[2]。

為解決上述問題，教育部明確提出虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，要以提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，推進高校實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發展。國內各大高校也開展了各級虛擬實驗項目的建設，如清華大學的數字化制造系統虛擬仿真實驗教學中心、北京理工大學的計算機虛擬仿真實驗教學中心、北京科技大學的材料虛擬仿真實驗教學中心、上海理工大學的裝備制造虛擬仿真實驗教學中心等。

本文在充分分析論證的前提下，以“汽車發動機虛擬實驗教學系統”為起點，分階段、逐層次地建立具有職業技術教育特色的虛擬仿真實驗教學中心，探索出一種有利于創新人才培養的實驗教學模式。

一、高職院校汽車類專業實驗教學現狀分析

職業教育類汽車專業教學中的一項重要內容是汽車發動機結構的認知與拆裝。現階段該拆裝過程一般在實驗室內進行，學生在對發動機實物或模型拆卸、測繪的過程中，可以更深刻地理解發動機的結構與工作原理以及各零部件之間的拓撲關系[3][4]。發動機結構的認知與拆裝實驗教學需要大量的實物模型，而汽車發動機的種類較多，結構復雜多變，職業院校難以配備完整的各類發動機模型，使學生沒有機會接觸多種類型的實物，實驗效果也就無法達到預期目的。另一方面，雖然通過發動機實物拆裝實驗可觀察產品的內部結構，但是依然存在幾個較大的缺陷：（1）無法觀察發動機內部機構的運行過程；（2）實驗模型與真實發動機在精度、材料、外觀上存在一定差異，無法真實反映發動機的制造、裝配工藝，實驗的真實感有所下降。而且發動機的實物拆裝需要在專門的實驗室中進行，往往由于學生數量過多、設備配備不足等的限制，使部分學生無法獨立進行完整的實驗[5][6]。

為了解決發動機實物實驗過程中存在的問題，通過查閱和走訪國內外高校相關專業實驗教學情況，開發“面向創新能力培養的開放型虛擬實驗教學系統”，利用軟件技術模擬汽車發動機的運動仿真以及拆裝過程，有效地解決實驗室設備緊缺、模型更新慢、實驗效果不佳等問題。

二、虛擬實驗系統總體設計

本研究針對職業教育的特色，仔細分析相關課程教學大綱及其科技前沿，科學地確定各層次實驗內容及實驗流程，建立合理的系統構架。依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。將靜止、抽象的概念變為動態、形象的表示。開發出一個簡潔、實用、受眾面大、擴充性好的虛擬實驗系統，學生在虛擬環境中開展實驗，克服傳統實驗教學的弊端，提高了教學效率，達到了教學大綱所要求的教學效果。既適應當代技能型教學的需求，也符合當代職業教育改革的方向。具體功能如下：

（一）汽車發動機零部件功能性展示

根據汽車工業的發展趨勢、選擇典型汽車發動機類型，按實際尺寸建立三維數字模型，用虛擬現實的手段對各組成部分的結構、功能及拓撲關系進行詳盡、直觀的展示和說明。

（二）發動機運動仿真實驗

創建各種運動副、傳動機構數字模型，進行機構運動學分析：如機構的運動規律，追蹤部件的運動軌跡；輸出部件的速度、加速度、位移等數據，幫助使用者更清晰地理解汽車發動機內部的運作方式。

（三）典型汽車發動機虛擬拆裝實驗

在發動機三維數字模型的基礎上，利用虛擬現實技術，結合虛擬數字樣機與和手動直觀操作，實現實物實驗過程的行為模擬。操作者能夠在計算機仿真環境中熟悉發動機整機及各組成部分的裝配流程，并直接操作零件模型，極大地提升了對裝配過程的理解和感知[7][8][9]。

（四）汽車發動機虛擬設計輔助教學系統

編制典型結構汽車發動機的設計指導書，對其關鍵零部件的設計流程及相關的設計標準、計算公式、技術數據進行詳盡的說明。指導和幫助使用者盡快掌握汽車發動機的基本設計方法。在此基礎上，可利用商品化三維設計軟件完成整套發動機數字樣機的建立。

（五）網絡化應用

（六）彈性的系統構架

為緊跟學科及產業發展前沿，及時、簡便地擴展系統功能，系統采用彈性設計構架。

三、多元化創新能力培養模式的實現

為適應高校創新創業教育面向全體、分類施教的基本原則，本系統在以下幾個方面對多元化培養模式進行了探索。

（一）科學的實驗教學體系和強大的教學功能

結合職業院校實驗教學經驗和虛擬實驗系統的功能優勢， 本系統由認識型、基礎型、綜合型、設計型和創新型等5個層次構成。

1.認識型實驗使學生了解汽車發動機的基礎結構，熟悉虛擬實驗環境，初步掌握實驗流程。該層次實驗主要包括以下內容：發動機類型的認識，曲柄連桿機構認識（機體組認識、活塞連桿組認識、曲軸飛輪組認識等），配氣機構認識（氣門組認識、氣門傳動組認識），發動機其他系統認識（發動機進排氣系統認識、燃油供給系統認識、點火系統及啟動系統認識、潤滑和冷卻系統認識等）。

2.基礎型實驗是實驗教學最基本的單元，操作者根據實驗指導書，通過在虛擬現實條件下拆裝汽車發動機各主要模塊，進一步加深對基本概念和理論的理解。

3.綜合型實驗內容基礎實驗的組合，培養學生了解和掌握發動機不同模塊之間的聯系，用于幫助學生樹立系統的概念，初步掌握汽車發動機各組成部分設計的基本方法與流程。主要包括曲柄連桿機構拆裝、配氣機構拆裝、發動機其他系統拆裝、發動機總裝等。

4.設計型實驗使學生初步了解和掌握汽車發動機各組成部分設計的基本方法與流程，利用商品化設計軟件完成汽車發動機虛擬數字樣機的建立。

5.創新型實驗是針對學有余力的部分學生，結合教師科研項目，幫助學生提高創新能力的進一步訓練，培養自主創新能力，提出和解決若干具有挑戰性的問題，參加國內外創新競賽，申請并完成各級創新項目等。

通過多層次的虛擬實驗系統，既可以觀察發動機的運行過程，同時又可以完成其結構的拆裝實驗，了解相關設計理論和設計方法。三維數字模型的直觀、易用性提高了學生的學習興趣，鞏固了理論知識；而開放的人機交流環境，可充分發揮學生的自主學習能力，提高學習效率。

（二）較高的知識關聯度

在理論教學過程中，理論知識與實物之間缺乏關聯，知識點之間無法有機結合，直接影響教學效果。虛擬實驗系統具有實時提示功能，方便學生查找、操作，遇到較難的知識點可以隨時進入相關模塊進行進一步的學習。

（三）低成本的規模化實驗教學

本虛擬實驗系統利用軟件技術完成整個實驗過程，實現虛擬網上實驗，不受時間、地域的限制，省去了實驗場地，減少了實驗設備采購費用；以極低的成本在各個級別的學校較全面地實現汽車相關課程的實驗教學。可以讓每一個學生有充足的學習和實驗時間，既保證了教學效果，又實現了規模化教學。

四、結束語

通過虛擬實驗與輔助教學系統，合理設計多層次的實驗項目，從認識層、基礎層及綜合層的感知實驗，到設計層和創新層的個性化訓練，實現了汽車發動機課程的階梯式訓練。培養了學生主動獲取知識的能力、提高了對學習的興趣和對本學科學術前沿的關注度。通過創新問題的提出，解決方案的研究，實際工作任務的分解、協調、最終系統的集成等工作，拓展了知識背景和能力基礎，培養了團隊精神，為將來的實踐工作和進一步的深造打下了基礎。實踐表明，虛擬實驗與設計有助于因材施教、發現和培養優秀人才，是多層次培養學生創新意識和創新能力的有效途徑。

參考文獻：

[1]王占仁.高校創新創業教育要做好分類[N].光明日報（網絡版），2015-07-14.

[2]李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014，31（2）：5-8.

[3]高斌，湯楚宙.UG和VB為基的汽車發動機虛擬實驗室建立[J].現代制造工程，2008（8）：84-87.

[4]李會文.Lexus400型汽車發動機虛擬裝配與運動模擬的研究[D].湖南師范大學，2008.

[5]降世婧.基于Virtools的發動機虛擬裝配仿真軟件的研究與開發[D].吉林大學，2013.

[6]張國友.基于UG設計軟件的SQR472型發動機虛擬裝配系統的研究[D].山東輕工業學院，2011.

[7]張青，趙洪利，郭慶，等.航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺的構建與實現[J].實驗室探索與研究，2016（5）：97-100.

[8]張青，徐宇杰，郭慶，等.體感交互技術在航空發動機虛擬裝配實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2016（2）：100-104.

[9]陳錦錫，童大鵬.虛擬現實技術在高職院校船機電專業教學中的應用研究[J].高教學刊，2015（18）：164-165.