國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與管理

劉秀清, 葛文慶, 焦學健, 李麗君

(山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049)

虛擬仿真實驗教學是國家信息化教育戰略的重要實踐內容[1-5],而加速信息化教學建設是很多高校“十三五”規劃的重要建設內容之一。車輛與交通專業群作為學校優勢特色學科,對學生實踐能力和創新能力培養尤為重要。目前各大院校存在實驗經費不足、實驗設備缺乏、高危實驗難于操作的問題[6-8]。對于需要高成本、高消耗的大型或綜合性實踐項目,以及那些涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作,虛擬仿真實驗教學則具有明顯的優勢,并對傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了意義深遠的顛覆性影響,同時還能培養學生“工程意識和系統集成”的思想。

1 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心建設目標及思路

以“一個宗旨,兩個核心,三個平臺,四個層次、五個模塊”的“一二三四五”工程為建設目標和思路,即以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨,以建設信息化實驗教學資源和共享優質實驗教學資源為核心,建設基于五通道柱幕被動立體虛擬現實系統、集中式“虛實結合”虛擬現實系統和基于校園網的分布式虛擬仿真教學實驗系統3個虛擬仿真教學實驗硬件平臺,探索校、院、教師、學生4個層次的教學運行管理模式,按照課程性質分類建成汽車構造原理、汽車設計理論、車身結構優化與安全性設計、汽車電子電路與單片機、交通與安全5個虛擬仿真實驗教學模塊,見圖1。

圖1 “一二三四五”工程建設思路與建設目標

2 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心硬件建設

車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心(見圖2)面積達200 m2,10臺高亮度投影機、5臺圖形工作站、220度大型環繞金屬硬幕等組成的五通道被動立體虛擬現實系統；配有高性能服務器2臺,有30TB大型存儲設備及高配置計算機100余臺,能夠保障車輛及相關學科各類虛擬仿真實驗教學的需求和網絡應用；校園門戶網站、學院網站、在線教學平臺、實驗預約系統,及時在校內外公布虛擬仿真實驗教學信息,提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務。

圖2 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心

3 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心多元化實驗教學資源建設

虛擬仿真實驗中心建設的關鍵是如何搭建科學可行的信息化教學平臺和構建豐富合理的虛擬仿真實驗教學資源。硬件平臺建設通過投入人力、物力和財力能在短期內產生很好的效果,但優質的虛擬仿真實驗教學資源必須有一定的基礎和積累[9]。車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心實驗教學資源建設采用多元化建設模式。

3.1 集合多學科交叉的優勢力量自主開發模式

汽車構造、內燃機構造實驗平臺開設的實驗多,參加實驗的學生也多,而不同型號的汽車的零部件往往有很大的不同,故需要的零部件教具和儀器設備就多,費用昂貴；綜合性實驗往往僅能提供學生部分設備,限制了學生興趣和特長的發揮。為此,我院在2008年就組織團隊針對汽車構造理論實驗的實際情況開發了“基于虛擬現實環境的‘汽車構造’虛擬仿真實驗教學軟件平臺”,通過該平臺使學生自由、自主、方便地實現實驗的操作,加深知識的理解,開拓了視野,提升了知識結構,培養了綜合設計和創新能力。該項目獲得了山東省教學成果三等獎。

交通與安全實驗多是高危性的,據此中心組建專門團隊開發了“道路交通安全三維仿真系統”,開設了“乘用車碰撞安全性虛擬仿真實驗、大客車側翻安全性虛擬仿真實驗和校車座椅—乘員安全性虛擬仿真實驗”,解決了實驗費用昂貴以及實驗過程危險等難題,有效滿足了實驗教學的要求。

3.2 校企合作共同開發模式

(1) 中心與景格汽車科技有限公司合作開發具有破壞性和危險性的、涉及人身安全及真實實驗環境難以實現的汽車碰撞虛擬仿真實驗教學軟件。

(2) 山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司是國家定點汽車生產企業、省級企業技術中心和高新技術企業,具有豐富的汽車設計、研發、生產經驗,為中心建立汽車的虛擬仿真模型提供技術支持。

(3) 國家超級計算濟南中心與車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心合作,為汽車碰撞安全性虛擬仿真實驗提供高性能并行超級計算的技術支持。

(4) 淄博市公安局交通警察支隊具有豐富的道路交通安全管理的經驗,為中心的交通安全虛擬仿真研究提供專業咨詢和支持。

3.3 科研促教學的開發模式

中心研究成果應用于虛擬仿真實驗教學,既豐富了虛擬仿真實驗教學內容,又實現了在現實環境下難以開展的破壞性、危險性實驗。例如在開展國家“十一五”科技支撐計劃項目子課題“農業裝備虛擬裝配技術的研究”過程中取得的研究成果為“汽車構造”實驗教學軟件開發提供了技術保證；山東省自然科學基金項目“多軸轉向汽車操縱穩定性研究”的研究成果拓展為汽車操縱穩定性和多軸轉向虛擬仿真實驗；山東省教育廳科技計劃項目“基于經濟性與排放性的汽車動力參數匹配優化方法研究”的研究成果拓展為汽車動力性和經濟性虛擬仿真實驗。

通過這種多渠道建設,目前中心面向車輛工程、交通運輸、交通工程和熱能與動力工程4個本科專業的18門骨干課程,基于5個虛擬仿真實驗教學模塊,開設了60個虛擬仿真實驗以及面向全校學生的1門通識性課程的2個虛擬仿真實驗,建立了適應以上專業虛擬仿真實驗教學的較為完整的虛擬仿真實驗教學體系,如圖3所示。

圖3 虛擬仿真教學實驗體系

4 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心教學平臺功能實現

實驗教學中心的資源共享對于加強中心建設、深化實驗教學改革、提高人才培養質量具有重要意義[10]。針對我院實驗教學實際,采用先進的設計理念和教育技術,整合國內外成熟的虛擬實驗研究成果,聯合北京潤尼爾網絡科技有限公司,研究開發和部署了校、院、教師、學生4個層次的開放式虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺。平臺的目標是高效管理實驗教學資源,實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享,滿足多地區、多學校和多學科專業的虛擬仿真實驗教學的需求。平臺實現了所有實驗軟件統一接入、學生在平臺下進行統一實驗的目的。通過系統間的無縫連接,使之達到一個整體的實驗效果,解決了信息孤島的問題。中心為學生提供多學科、多層次的實驗項目,資源共享,打破學生專業實驗限制,更有利于學生創新能力培養[11]。平臺功能實現見圖4。

圖4 虛擬仿真實驗教學管理和共享平臺功能圖

5 車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心的建設成效

5.1 信息技術與實驗教學深度融合,構建了完善的信息化實驗教學體系

實驗教學和信息化教育技術深度融合,建立了具有車輛工程專業和交通實驗教學特點的信息化管理共享平臺,包括虛擬實驗中心門戶網站、實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統,解決信息孤島的問題；虛擬實驗中心緊扣人才培養目標,整合實驗教學內容,堅持“虛實結合,能實勿虛”的原則,開展虛擬實驗教學工作,建立了虛實結合的信息化實驗教學體系,提高了管理效率和教學效果。

5.2 將虛擬現實技術、CAE等現代仿真技術應用于虛擬仿真實驗教學

建成了五通道柱幕虛擬現實系統,開發了基于多通道虛擬現實環境的“汽車構造”實驗教學軟件,借助于虛擬現實技術所具有的沉浸感、交互性、想象性3大特點,為學生構建了具有立體視覺和身臨其境的感受與體會的實驗教學環境。將CAE技術應用于虛擬仿真實驗教學,通過數字化模型的CAE分析,在計算機的虛擬環境下,再現與真實實驗一致的實驗過程與實驗結果,實現了虛擬展示與性能仿真的統一。

5.3 教學科研相互促進,建成了高水平實驗教學隊伍

除虛擬仿真實驗教學資源外,影響實驗教學質量的另一個關鍵因素是師資隊伍[12]。中心堅持采取教學科研相互促進的方式進行實驗教學隊伍建設,實驗教學隊伍在開展教學的同時,積極開展科學研究和社會服務工作,并及時將中心研究成果應用于虛擬仿真實驗教學,自主開發了針對性強、因材施教的虛擬仿真實驗教學軟件,既豐富了虛擬仿真實驗教學內容,又開設了在現實環境下難以開展的破壞性、危險性實驗。經過多年的建設,中心已逐步形成了一支具有較高學術水平、科研能力和虛擬仿真實驗教學開發能力的實驗教學隊伍。

5.4 促進了學生創新能力的培養

中心開設了若干個學生自主設計并完成的實驗項目,例如：振動特性的柔性虛擬仿真實驗,可以由學生自己動手根據實驗要求選擇實驗對象、激振設備、傳感器以及數采系統,搭建相應的虛擬實驗項目,并通過對儀器的配置、連接、調節和使用虛擬實驗儀器設備進行虛擬仿真實驗；汽車虛擬實訓軟件,學生可以自己動手根據實驗要求選用相應的實驗工具,自主設計并完成各種實際操作性實驗。通過這些實驗,調動了學生學習的積極性、主動性,有力地促進了學生創新能力的培養。近2年我院學生在中心的技術支持下,在中國大學生方程式汽車大賽中榮獲新秀獎、全國節能減排大賽榮獲特等獎、全國大學生工程訓練一等獎等諸多創新獎項。

6 結語

車輛工程與交通國家級虛擬仿真實驗教學中心擁有高水平的教學團隊和豐富的虛擬仿真實驗教學資源,形成了完善的教學管理運行機制和保障體系,在應用型人才培養中發揮了重要作用。下一步中心將加大實驗教學資源的開發、開放和共享建設力度,充分發揮國家級虛擬仿真實驗教學中心的示范、帶動和引領作用。