融合研究性教學的汽車虛擬仿真教學平臺

于蕾艷, 石永軍

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

隨著互聯網+教育、人工智能等技術快速發展,虛擬仿真在教學中得到廣泛應用[1-3],并在教學實踐中取得了一定教學效果[4-6]。中國石油大學(華東)石油工業訓練中心以培養學生實踐技能和創新精神為目標,以石油工業訓練為主線,做到基礎訓練與特色訓練相結合、仿真訓練與現場訓練相結合、實踐訓練與創新訓練相結合,形成了具有鮮明特色的石油工業訓練體系,包含基礎工程訓練、石油工業訓練、綜合技能訓練、創新能力訓練等實踐教學平臺。但是,現有虛擬仿真教學平臺在融合研究性教學理念方面仍有不足。

本文考慮學生—教師—學校—社會廣義教育生態系統的各個環節相互影響、相互促進的特點,將以學生為中心的研究性教學理念融入汽車虛擬仿真教學平臺的建設和實施中,最大化提高學生的學習效率。

1 研究性汽車虛擬仿真教學平臺的必要性

1.1 汽車虛擬仿真教學平臺的研究現狀

近年來,我國一些高校進行了汽車虛擬仿真教學平臺建設與應用的有益探索,以交通運輸行業對高素質應用型人才需求為導向,構建了汽車構造原理與虛擬拆裝、汽車性能仿真、汽車電子與測試技術、新能源汽車、汽車制造技術等虛擬仿真實驗教學平臺,有些平臺還具有遠程實驗、自主設計實驗、教師遠程指導與評閱、遠程備課等功能[7-9]。汽車虛擬仿真教學中尚存在的不足表現為：

(1) 沒有充分重視汽車虛擬仿真教學平臺的建設和使用,沒有與傳統的課程教學有機結合。受限于單位資金、人員、設備等,學生僅通過有限的實驗設備做實驗,實驗設備更新不及時,學生知識體系不夠完整。

(2) 汽車虛擬仿真教學平臺沒有充分融入研究性教學理念。研究性學習對于培養學生的終生學習能力有重要意義。很多汽車虛擬仿真教學平臺側重平臺的技術層面和課程資源積累,而沒有特別考慮融入研究性教學理念的問題,使汽車虛擬仿真教學缺乏挑戰性與激勵性,難以有效促進學生思維能力鍛煉和創新能力提升。

(3) 汽車虛擬仿真教學體系不夠健全,多集中于實驗教學模塊建設,但是缺少虛擬實習教學等模塊的建設。而虛擬實習對于學生熟悉實習任務、安全事項、實習重點等,并在實際實習中更快、更好地完成實習任務非常必要。

1.2 融合研究性教學的仿真教學平臺建設非常必要

針對上述汽車虛擬仿真教學平臺之不足,進行研究性汽車虛擬仿真教學改革勢在必行。在建設汽車虛擬仿真教學平臺時,認真研究學生的學習特點和學習規律,規劃汽車虛擬仿真教學平臺的建設內容體系,使其具有系統性并可持續發展。該平臺要能引導學生進行研究性學習,培養學生研究性學習的素養,鼓勵學生發現問題、解決問題,提高學習興趣和學習效率[10-12]。

2 融合研究性教學的虛擬仿真教學平臺建設

2.1 汽車虛擬仿真教學平臺建設目標

融合研究性教學理念的汽車虛擬仿真教學平臺的建設目標是實現學生—教師—學校—社會這一教育生態系統的各個要素的良好交流互動、資源共享、協同共建,在學生學習的各個環節運用研究性教學,顯著提升人才培養質量。

平臺的使用對象不限于全日制學校,也適用于網絡遠程教育,包括課程教學、實驗教學、實習等,提高網絡學習者的專業水平。

建立大平臺、實現優質資源共享是教育發展的要求。汽車虛擬仿真教學平臺具有很好的跨專業、跨學科、跨單位開放性,不同學校所建設的平臺具有較好接口,便于實現不同專業、不同單位的資源共享、優勢互補,可以大大擴充優質資源庫、提高優質資源利用率。

車輛工程涉及到電子、控制、機械、液壓等很多學科,需要多學科優化與協同。學生通過汽車虛擬仿真教學平臺進行理論課程、實驗、實習等一系列環節研究性學習；教師通過平臺進行信息更新、掌握學生的研究性學習情況；學校通過平臺獲知教學進度情況等,進行相應評價與管理；社會相關企業、研究機構通過平臺上傳自己的優勢實驗資源等,進行平臺資源實時擴充,可以獲取學生相關信息,便于后續安排實習、崗位招聘等,提高招聘人才效率。

總之,通過汽車虛擬仿真教學平臺的建設和教學應用,實現學生—教師—學校—社會這一教育生態系統協同發展。

2.2 汽車虛擬仿真教學平臺體系

汽車虛擬仿真教學平臺包括5個模塊(見圖1),具有理論課程虛擬仿真教學、實驗虛擬仿真教學、實習虛擬仿真教學、創新虛擬仿真教學和管理功能。學生、教師、學校管理者以及企業、科研等社會單位均可以按照一定權限登錄平臺的模塊,共同促進汽車虛擬仿真教學平臺建設。

圖1 汽車虛擬仿真教學平臺體系

理論課程虛擬仿真教學模塊建設有“汽車構造”“汽車設計”“汽車理論”“汽車電子”“汽車制造工藝學”等課程。平臺易于擴展,根據汽車工業發展和人才培養目標進行優化,方便新建課程。

實驗虛擬仿真教學模塊包括“汽車理論”“汽車電子”等為理論課程開設的實驗和獨立實驗課程。例如,對于汽車動力性實驗設備底盤測功機,平臺能夠展示底盤測功機的類型、工作原理、結構爆炸圖、使用方法、注意事項、實驗方法等。學生通過平臺深入學習了相關內容后,在實驗室做實驗能夠比較熟練,可以用更多的時間進行創新性實驗探索。

實習虛擬仿真教學模塊包括汽車虛擬仿真拆裝實習、汽車虛擬仿真駕駛實習、汽車虛擬仿真制造實習等。汽車虛擬仿真拆裝實習提供了一系列車型的整車、主要結構、工作原理、拆裝過程等實習。汽車虛擬仿真駕駛實習是通過相關訓練科目使學生掌握汽車駕駛要領,有利于學生后續實車駕駛實習。汽車虛擬仿真制造實習是通過典型汽車制造流水線視頻、動畫展示、教師專業講解等方式,使學生熟悉典型汽車制造工藝,了解汽車在流水線上制造過程。

2.3 研究性教學理念在汽車虛擬仿真教學平臺的運用

圖2為研究性教學方法在汽車虛擬仿真教學平臺的運用示意圖。

圖2 研究性教學方法的運用

首先,縝密制訂研究性教學規劃,設定研究性教學的目標。以學生為中心,考慮學生不同的知識基礎、學習能力,按知識和能力確定遞進式教學目標。例如,目標1最難,目標2次之,目標3最易。對于學習能力強的學生,設置較難的教學目標,具有較高的挑戰性和激勵性；對于學習能力弱的學生,設置容易達到的目標,便于培養學生的自信,逐級提高教學難度。

然后,建立教學內容之間聯系,圍繞汽車縱向動力學、橫向動力學、垂向動力學的建模、動力學分析、汽車動力學展示、性能指標評價、性能優化分析等內容提煉知識點,教學內容按知識點逐個展開。根據知識點之間的邏輯關系,劃分出知識點1、知識點2等有限的知識點。

發現問題、解決問題是研究性教學的重要要求。在每個知識點提煉出典型問題,并鼓勵學生自己提出更多問題進行研究。以問題為導向,提高學生敢于質疑、獨立思考、獨立推理、解決問題的能力。

學生完成相關知識點學習后,進行研究性教學考核,通過考核獲知研究性教學的階段性效果,便于后續調整學習難度、學習進度等。該門課程教學結束后,進行課程總體考核。

以“汽車理論”課程虛擬仿真教學為例,教學內容包括汽車動力性、汽車經濟性、汽車制動性、汽車操縱穩定性、汽車平順性、汽車通過性等6個模塊。首先,設定汽車性能指標含義,進行動力學建模和使用因素分析,利用Matlab等軟件計算并分析汽車性能指標,分析汽車結構與汽車性能的聯系、進行汽車性能優化等遞進式教學。然后,深度整合教學內容資源,例如在汽車動力性模塊提煉出課程簡介、汽車動力性概述、驅動力、行駛阻力、驅動動力學受力分析、汽車行駛方程

式、汽車行駛附著條件、汽車功率平衡等知識點。針對各知識點提煉問題,例如關于驅動力知識點，提出驅動力是否是汽車真實受力、驅動力有哪些影響因素等問題。最后,在研究性教學考核環節進行過程性考核,考核學生在各學習環節對相關問題的分析能力、解決能力,激勵學生在學習全周期持續進行研究性學習,提高發現問題、獨立解決問題的研究性學習能力。通過“汽車理論”課程虛擬仿真學習的學生具備汽車性能分析、計算、優化等較強學習和科研能力,所學理論能快速解決汽車設計、汽車使用過程中遇到的各類問題,具有一定的汽車性能優化創新的能力。

3 結語

將研究性教學與汽車虛擬仿真教學深度融合是車輛工程專業教育發展趨勢,具有較好的可行性與應用價值。教學實踐表明,融合研究性教學的汽車虛擬仿真教學平臺著眼于學生—教師—學校—社會廣義教育生態系統全局視角,學生、教師、學校、社會四方協同努力,共同建設、更新、優化汽車虛擬仿真教學平臺,實現資源共享,為我國汽車工業培養出獨立思考、動手能力強、有創新設計能力的人才。