基于虛擬仿真的“內(nèi)燃機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n探索與實(shí)踐

何旭　張衛(wèi)正　楊青

摘 要 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“新工科”專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。本研究針對能源與動力專業(yè)核心課程“內(nèi)燃機(jī)原理”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的觀摩為主、無法獨(dú)立操作、難以開展極限條件研究、進(jìn)行自主探索等問題，采用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)“內(nèi)燃機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n。通過對真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的重現(xiàn)，學(xué)生可以對設(shè)備進(jìn)行認(rèn)知和操作，獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)過程，在復(fù)習(xí)和鞏固理論課學(xué)習(xí)成果的同時，掌握開展內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的基本技能。在此基礎(chǔ)上，通過課后自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行探索式研究，并結(jié)合課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)的討論分析，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該課程已被認(rèn)定為“國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，具有良好的應(yīng)用前景，不但對“新工科”背景下的研究型教學(xué)進(jìn)行了有益的探索和嘗試，也可為虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 新工科 虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 慕課

中圖分類號：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.11.042

Research and Practice of "Principles of Internal Combustion Engines" Experimental MOOC Based on the Virtual Simulation Technology

HE Xu， ZHANG Weizheng， YANG Qing

（Beijing Institute of Technology， School of Mechanical Engineering， Beijing 100081）

Abstract Experimental teaching is an important way to cultivate innovative talents in the "new engineering". The traditional experimental teaching of the core course "Principles of Internal Combustion Engines" for the energy and power engineering has some problems. Students observe too much but lack the chance to operate independently. It is also difficult to carry out extreme condition research and independent exploration. This research aims to construct "Principles of Internal Combustion Engines" experimental MOOC by using advanced virtual simulation technology. Students can reproduce the real lab to recognize and operate the equipment， implement the whole experiment independently， and master the basic skills of carrying out internal combustion engine performance experiments while reviewing and consolidating the learning results of theoretical courses. On this basis， exploratory research is carried out through independent experimental design after class， combined with the discussion and analysis of the theoretical teaching course， and the experimental results are shown. This MOOC has been recognized as a "National Virtual Simulation Experimental Teaching Project" and has good application prospects. It not only makes useful explorations and attempts on research-based teaching under the background of "new engineering"， but also provides resources for the construction of virtual simulation teaching.

Keywords new engineering; virtual simulation experiment; MOOC

0 引言

“新工科”是在當(dāng)前國際競爭新形勢和國家發(fā)展戰(zhàn)略新需求下應(yīng)運(yùn)而生的教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)，對高校傳統(tǒng)工科專業(yè)課程的教學(xué)模式提出了新的要求。[1]近期多家高校紛紛出臺“雙一流”大學(xué)建設(shè)方案，將培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才提高到前所未有的高度。通過圍繞“強(qiáng)化基礎(chǔ)、突出實(shí)踐、提升能力、面向創(chuàng)新”的特色培養(yǎng)理念，采用高科技手段，促進(jìn)科研與教學(xué)深度互動，開展研究型教學(xué)，探索不同模式下的“新工科”人才培養(yǎng)途徑。[2]

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“新工科”專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，在鞏固驗(yàn)證理論知識的同時，還具有培養(yǎng)學(xué)生探索未知世界的方法、勇氣、創(chuàng)新能力和其他綜合素質(zhì)的功能。當(dāng)期計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代化信息技術(shù)為“新工科”實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了全新的教學(xué)手段。2017 年4 月，教育部高教司發(fā)布的《“新工科”建設(shè)行動路線》中明確指出，要充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式。目前教育部已經(jīng)認(rèn)定國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程400余項(xiàng)，逐步形成實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域?qū)I(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，推進(jìn)信息技術(shù)、人工智能等新技術(shù)與教育行業(yè)的深度融合，促進(jìn)教學(xué)改革的不斷深化。[3，4]

針對“新工科”背景下國家對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求，在北京理工大學(xué)在能源與動力工程專業(yè)核心課程“內(nèi)燃機(jī)原理”中，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n課程建設(shè)，并進(jìn)行研究型教學(xué)模式探索，使學(xué)生在理解和掌握內(nèi)燃機(jī)基本理論與實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，突破時間和空間的束縛，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并開展實(shí)驗(yàn)研究，以培養(yǎng)其解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 建設(shè)意義

1.1 “內(nèi)燃機(jī)原理”是能源與動力工程專業(yè)課程學(xué)習(xí)的核心課程

能源與動力工程專業(yè)是北京理工大學(xué)重點(diǎn)發(fā)展的專業(yè)，為我國汽車工業(yè)和國防動力領(lǐng)域培養(yǎng)輸送了大量人才。“內(nèi)燃機(jī)原理”是本專業(yè)的核心必修課程，是專業(yè)教學(xué)的重中之重。該課程知識體系龐雜，以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)條件具有較高要求，是一門理論與實(shí)踐并重的綜合性專業(yè)課程。

在“新工科”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的大背景要求下，在保證理論教學(xué)效果的同時，通過“內(nèi)燃機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生獲得以下方面的能力：

（1）能夠了解和掌握內(nèi)燃機(jī)工作和測試實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備的原理、測試流程和操作規(guī)范，并對獲取數(shù)據(jù)開展誤差分析;

（2）綜合運(yùn)用熱力學(xué)、流體力學(xué)、燃燒學(xué)等基礎(chǔ)知識，和內(nèi)燃機(jī)原理相結(jié)合，對內(nèi)燃機(jī)工作過程進(jìn)行解析;

（3）可以應(yīng)用專業(yè)知識和相關(guān)軟件，利用實(shí)驗(yàn)平臺，獨(dú)立自主開展研究型課題研究，總結(jié)特點(diǎn)和規(guī)律，并解釋分析其背后的機(jī)制;

（4）具備團(tuán)隊(duì)合作的意識，可以進(jìn)行項(xiàng)目規(guī)劃、管理和實(shí)施，并通過口頭或書面方式展示相關(guān)研究成果。

1.2采用虛擬仿真技術(shù)是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的有力保障

內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)是能源與動力工程專業(yè)教學(xué)中的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨以下難題：測控系統(tǒng)復(fù)雜，難以獨(dú)立操作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的臺套數(shù)與學(xué)生數(shù)量矛盾突出，實(shí)驗(yàn)過程以觀摩為主;從安全角度考慮，學(xué)生無法在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)入設(shè)備間近距離觀察內(nèi)燃機(jī)工作狀態(tài)，了解運(yùn)行機(jī)制;受環(huán)境邊界條件限制，難以開展極限條件下（如高溫、高寒、高海拔等）實(shí)驗(yàn)測試。

開展以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為特色的“內(nèi)燃機(jī)原理”慕課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并采用以學(xué)生為中心的探索性研究型教學(xué)模式，既可以開闊學(xué)生視野，生動課堂，增強(qiáng)學(xué)生對內(nèi)燃機(jī)知識的理解，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力，又可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生養(yǎng)成善于嘗試和探索規(guī)律的習(xí)慣。為學(xué)生以后從事內(nèi)燃機(jī)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和研究等方面的工作奠定必要的基礎(chǔ)。

1.3以學(xué)生為中心的研究型教學(xué)模式是未來發(fā)展的必然趨勢

近年來，學(xué)生和教師在教與學(xué)的角色上起到了很大的變化，逐漸從傳統(tǒng)的教師單向講述灌輸，向以學(xué)生為中心，自主探索轉(zhuǎn)變。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，可以設(shè)計(jì)需要學(xué)生獨(dú)立思考完成的內(nèi)容，通過循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合，進(jìn)一步提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的參與度和主動性，在這個過程中進(jìn)一步復(fù)習(xí)和鞏固理論知識。并且根據(jù)不同研究方向，設(shè)置開放性課題，由學(xué)生選擇，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與自主測試，進(jìn)而達(dá)到提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究能力和解決復(fù)雜工程問題能力的目的。

2 課程目標(biāo)

為了進(jìn)一步加強(qiáng)本科生創(chuàng)新意識與實(shí)踐能力，提高本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，培育具有國際視野的行業(yè)領(lǐng)軍人才，“內(nèi)燃機(jī)原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n以“夯實(shí)知識基礎(chǔ)，拓寬應(yīng)用視野，提高工程能力，引領(lǐng)工程創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想，以期達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）在“內(nèi)燃機(jī)原理”理論教學(xué)中實(shí)踐性較強(qiáng)的環(huán)節(jié)，采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和VR技術(shù)，建設(shè)與之匹配的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。學(xué)生通過開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，沉浸式體驗(yàn)真實(shí)場景，生動有趣地完成教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步掌握內(nèi)燃機(jī)工作原理和實(shí)驗(yàn)研究方法。

（2）布置課后研究型課題，由學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺自主完成。然后以學(xué)生為中心，采用智慧課堂模式，通過教師引導(dǎo)、分組討論、項(xiàng)目匯報(bào)等形式，進(jìn)一步鞏固相關(guān)知識內(nèi)容，提高學(xué)生的實(shí)際分析問題、解決問題的能力。

（3）根據(jù)系統(tǒng)對學(xué)生知識掌握和實(shí)驗(yàn)技能的反饋，研究團(tuán)隊(duì)對教學(xué)實(shí)施過程進(jìn)行全面的總結(jié)和分析，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為主線，課內(nèi)外相結(jié)合、線上線下相配合的信息化、數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)體系，探索符合國際化工程教育和“新工科”理念的研究型教學(xué)改革新模式。

3 課程建設(shè)與實(shí)施

3.1 課程方案設(shè)計(jì)

首先需要對能源與動力工程專業(yè)最新培養(yǎng)方案的剖析，廣泛開展需求調(diào)查，詳細(xì)了解國家社會及教育發(fā)展需求、行業(yè)產(chǎn)業(yè)及職場發(fā)展需求、學(xué)校定位及發(fā)展目標(biāo)考量、學(xué)生發(fā)展及家長校友期望、國內(nèi)外同專業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，針對“內(nèi)燃機(jī)原理”實(shí)踐性較強(qiáng)的章節(jié)和知識點(diǎn)，采用模塊化教學(xué)，將其封裝成“知識罐頭”，并匹配相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，緊扣專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，使課程與培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)要求直接聯(lián)系起來，特別是安全意識培養(yǎng)、緊急情況應(yīng)對、設(shè)備操作流程訓(xùn)練等方面，通過多種方式鼓勵學(xué)生進(jìn)行自由探索。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生操作行為和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價(jià)。如果達(dá)到既定要求，則可以進(jìn)入下一輪次教學(xué)環(huán)節(jié)，如果沒有達(dá)到既定要求，或者出現(xiàn)新問題，則需要重新進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，然后再投入新的教學(xué)實(shí)踐。

3.2 內(nèi)燃機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

針對“內(nèi)燃機(jī)原理”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n教學(xué)內(nèi)容，采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和沉浸式交互體驗(yàn)相結(jié)合，建設(shè)如圖1所示的“內(nèi)燃機(jī)測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺”，包括8個實(shí)驗(yàn)，共計(jì)16個學(xué)時。通過對現(xiàn)代化發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)場景的重現(xiàn)，支持學(xué)生自主操作相關(guān)儀器和設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書引導(dǎo)下，對設(shè)備進(jìn)行認(rèn)知和操作，獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)過程。

以GDI光學(xué)發(fā)動機(jī)燃燒測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例：在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，首先對學(xué)生進(jìn)行安全教育，通過培訓(xùn)考試后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。進(jìn)入如圖2所示的內(nèi)燃機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之后，學(xué)生需要對開展實(shí)驗(yàn)所需要儀器設(shè)備如測功機(jī)、溫度傳感器、壓力傳感器等進(jìn)行認(rèn)知，了解其工作原理、測試范圍和精度，熟悉操作流程。然后參照實(shí)驗(yàn)大綱，運(yùn)行光學(xué)發(fā)動機(jī)，獲取缸內(nèi)噴霧燃燒的圖像和缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，根據(jù)放熱率公式，編寫Matlab程序處理得到放熱率曲線，將放熱規(guī)律和噴霧燃燒圖像相結(jié)合（如圖3所示），全面了解汽油機(jī)工作特點(diǎn)。在此過程中，學(xué)生還可以近距離觀察設(shè)備運(yùn)行情況，應(yīng)對機(jī)油泄露、水溫過高、發(fā)動機(jī)超速等各種突發(fā)情況，嘗試應(yīng)用所需知識分析故障，解決問題，從而全面掌握開展內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的基本技能。實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)將自動記錄實(shí)驗(yàn)過程中的學(xué)生過程操作與完成情況，并生成如圖4所示的實(shí)驗(yàn)過程評價(jià)，將和課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告一起作為本課程的考核依據(jù)。

課后學(xué)生選擇研究型課題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，可以靈活選擇時間，通過本地終端，遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)需要開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，獨(dú)立完成操作。“內(nèi)燃機(jī)原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n不受時間和空間的限制，通過逼真的實(shí)驗(yàn)場景重現(xiàn)，輔以圖形文字介紹、聲光音效、深度互動等手段，讓學(xué)生身臨其境，深入淺出地掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理、方法和操作步驟，對課堂理論教學(xué)起到良好的支撐作用。同時學(xué)生還可以根據(jù)自己的需要，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重復(fù)，直至掌握為止。

3.3 研究型教學(xué)模式探索

為了培養(yǎng)學(xué)生思辨能力，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)束后，在課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)，將學(xué)生分為若干小組，對其研究型課題結(jié)果進(jìn)行討論分析，學(xué)會用基本原理解釋不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)與理論課程有機(jī)融合，可以有效地培養(yǎng)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，開展綜合性與研究型研究，全面提升解決復(fù)雜工程問題能力。

4 結(jié)語

為培養(yǎng)“新工科”背景下的高素質(zhì)復(fù)合型專業(yè)人才，北京理工大學(xué)能源與動力專業(yè)采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和沉浸式交互體驗(yàn)相結(jié)合，建設(shè)“內(nèi)燃機(jī)原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n，通過對真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景的重現(xiàn)，支持學(xué)生自主操作設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書引導(dǎo)下，對設(shè)備進(jìn)行認(rèn)知和操作，獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)過程，全面掌握開展內(nèi)燃機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的基本技能。在此基礎(chǔ)上，通過自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開放課題研究，結(jié)合課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)的討論分析，對研究型教學(xué)進(jìn)行了有益的探索和嘗試。

該項(xiàng)目已被認(rèn)定為“國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”，在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步對其他兄弟院校開放，并服務(wù)于社會。通過多輪次的教學(xué)實(shí)踐與應(yīng)用迭代，持續(xù)完善虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)方法與評價(jià)體系，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)沉浸式VR虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)特色與參與效果，為“新工科”人才培養(yǎng)體系建設(shè)提供支持。

通信作者：張衛(wèi)正

基金項(xiàng)目：北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)在線課程建設(shè)專項(xiàng)（2018ZXJG004）、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201902091016）

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