汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統設計與實踐

摘要 結合“新工科”建設和“雙碳”目標背景，文章圍繞汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統的設計與實踐開展相關研究工作。該系統包含發動機負荷特性實驗、速度特性實驗及尾氣雙怠速測量實驗等模塊，覆蓋多種發動機工況分析，旨在提升學生理論與實踐結合的能力、工程思維和創新意識。實踐結果表明，系統在提升實驗教學質量和學生學習效果方面具有顯著優勢，但也存在虛擬與現實結合不足、學生實際操作能力欠缺等問題。為此，文章提出了虛實結合、交互性優化及平臺持續改進的建議，為虛擬仿真技術在工程教育中的推廣應用提供了參考，為能源動力類專業人才培養提供了創新實踐方案。

關鍵詞 汽車發動機；性能實驗；虛擬仿真；實驗教學；教學實踐

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.07.026

新一輪科技革命和產業變革在“新工科”建設和“雙碳”目標的雙重驅動下加速演進，對能源動力領域創新人才能力的培養提出了更高的要求，對高校工程教育的改革與發展提出了新的挑戰[1]。現代工程教育強調“產學研結合”和“工程實踐”，尤其在能源動力類專業中，學生不僅需要掌握系統的專業理論知識，還要具備較強的實踐動手能力。在此背景下，工程教育強調通過實驗實踐教學培養學生的實際操作技能和工程思維，促進學生更好地將理論知識與實踐相結合，培養學生的創新能力和解決實際工程問題的能力。

實驗實踐教學作為能源動力類專業人才培養體系的重要環節，是培養學生工程實踐能力、科研創新意識和科學探索精神的基本途徑。然而，傳統的實驗實踐教學模式往往受限于設備、場地以及時間的限制，如汽車發動機性能實驗，發動機及測試設備昂貴，實驗設施的建設和維護成本高；實驗設備數量有限且班級人數較多，難以實現多次、系統性的實踐；實驗過程涉及高溫、高壓等危險因素，學生在操作過程中容易遇到安全風險。因此，基于參觀式學習、簡化模型演示、實際操作等形式的實體實驗已經無法滿足人才實踐能力培養的需求，亟須對當前傳統實驗實踐教學環節進行改革研究[2]。

1 虛擬仿真實驗教學的特點及優勢

虛擬仿真實驗教學作為一種創新的教育模式，近年來逐漸在各類工程教育中得到廣泛應用[3]。虛擬仿真實驗教學結合了計算機技術、虛擬現實、人工智能等先進技術，將虛擬的實驗場景、逼真的實驗對象、規范的操作流程以及靈活的師生互動等多個環節有機整合，構建數字化、系統化的虛擬實驗系統，從而實現安全、開發、高效的實驗教學目的[4]。相比于傳統的實驗教學，虛擬仿真實驗教學的優勢主要體現在以下幾個方面：①低成本：虛擬仿真實驗不需要昂貴的實驗設備、耗材，也不涉及高昂的維護費用，因此能夠顯著降低教學成本，使實驗教學更加普及和可持續[5]。②操作安全：虛擬仿真可以模擬出復雜和危險的實驗環境，學生可以在完全安全的環境下進行操作，避免了傳統實驗中可能出現的事故。③靈活高效：虛擬仿真實驗能夠隨時隨地進行，學生可以根據需要重復實驗，提升了學生的學習效率。④多場景模擬：以汽車發動機性能實驗為例，虛擬仿真可以涵蓋多種發動機運行狀態，包括不同工況下的動力輸出、油耗、排放等參數的變化，學生能夠更加全面地理解發動機的性能特征[6]。

鑒于虛擬仿真實驗教學在經濟性、安全可靠性以及靈活高效等方面的優勢，湖南大學機械工程國家級實驗教學示范中心結合“熱動力設備排放污染及控制”“能源動力裝置”“內燃機學”等課程的實驗教學需求，開發了汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統，打破傳統實驗中時間、空間、設備等限制，通過可視化、交互式的學習平臺為學生提供生動、形象的實驗體驗，不僅有利于加深學生對汽車發動機性能的理解，還能提升學生的工程實踐能力和解決實際問題的能力。本文將圍繞汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統，從系統設計、教學實踐、教學反思等方面進行研究與探索，為推動虛擬仿真技術在實驗教學中的應用提供參考。

2 汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統設計

2.1 教學目標

2.1.1 知識目標

能夠讓學生掌握汽車發動機性能的基本理論，理解功率、扭矩、燃油經濟性、排放等關鍵性能指標的定義及其物理意義；熟悉汽車發動機性能測試的測量原理及其在實際工況下的應用；理解虛擬仿真平臺的結構與工作流程，學習虛擬仿真技術在汽車發動機性能研究中的優勢和應用場景。

2.1.2 技能目標

學生通過汽車發動機性能虛擬仿真實驗的訓練，能夠獨立操作虛擬仿真平臺，完成汽車發動機性能數據的仿真與分析；具備處理實驗數據的能力，能夠對實驗結果進行合理的解釋與評價，并能提出改進意見；通過仿真實驗，分析并解決發動機性能優化中的具體問題。

2.1.3 綜合目標

培養學生將理論知識與實踐相結合的能力，通過虛擬仿真實驗設計、執行和分析，提升實際操作能力；鼓勵學生在實驗過程中提出創新性的改進建議，為汽車發動機性能優化提供新思路；通過分組實驗，提高學生的團隊協作能力與溝通表達能力。

2.2 技術要求

本系統是針對能源與動力工程、車輛工程等相關專業配套開發的可在線開展的汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統，課程模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境。為保證系統的擴展性，采用國際領先的Unity3D 引擎開發而成，可支持同時在線人數500 人以上。系統提供快捷視窗欄，便于學生快速切換到對應視角進行操作或觀察實驗現象。系統交互性良好，學生使用鼠標和鍵盤即可完成實驗操作。

2.3 實驗模塊

汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統可完成的實驗項目包括發動機負荷特性實驗、發動機速度特性實驗以及汽車尾氣雙怠速測量實驗。

2.3.1 發動機負荷特性實驗

發動機負荷特性實驗是在發動機轉速一定的條件下，測量不同節氣門或油門開度下的功率、燃油消耗量（單位時間）、燃油消耗率（單位功率）等，并繪制燃油消耗量和燃油消耗率隨功率變化的曲線。發動機負荷特性虛擬仿真實驗項目是以真實發動機負荷特性實驗臺為藍本，依據完整的設計圖紙和現實實景，利用三維數字化建模技術建立的發動機負荷特性實驗臺全景數字模型，構建與真實發動機負荷特性實驗臺一致的虛擬環境（如圖1 所示），使學生能夠掌握發動機負荷特性實驗的基本方法與技能，加深對發動機燃油消耗量、燃油消耗率、有效功率等相關知識點的理解。

2.3.2 發動機速度特性實驗

發動機速度特性是指當燃料供給調節機構位置固定不變時，發動機性能參數（扭矩、功率、燃油消耗率等）隨轉速改變而變化的特性，此特性可以通過發動機在試驗臺上（例如測功器試驗臺）進行試驗而求得。發動機速度特性虛擬仿真實驗通過構建測功器、工控機、發動機、水溫儀、油溫儀、油門執行儀等設備的數字模型，調用發動機性能實驗數據庫并基于相關公式計算得到燃油消耗率和功率等性能指標，從而獲得不同油門開度下發動機速度的特性曲線，本實驗模塊可完成汽油機和柴油機速度特性實驗。學生通過完成發動機速度特性虛擬仿真實驗，熟悉了解實驗相關設備的名稱、作用機工作原理等基本知識，掌握發動機速度特性的實驗方法并進一步理解發動機性能參數隨轉速變化的規律。

2.3.3 汽車尾氣雙怠速測量實驗

汽車尾氣雙怠速測量實驗是在怠速工況和高怠速工況下測量汽車尾氣排放污染物的數值，具體實驗步驟為：首先，怠速工況下測量汽車尾氣排放污染物數值；隨后，將汽車轉速提高至70%額定轉速，待轉速穩定后（30～60 秒），減速至高怠速狀態，再次測量汽車尾氣排放污染物數值，即可完成測量實驗。汽車尾氣測量虛擬仿真實驗可實現普通工況、怠速工況以及雙怠速工況下的汽車尾氣排放污染物測量，學生通過完成汽車尾氣雙怠速測量虛擬仿真實驗，可熟悉雙怠速實驗條件及方法，了解不同轉速工況對尾氣排放污染物濃度影響的規律。

2.4 實驗流程

在開展汽車發動機性能虛擬仿真實驗前，學生須完成相應課程的理論學習，了解發動機主要性能參數以及性能實驗的主要原理，并完成相應虛擬仿真實驗項目的預習報告。汽車發動機性能虛擬仿真平臺安裝在實驗室內每臺單機電腦上，學生選擇相應實驗項目的執行文件并輸入注冊碼信息即可進入虛擬仿真系統。另外，在進行汽油機和柴油機性能特性實驗切換時，需要更換性能實驗數據庫。進入虛擬仿真實驗系統后，學生可通過手動漫游熟悉認知實驗環境和臺架設備；然后按照提示進行實驗具體操作（如啟動測功器、調節發動機轉速、調整扭矩、安裝高壓點火線、操作排氣分析儀等）；重復前述操作，獲得不同工況下的實驗數據并記錄，繪制相應的特性曲線并生成實驗報告。汽車發動機性能虛擬仿真實驗流程圖2 所示。

3 汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學實踐

為了實現創新能力強的復合型人才培養目標，優化課程設置、調整教學課時是高校教學改革的必然趨勢。隨著教育教學改革的深入，湖南大學對能源與動力工程專業的培養方案進行了較大的調整，導致汽車發動機相關的實驗課時減少，傳統的汽車發動機性能實驗無法在縮減后的課時條件下完成。采用汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統，不僅可以大大減少實驗前臺架準備工作，同時還能縮短發動機轉速、扭矩等調節時間，能夠在較短的實驗課時條件下讓學生掌握發動機性能實驗的相關方法和技能。下面以“熱動力設備排放污染及控制”課程相應的“汽車尾氣雙怠速測量實驗”為例，介紹汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統在實驗教學中的應用。

學生進入“汽車尾氣雙怠速測量實驗”模塊后（圖3，p86），可以通過鼠標和鍵盤上的“←”“↑”“→”“↓”控制實驗設備（如引擎蓋、舉升器、取樣探頭等）以及車輛的行進與退后；根據系統提示，相繼完成開啟引擎蓋、安裝轉速傳感器、測量油溫和水溫以及取樣探頭拍照等步驟；完成怠速工況的操作后，將汽車轉速提高至70%額定轉速，待轉速穩定后（30～60 秒），減速至高怠速狀態，即可得到高怠速和怠速工況下汽車尾氣排放物的實驗數據；記錄實驗數據，并結合實驗過程中的提示完成實驗報告。

汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統試運行時，考慮到學生學習任務重，課程組開發了實驗報告自動生成客戶端，學生在完成虛擬仿真實驗后可一鍵自動生成實驗報告。但是，在教學過程中發現有部分學生因為可自動生成實驗報告，使得其在實驗過程中操作不規范且不認真閱讀系統提示，導致對實驗步驟及原理的理解與認知不足。為此，課程組取消了實驗報告自動生成功能并要求學生根據實驗操作過程及實驗數據線下完成實驗報告，實驗報告內容包括實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟以及數據分析與處理。一方面，可以督促學生認真對待實驗操作過程，詳細了解實驗步驟及注意事項；另一方面，針對數據分析與處理，學生需要結合理論課程并查找相關文獻資料，這樣可以進一步鞏固所學的知識點。

4 虛擬仿真實驗對教學的價值與反思

虛擬仿真實驗打破了時間和空間的限制，減少了實驗設備與耗材的支出成本，降低了實驗過程的危險性，可視化的動態學習環境有助于學生對抽象理論知識的理解，通過視覺與聽覺等多種感官的結合提高學生的參與度和學習興趣，有利于提升實驗實踐教學質量，為創新型人才的培養奠定基礎。但是，在汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學實踐過程中存在一些問題，比如虛擬仿真實驗難以完全替代真實實驗的觸覺與感知體驗，影響學生對實驗設備的實際操作能力；過度依賴虛擬仿真實驗可能導致學生忽視真實實驗的重要性，缺乏動手能力；虛擬仿真實驗需要高質量的硬件和穩定的軟件平臺，定期維護和設備更新的挑戰較大；學生參照系統提示進行實驗操作，師生互動頻次降低。

虛擬仿真實驗體現了數字化與智能化教育的方向，符合現代教學發展的需求。為了推動虛擬仿真技術在實驗實踐教學中的廣泛應用，還需要將虛擬仿真實驗與傳統實驗相結合，取長補短，以彌補單一模式的不足，提升實驗教學效果；注重虛擬仿真實驗內容的科學性和互動性設計，增強學生的參與感和學習效果。

5 結語

虛擬仿真實驗作為現代教育技術與工程教育相結合的重要形式，通過數字化、智能化的實驗方式，為學生提供了安全、高效、靈活的學習體驗，顯著提升了教學質量和效果，具有顯著的優勢和廣闊的發展前景。本文圍繞汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統，詳細介紹了該系統開發設計的教學目的、技術要求、實驗模塊以及實驗流程，并對實驗教學實踐過程中發現的問題進行反思，在推動虛擬仿真技術在實驗教學中的應用時需要堅持虛實結合，以虛補實，提升實驗系統的交互性和學生的參與感。為了提高實驗教學質量，汽車發動機性能虛擬仿真實驗教學系統仍需不斷改進和創新，為能源動力類特別是汽車工程領域的創新人才培養提供有力支撐。

*通信作者：鄂加強

基金項目：2024 年教育部實驗教學和教學實驗室建設研究項目“面向能源動力專業創新人才培養的‘三鏈融合’貫通式實驗實踐教學體系研究”（SYJX2024-145）；2023年湖南省學位與研究生教學改革研究“碳中和背景下強化部屬高校能源動力類研究生科研創新與實踐能力培養的實踐與探索”（2023JGYB082）。

參考文獻

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