车辆工程虚拟仿真教学平台建设及线上实验教学管理

（重庆理工大学车辆工程学院,重庆 400054）

0 引言

随着车辆工程领域的迅速发展，智能与新能源汽车等新技术不断涌现，给车辆工程实验教学带来极大困难。虚拟仿真教学手段在车辆工程领域的应用有助于解决上述困难[1]。重庆理工大学车辆工程实验教学示范中心拟在整合现有设备的基础上，建设覆盖车辆全生命周期的车辆工程虚拟仿真教学平台，并进行相应的线上教学方式改革。

1 虚拟仿真实验教学体系建设与课程改革思路

根据车辆工程学科人才培养需要，根据本科人才培养需要，坚持“虚实结合，能实不虚”的原则，针对本科实验教学中成本高、危险性大的实验项目展开虚拟仿真实验教学建设[2]；拟整合现有虚拟仿真实验教学资源，以满足汽车全生命周期教学需求为主线，建设汽车设计、汽车性能分析、汽车制造技术、汽车试验技术、汽车服务工程等五大虚拟仿真实验教学平台；每一虚拟仿真实验教学平台的建设内容均以车辆工程、热能与动力工程、汽车服务工程、工业工程相关核心课程实验需求为导向，对核心课程教学提供有力支撑；建立相应管理机构与管理制度，加强虚拟仿真实验教学人才队伍建设，建立功能完善、支撑有力的虚拟仿真实验教学信息化网络平台，切实提高虚拟仿真教学应用水平，将平台打造成为一流的车辆工程虚拟仿真实验教学中心。通过虚拟仿真资源进行实验课程线上教学改革与探索，建立功能完善、支撑有力的虚拟仿真实验教学网络化教学模式，切实提高虚拟仿真教学应用水平，提升人才培养质量[3]。

2 覆盖车辆全生命周期的虚拟仿真实验教学平台构建

虚拟实验平台的构建需要在现有实验教学资源的基础上进行合理规划，实验室目前已经具备的虚拟仿真实验教学资源包括：

（1）景格汽车构造虚拟装配系统。实验室目前拥有景格公司汽车构造虚拟装配虚拟实验系统一套，该虚拟实验系统采用虚拟仿真技术建立完整车辆模型及拆装工具等环境，学生可在虚拟环境中自行选择工具对虚拟车辆进行拆解和装配，可让学生在实际动手前熟悉车辆结构。

（2）汽车驾驶模拟仿真系统。该系统具备与实际车辆完全一样的方向盘、油门踏板、加速踏板、变速器操纵杆、手刹、灯光及雨刷控制装置等操纵装置，以显示器模拟车辆行驶外部环境和车辆运动，可以模拟车辆驾驶过程，让学生熟悉车辆驾驶操作。该仿真系统主要用于汽车驾驶实习前让学生熟悉车辆操作。通过该仿真系统的使用，可以让学生在驾驶实际车辆前熟悉车辆操作，缩短了驾驶实习时间，提高了驾驶实习实车的使用效率，同时降低了驾驶实习的危险系数，实际使用效果较好。

（3）车辆空气动力学与碰撞虚拟仿真系统。采用工作站模拟车辆空气动力学试验以及车辆碰撞试验等大型试验。学生可以通过计算机演示熟悉车辆空气动力学试验过程，观察试验结果，可以通过计算机模拟熟悉车辆碰撞试验过程，观察模拟计算的碰撞结果等。风洞试验及车辆碰撞试验设备昂贵，过程复杂，在教学中很难用真实设备进行演示，通过计算机进行仿真，能让学生直观地认识这些复杂的实验过程，并根据计算机仿真结果对实验结果进行观察，加深直观认识，使用效果较好。

车辆工程虚拟仿真实验教学中心拟建设汽车设计、汽车性能分析、汽车制造技术、汽车试验技术、汽车服务工程等五大虚拟仿真实验教学平台，每一虚拟仿真实验教学平台的功能及主要建设内容如下：

（1）汽车设计虚拟仿真实验教学平台。该平台主要支撑车辆工程、热能与动力工程、汽车服务工程、工业设计工程等专业本科及研究生汽车结构认知、设计等教学需要。平台包括：汽车结构虚拟装配系统、汽车外形与内饰虚拟设计系统等子模块。汽车结构虚拟装配系统：以景格虚拟拆装软件系统为基础进行完善，建立整车和发动机结构虚拟拆装实验平台，学生随时通过网络连接系统进行拆装，提高学生对车辆结构的认知水平。需要针对多种典型车辆和发动机结构，建立体系完整的汽车构造虚拟拆装平台。汽车外形与内饰虚拟设计系统：引进数据头盔、数据手套、高清投影机建立CAVE三维虚拟现实设计平台，对整车外观数字化设计方案评审、整车内饰数字化设计方案评审、汽车零部件外观设计的数字化设计方案评审、车身及内饰的数字化设计方案、汽车操纵界面的操作舒适性、汽车内外视野的主观评价提供支撑环境。

（2）汽车性能分析虚拟仿真实验教学平台。引进汽车驾驶模拟器和高清投影显示系统，建立汽车虚拟驾驶平台，对车辆自动驾驶控制与仿真、车辆动力学控制与仿真、汽车空气动力学分析与仿真、汽车结构强度与主动安全仿真分析等提供实验支撑环境。

（3）汽车制造技术虚拟仿真实验教学平台。对基本制造工艺、汽车制造四大工艺提供视频、模拟操作等虚拟教学资料。具体包括车、铣、刨、磨等基本加工工艺的虚拟仿真操作，数控机床的虚拟仿真与操作，汽车冲压、焊接、涂装、总装等四大工艺的视频及互动展示，为汽车制造技术教学提供有力的数字化支撑。

（4）汽车试验技术虚拟仿真实验教学平台。构建汽车动力与传动系统、车辆操纵稳定性、汽车振动等虚拟实验环境，提供基于虚拟仪器技术的实验测试环境，可以完成多种虚拟实验，为汽车理论、汽车电子与电器、内燃机原理、汽车试验学等多门核心课程提供虚拟教学手段。

（5）汽车服务工程虚拟仿真实验教学平台。引进景格软件和德国汽车检测诊断与故障模拟教学系统，可实现车辆各电控系统故障在线模拟与在线检测、故障排除等，对汽车服务工程教学提供虚拟仿真手段支撑。

3 以虚拟仿真实验为基础的线上实验教学管理

基于5大虚拟仿真实验教学平台，开展线上实验教学体系改革，包括：

（1）虚拟仿真实验线上教学硬件平台构建。引进数据手套、数据头盔、高清投影系统、CAVE虚拟现实系统、汽车模拟驾驶系统等设备，构建虚拟实验教学硬件支撑环境，为各子系统建设提供硬件平台支撑，这些系统也是虚拟仿真实验教学平台的亮点所在。

在虚拟与仿真运算平台方面，目前学院建设有车辆动态模拟虚拟仿真实验教学平台，拥有十余台工作站。结合各类虚拟仿真软件，该平台可以对车辆虚拟装配、空气动力学试验与仿真、车辆结构安全与碰撞仿真、车辆动力学仿真等方面进行虚拟演示与虚拟试验，让学生了解各种复杂的车辆试验过程。这些试验的实际设备往往非常昂贵，通过计算机模拟实验，既可以让学生了解车辆开发过程，又节约了成本，且教学效果和效率都大大提高。

该平台的工作站提供了强大的模拟与计算能力，可以以该平台为依托开发各类车辆仿真与模拟试验，为虚拟教学的开展提供了有力支撑。平台内的计算机通过局域网连接，可以联合运行与仿真，大大提高了信息化水平与仿真计算能力。计算机与外部网络不联网，保证了信息安全。

（2）虚拟仿真教学与管理人才队伍建设。车辆虚拟仿真实验主要适用于空气动力学、结构安全、车辆动力学仿真模拟等过程复杂，成本较高的试验，在这些方面，车辆学院都具有高水平的教师队伍。学院在车辆空气动力学仿真与模拟、车辆结构及安全仿真与模拟、车辆动力学仿真与模拟、车辆试验技术等方面都有以教授为核心的团队，各团队具有较强的工程实践经验及丰富的教学经验，人员构成合理，有利于将工程实践与教学需求相结合，开发出既符合工程实际又满足教学需求的虚拟仿真实验。

（3）虚拟仿真实验线上教学内容改革。根据5大教学平台的布局，以各专业实际教学需求合理制定虚拟教学项目，通过购买与自行开发等方式搜集虚拟实验素材与教学内容，丰富虚拟实验教学平台内容，对各专业核心课程教学提供有力的虚拟仿真实验教学支撑。

（4）虚拟仿真实验线上教学改革。依托学校力量，建设功能完善的虚拟实验教学信息化网络平台，对所有数字化仿真实验教学资源提供网络接入服务，建立学生网上接入虚拟实验教学资源、教学效果评价、提交实验报告等功能，为虚拟仿真实验教学提供有力的网络与信息化平台支撑。

4 总结

通过规划建设，建成覆盖车辆全生命周期的虚拟仿真实验教学平台，并形成与之相配套的信息化支撑平台、人员队伍、运行机制、教学运用，为车辆工程学科相关专业的本科及研究生实践教学提供有力支撑。该虚拟仿真教学平台弥补了采用实际设备进行教学中出现的台套数不足、建设资金短缺、缺乏适用教学设备、部分项目危险性大等不足，有利于车辆工程相关教学的顺利实施。