虚拟仿真学科“金课”建设与实践

吴鹏 常远

摘要：近两年高等教育领域的热点词汇“金课”“水课”，以及教育部所提出的“淘汰水课、打造金课”的号召为新工科背景下教学内容的建设及实践提供了方向。鉴于此，本文以青岛理工大学的车辆工程专业为例，关注及探讨其如何利用虚拟仿真技术的沉浸性、交互性、虚幻性及逼真性建设具有开放型、网络化、多层次、综合性功能的车辆工程虚拟教学实验平台，以打造虚拟仿真学科金课。

关键词：虚拟仿真;金课建设;车辆工程专业

一、虚拟仿真金课的概念及建设要求

金课，即含金量高的课程，其有着两性一度（高阶性、创新性及挑战度）的标准，以及其目标是培养具有理论知识、应用能力及综合素质等高级思维的人才，[1]随着虚拟仿真技术的快速发展，互联网+力量及元素已渗透教育领域，而为虚拟仿真学科金课的建设及实践提供了方向，即利用高科技“智能”手段虚拟实境进行实景训练的实践。当前，已有部分高等教育院校通過建设型、网络化、多层次、综合性的车辆工程虚拟教学实验平台[2]，将以前处于分散且难以建立联系的诸如汽车理论、汽车设计、汽车安全等不同专业课的理论知识学习与教学实验融为相互支撑且虚拟仿真实验与实体实验互为补充的整体，以便在实验与实验、实验与教学课程等之间形成具有具有逻辑层次的系统概念，从而培养及强化学生理解及运用知识的能力。此外，虚拟仿真教学实验由于具有沉浸性、交互性、虚幻性及逼真性等优点，而可解决真实项目的场地、成本、安全等问题，促使学生在虚拟实境中完成各类实验，同时又有效地培养他们自主探索及研究的学习能力。

二、虚拟仿真金课的建设及实践

为了更为准确清晰地了解新工科建设背景下虚拟仿真技术如何助力于工科“金课”的建设及实践，本文以曾获得山东省特色专业、山东高水平应用型立项建设重点专业等荣誉的青岛理工大学的车辆工程专业为研究对象，重点探讨此专业如何借助虚拟仿真教学实验平台打造新工科背景下的“金课”。

（一）汽车电动助力转向虚拟实验

由于汽车电动助力转向系统的真实实验在便捷性方面存在不足，于是常采用虚拟实验替代它。同时在虚拟实验中，会通过传感器、控制器及执行机构等三大模块让学生了解EPS装配过程及其工作原理，助力特性曲线模式和转矩传感器工作模式。其中，EPS装配过程可利用CAD软件的三维建模功能，让学生自主装配，及在装配后通过模型动画演练EPS的工作原理。

（二）ABS＼ESC结构虚拟实验

ABS，是一种存在防滑、防锁等优点的防抱死制动安全系统。而ESC，则是基于ABS和牵引力控制（TCS）优点，并附加车辆转向行驶的横摆率传感器、侧向加速度传感器及方向盘转角传感器等部件，通过ECU控制前后、左右车轮的驱动力和制动力，确保车辆行驶的侧向稳定性的一种电子稳定控制系统。[3]由此可知，有关ABS＼ESC的真实实验，对于学生而言是一种在实境中具有较大危险的学习实践体验，故需要虚拟实验给予替代，并要求学生能够采用3D建模的方式，生动形象地展示ABS和ESC的运作原理，从而有效地掌握相关专业知识。

（三）汽车碰撞虚拟实验

汽车碰撞主要包括汽车爆胎，汽车正撞、侧碰、追尾、汽车刹车不及时等内容，其真实实验由于涉及到人身安全、汽车设备昂贵，汽车操作危险性搞，实验损坏不易修复等问题，而导致学生实验操作机会甚少，而且不敢深入实验，从而达不到预定的实验效果。鉴于此，汽车碰撞实验可借助虚拟仿真技术，通过真实还原汽车和实验场景，让学生直观地看到不同车速下车辆正面侧面碰撞的形变位移等，得出影响汽车碰撞的因子，从而有效降低汽车碰撞的概率。

结语

教育部针对当前高等教育课堂普遍存在的陈旧性、低阶性、不用心的水课，提出以建设具有高阶性、创新性、高挑战的金课给予取代，从而有效地调和传统高等教育课堂与新工科建设人才需求之间的矛盾。但是新工科背景下的“金课”建设及实践并非瞬间之事，而是一个长期的过程。鉴于此，本文以虚拟仿真技术的工科学科的应用为例，重点探讨它如何服务于工科学科之一的车辆工程专业，在提高学生工程理论及实践解决复杂问题能力的同时，实现金课的教学成效及价值内涵。

参考文献

[1]彭丽.应用型本科高校设计类专业"金课"建设教学改革研究[J].大观，2019（7）：156-157.

[2]江浩斌等，车辆工程虚拟仿真实验教学体系与平台的构建[J].实验室研究与探索2017（6）：114-117.

[3]张文春.第六章;汽车的操纵稳定性[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]程崇.电控汽车悬架系统之刍议[J].内燃机与配件，2019（3）：94-95.

[5]刘文婷，王波.基于虚拟样机技术的蛇行试验仿真分析[J].拖拉机与农用运输车，2010（2）：35-37.