基于虚拟仿真的“内燃机原理”实验慕课探索与实践

何旭　张卫正　杨青

摘 要 实验教学是“新工科”专业培养创新型人才的重要途径。本研究针对能源与动力专业核心课程“内燃机原理”传统实验教学存在的观摩为主、无法独立操作、难以开展极限条件研究、进行自主探索等问题，采用先进的虚拟仿真技术，建设“内燃机原理”实验慕课。通过对真实实验场景的重现，学生可以对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程，在复习和巩固理论课学习成果的同时，掌握开展内燃机性能实验的基本技能。在此基础上，通过课后自主实验设计，进行探索式研究，并结合课堂理论教学环节的讨论分析，展示实验结果。该课程已被认定为“国家虚拟仿真实验教学项目”，具有良好的应用前景，不但对“新工科”背景下的研究型教学进行了有益的探索和尝试，也可为虚拟仿真教学资源建设提供参考依据。

关键词 新工科 虚拟仿真实验 慕课

中图分类号：G424                                 文献标识码：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”是在当前国际竞争新形势和国家发展战略新需求下应运而生的教育改革的重大战略选择，以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为目标，对高校传统工科专业课程的教学模式提出了新的要求。[1]近期多家高校纷纷出台“双一流”大学建设方案，将培养拔尖创新人才提高到前所未有的高度。通过围绕“强化基础、突出实践、提升能力、面向创新”的特色培养理念，采用高科技手段，促进科研与教学深度互动，开展研究型教学，探索不同模式下的“新工科”人才培养途徑。[2]

实验教学是“新工科”专业培养创新型人才的重要途径，在巩固验证理论知识的同时，还具有培养学生探索未知世界的方法、勇气、创新能力和其他综合素质的功能。当期计算机技术快速发展，云计算、“互联网+”、虚拟现实等现代化信息技术为“新工科”实验教学提供了全新的教学手段。2017 年4 月，教育部高教司发布的《“新工科”建设行动路线》中明确指出，要充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式。目前教育部已经认定国家虚拟仿真实验教学一流课程400余项，逐步形成实验教学领域专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学体系，推进信息技术、人工智能等新技术与教育行业的深度融合，促进教学改革的不断深化。[3，4]

针对“新工科”背景下国家对创新型人才的培养需求，在北京理工大学在能源与动力工程专业核心课程“内燃机原理”中，引入虚拟仿真实验慕课课程建设，并进行研究型教学模式探索，使学生在理解和掌握内燃机基本理论与实验方法的基础上，突破时间和空间的束缚，自主进行实验设计并开展实验研究，以培养其解决复杂工程问题的能力。

1 建设意义

1.1 “内燃机原理”是能源与动力工程专业课程学习的核心课程

能源与动力工程专业是北京理工大学重点发展的专业，为我国汽车工业和国防动力领域培养输送了大量人才。“内燃机原理”是本专业的核心必修课程，是专业教学的重中之重。该课程知识体系庞杂，以大量实验为基础，对实验技能和实验条件具有较高要求，是一门理论与实践并重的综合性专业课程。

在“新工科”创新型人才培养的大背景要求下，在保证理论教学效果的同时，通过“内燃机原理”实验教学，使学生获得以下方面的能力：

（1）能够了解和掌握内燃机工作和测试实验所需仪器设备的原理、测试流程和操作规范，并对获取数据开展误差分析;

（2）综合运用热力学、流体力学、燃烧学等基础知识，和内燃机原理相结合，对内燃机工作过程进行解析;

（3）可以应用专业知识和相关软件，利用实验平台，独立自主開展研究型课题研究，总结特点和规律，并解释分析其背后的机制;

（4）具备团队合作的意识，可以进行项目规划、管理和实施，并通过口头或书面方式展示相关研究成果。

1.2采用虚拟仿真技术是提升实验教学效果的有力保障

内燃机性能实验是能源与动力工程专业教学中的重要实践环节，但传统的内燃机实验教学面临以下难题：测控系统复杂，难以独立操作，实验设备的台套数与学生数量矛盾突出，实验过程以观摩为主;从安全角度考虑，学生无法在内燃机运转中进入设备间近距离观察内燃机工作状态，了解运行机制;受环境边界条件限制，难以开展极限条件下（如高温、高寒、高海拔等）实验测试。

开展以虚拟仿真实验为特色的“内燃机原理”慕课实验教学，并采用以学生为中心的探索性研究型教学模式，既可以开阔学生视野，生动课堂，增强学生对内燃机知识的理解，培养解决实际问题的能力，又可以激发学生学习兴趣，有助于学生养成善于尝试和探索规律的习惯。为学生以后从事内燃机相关产品的设计、开发和研究等方面的工作奠定必要的基础。

1.3以学生为中心的研究型教学模式是未来发展的必然趋势

近年来，学生和教师在教与学的角色上起到了很大的变化，逐渐从传统的教师单向讲述灌输，向以学生为中心，自主探索转变。在虚拟仿真实验过程中，可以设计需要学生独立思考完成的内容，通过循序渐进引导与自主研究探索相结合，进一步提升了学生实验过程的参与度和主动性，在这个过程中进一步复习和巩固理论知识。并且根据不同研究方向，设置开放性课题，由学生选择，并进行相应的实验设计与自主测试，进而达到提升学生实验研究能力和解决复杂工程问题能力的目的。

2 课程目标

为了进一步加强本科生创新意识与实践能力，提高本科生的培养质量，培育具有国际视野的行业领军人才，“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课以“夯实知识基础，拓宽应用视野，提高工程能力，引领工程创新”为指导思想，以期达到以下目标：

（1）在“内燃机原理”理论教学中实践性较强的环节，采用先进计算机网络技术、多媒体技术和VR技术，建设与之匹配的虚拟仿真实验课程。学生通过开展虚拟仿真实验，沉浸式体验真实场景，生动有趣地完成教学实践环节，并进一步掌握内燃机工作原理和实验研究方法。

（2）布置课后研究型课题，由学生利用虚拟仿真实验平台自主完成。然后以学生为中心，采用智慧课堂模式，通过教师引导、分组讨论、项目汇报等形式，进一步巩固相关知识内容，提高学生的实际分析问题、解决问题的能力。

（3）根据系统对学生知识掌握和实验技能的反馈，研究团队对教学实施过程进行全面的总结和分析，构建以能力培养为主线，课内外相结合、线上线下相配合的信息化、数字化实践教学体系，探索符合国际化工程教育和“新工科”理念的研究型教学改革新模式。

3 课程建设与实施

3.1 课程方案设计

首先需要对能源与动力工程专业最新培养方案的剖析，广泛开展需求调查，详细了解国家社会及教育发展需求、行业产业及职场发展需求、学校定位及发展目标考量、学生发展及家长校友期望、国内外同专业发展的现状。在此基础上，针对“内燃机原理”实践性较强的章节和知识点，采用模块化教学，将其封装成“知识罐头”，并匹配相应的虚拟仿真实验。在虚拟仿真实验设计过程中，紧扣专业培养目标，使课程与培养目标和培养要求直接联系起来，特别是安全意识培养、紧急情况应对、设备操作流程训练等方面，通过多种方式鼓励学生进行自由探索。虚拟仿真实验结束后，系统会根据学生操作行为和试验数据，对学习效果进行评价。如果达到既定要求，则可以进入下一轮次教学环节，如果没有达到既定要求，或者出现新问题，则需要重新进行查缺补漏，然后再投入新的教学实践。

3.2 内燃机虚拟仿真实验建设

针对“内燃机原理”的虚拟仿真实验慕课教学内容，采用先进计算机网络技术和沉浸式交互体验相结合，建设如图1所示的“内燃机测试虚拟仿真实验平台”，包括8个实验，共计16个学时。通过对现代化发动机实验室真实场景的重现，支持学生自主操作相关仪器和设备，在实验指导书引导下，对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程。

以GDI光学发动机燃烧测试虚拟仿真实验为例：在进入实验室之前，首先对学生进行安全教育，通过培训考试后，方可进入实验室。进入如图2所示的内燃机虚拟仿真实验室之后，学生需要对开展实验所需要仪器设备如测功机、温度传感器、压力传感器等进行认知，了解其工作原理、测试范围和精度，熟悉操作流程。然后参照实验大纲，运行光學发动机，获取缸内喷雾燃烧的图像和缸内压力数据，根据放热率公式，编写Matlab程序处理得到放热率曲线，将放热规律和喷雾燃烧图像相结合（如图3所示），全面了解汽油机工作特点。在此过程中，学生还可以近距离观察设备运行情况，应对机油泄露、水温过高、发动机超速等各种突发情况，尝试应用所需知识分析故障，解决问题，从而全面掌握开展内燃机性能实验的基本技能。实验过程中系统将自动记录实验过程中的学生过程操作与完成情况，并生成如图4所示的实验过程评价，将和课后实验报告一起作为本课程的考核依据。

课后学生选择研究型课题，设计实验方案，可以灵活选择时间，通过本地终端，远程访问服务器，进入虚拟仿真实验系统，根据需要开展相关实验项目，独立完成操作。“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课不受时间和空间的限制，通过逼真的实验场景重现，辅以图形文字介绍、声光音效、深度互动等手段，让学生身临其境，深入浅出地掌握实验相关原理、方法和操作步骤，对课堂理论教学起到良好的支撑作用。同时学生还可以根据自己的需要，对关键环节进行重复，直至掌握为止。

3.3 研究型教学模式探索

为了培养学生思辨能力，在虚拟仿真实验教学环节结束后，在课堂理论教学环节，将学生分为若干小组，对其研究型课题结果进行讨论分析，学会用基本原理解释不同的实验现象。在理论教学的基础上，将实验与理论课程有机融合，可以有效地培养了学生主动学习能力和创新思维，开展综合性与研究型研究，全面提升解决复杂工程问题能力。

4 结语

为培养“新工科”背景下的高素质复合型专业人才，北京理工大学能源与动力专业采用先进计算机网络技术和沉浸式交互体验相结合，建设“内燃机原理”虚拟仿真实验慕课，通过对真实实验场景的重现，支持学生自主操作设备，在实验指导书引导下，对设备进行认知和操作，独立完成全部实验过程，全面掌握开展内燃机性能实验的基本技能。在此基础上，通过自主实验设计和开放课题研究，结合课堂理论教学环节的讨论分析，对研究型教学进行了有益的探索和尝试。

该项目已被认定为“国家虚拟仿真实验教学项目”，在后续工作中，将进一步对其他兄弟院校开放，并服务于社会。通过多轮次的教学实践与应用迭代，持续完善虚拟实验内容、教学方法与评价体系，并在此基础上建设沉浸式VR虚拟实验室，进一步强化虚拟实验特色与参与效果，为“新工科”人才培养体系建设提供支持。

通信作者：张卫正

基金项目：北京理工大学网络在线课程建设专项（2018ZXJG004）、教育部产学合作协同育人项目（201902091016）

参考文献

[1] 李春梅，何洪，李元等. “新工科”背景下材料类专业“虚实互补”实验教学体系深化研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2020，45（04）：143-148.

[2] 吴钦，张晶，段冰凌等.面向新工科的《流体力学》课程思政教学模式研究与实践[J].科教导刊，2020（13）：115-116.

[3] 刘磊，张嘉鹭.“新工科”背景下工程机械类虚拟仿真实验教学资源建设[J].实验技术与管理，2021（01）：140-143.

[4] 黄开胜，王宏宇等.虚拟仿真实验教学课程建设指南（2020年版）[M].北京：高等教育出版社，2020.