面向新工科的汽车虚拟仿真实验中心探索与实践

胡 翼，侯献军，袁晓红

（武汉理工大学，湖北武汉 430070）

我国汽车产销量连续十一年位居全球第一，是稳增长、保就业、促消费的关键产业之一，汽车科技正向轻量化、电动化、智能化、网联化的方向发展，同时积极响应国家“碳达峰、碳中和”的战略目标，成为了新一轮科技革命交叉融合的战略高地。随着产业升级和科技发展，汽车工程类知识体系的交叉广度和融合深度迅速扩展，汽车类专业的培养方向也应及时调整为以“轻量化、电动化、智能化、网联化”为代表的新一轮科技革命驱动下的产业需求，进一步做好国家战略发展和行业升级的支撑。

教育部高教司于2016 年首次提出新工科概念后，经过反复调研及论证，于2017 年先后形成了“复旦共识”“天大行动”等指导性文件，推出一系列实施计划。随着新工科教学改革实践全面启动，汽车虚拟仿真实验中心作为聚焦学生创新能力培养的重要平台，对其面向新工科的学科交叉与创新能力的融合培养方面提出了新的要求。

一、面向新工科的虚拟仿真实验中心发展方向探索

（一）汽车虚拟仿真实验教学应融入面向新工科的交叉学科知识体系

在汽车科技成为新一轮科技革命交叉融合的战略高地的大背景下，汽车类专业工程人才的培养方向转变为以新工科建设为导向，突出于学科交叉特色，结合社会对新能源、新技术、新材料等方面的复合型人才实际需求，在汽车、机械、电子控制、新能源技术、材料科学等学科的交叉融合中培养应用型工程人才[1]。由于汽车工程的知识体系的交叉广度和融合深度扩展速度加快，亟需紧密结合社会、经济及国家安全等各领域的新技术与产业的发展趋势，利用信息化、互联网等虚拟技术，将新能源、智能网联、汽车电子控制和材料科学方面的知识点融入实验教学体系中。

汽车虚拟仿真实验教学应融合以新工科建设为导向的学科交叉型的知识体系，实验内容的设计要充分结合汽车科技轻量化、电动化、智能化、网联化，搭建一个多样化、复杂化、身临其境的虚拟仿真实验平台，实现一些线下实验难以完成的实验内容，同时实现实验开发与资源共享，进一步拓展学生多学科交叉融合的视野。

（二）汽车虚拟仿真实验教学应融入面向新工科的多维度能力培养要求

为了支撑快速发展的新经济，达成培养新型工程创新人才的最终目标，应在教学中保持国家级虚拟仿真实验中心建设的“初心”，将培养目标聚焦实践能力和创新能力提升。伴随着新工科立足新业态需求，新工科实践教学模式包含了工科教育中的新模式、新方法、新内容，倡导虚拟仿真实验教学在新工科教育模式的基础架构下发展与推广实施[2]。

武汉理工大学汽车虚拟仿真中心建设初期凭借信息化技术，融合了新工科教育模式下的新方法、新内容，教学体系建构3 个层次：基础训练层、技能提升层及创新创业层[3]。实验室的建设实践在既能满足低年级学生学习汽车相关联的机械工程基础、工程实验等领域专业知识和基本技能的学习需要，又能够满足高年级学生开展学科竞赛、工程问题研究及创新能力训练的要求的基础上，按照新工科建设的要求，从实验室建设理念、实验平台构建和实验教学体系等方面进行逐步拓展，通过实验内容、方法的优化和创新，进一步培养学生专业能力、通用能力、综合素质等多元能力。

虚拟仿真实验应充分应用Matlab、Labview、3D 仿真、VR 虚拟现实、AR 增强现实等技术创造一些沉浸式教学环境，教学方法中融入任务实验、综合型实验、探究式实验，同时以校企联合项目为抓手，结合虚拟仿真实验项目有条件地翻转教学对象、方法、程序等关键要素，使被动实践转化为主动实践，激发学生对实验设计的创新动机，进一步提升新工科多维度的能力[4]。

二、面向新工科的汽车虚拟仿真实验中心实践模式探索

（一）新工科汽车虚拟仿真实践模式

汽车虚拟仿真实验中心依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，从创新型人才培养目标整体出发，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，开发虚拟实验资源，同时本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，逐步建设了汽车构造虚拟仿真、汽车实验及性能虚拟仿真，以及汽车使用与服务虚拟仿真3 个实验教学平台。在此基础上，中心有的放矢地通过新工科教育模式下的新方法的应用，在实验设计中综合应用任务式、自主设计式、团队探究式等多种新方案及新方法，着力培养学生的创新实践能力和系统性思维，教学实施中积极引导学生进行线上线下相结合的实验，在网络上进行实验结果讨论与互助，构建分层次逐级递进的新工科多维度能力培养实验教学体系，见图1[5-8]。

图1 汽车虚拟仿真实验中心能力培养平台

中心围绕以新工科建设为导向的汽车类交叉学科的专业培养方向，在实验平台构建、实验教学体系及虚拟项目建设等方面，吸纳汽车产业新生态中的新能源、智能网联、汽车电子等新技术、新成果等代表新工科发展方向的交叉学科元素，系统有序地建设了3 个平台、14 个虚拟仿真实验教学项目及50 个资源，见表1、表2、表3。

表1 汽车构造实验虚拟仿真平台

表2 汽车实验与性能平台

表3 汽车使用与服务虚拟平台

（二）面向新工科虚拟仿真技术创新实验案例

1.新能源汽车结构与性能虚拟仿真实验

该教学内容中融合了汽车新生态中的新能源、汽车电控等交叉学科元素。其实验内容设计上包含了新能源汽车结构认知和性能虚拟仿真实验两部分，包括常见的4种新能源汽车的布置形式、结构特点及每种类型汽车的基本工作原理和主要部件介绍等。学生可在资源首页界面选择进入结构认知或性能仿真。结构认知模块可实现常见的纯电动汽车、混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车等几种车型的逐级部件拆解及部件装配，采用虚拟仿真呈现新能源汽车内部结构原理与性能，激发学生对汽车新技术与性能的深入理解[9]。

2.汽车制动虚拟仿真实验

该实验给学生提供一个以B/S 为架构的线上虚拟平台，并做好虚实结合，真实的道路实验一般局限于汽车制动效能，且受制于场地和内容深度问题制约，通过虚拟实验设计，实现汽车制动效能恒定性和稳定性等方面的教学内容和现象，显现了测试车辆不同工况的各种性能实验现象。为了能让每位学生直观形象地学习汽车制动实验过程中的相关知识，实验采用先进的虚拟仿真技术3D 和Lab view 进行对比分析，让学生可以较好地掌握汽车制动实验的准备、汽车制动国家标准和数据采集等相关专业知识，通过实验创新设计，开展结果做出分析、判断及决策等项目，在实验中应用了自主设计及团队探究式实验方案，着力训练学生新工科多维能力。

3.汽车虚拟营销实验

该实验可以让学生在一个模拟现实的商业环境中演练所学的汽车营销管理的理论和实验技术与管理技能，而不需要承担在现实中可能面对的风险。其基本思路是模拟汽车产业环境中多个企业因生产不同的汽车产品而相互竞争的氛围。学生分成多个小组，分别扮演各个虚拟企业的营销小组，进行营销竞争演练的同时，通过对产业经济环境和市场进行调研，完成市场调研报告。学生主动理解和体验在课堂上学到的各种营销及物流管理的理论、分析工具和操作方法，自觉地从战略高度考虑问题，并且在模拟的过程中不断地分析市场环境、分析对手的策略，然后组织实施和修正自己的营销管理策略[10]。

三、汽车虚拟仿真实验中心发展阶段性成果

虚拟仿真实验中心坚持开展校企合作，依托武汉理工大学—上汽通用五菱国家级工程实践教育中心和东风汽车集团等校外实习基地，构建了包含校内实验基地在内的多元化实践平台，通过实施校企资源共享，协同各成员单位可提供的共享资源、互补资源、有偿资源，共建联盟，实现资源利用效益的最大化。通过构建校企协同育人机制，围绕以新工科为导向的专业人才的社会需求，与企业共同修订人才培养标准，对相关实践课程及专业课程进行开发，逐步建设完成了省级一流课程“汽车动力性虚拟仿真实验”、校级一流课程“新能源汽车结构与性能虚拟仿真实验”等课程。

在教学研究方面，本中心主要结合虚拟仿真实验教学工作，以协同育人项目为发展抓手，主要围绕教育部产学合作协同育人项目及国家新工科项目，通过构建校企协同育人机制，在教研实践中充分挖掘和合理设计，开展了包括国家第二批新工科项目“汽车类专业产学研融合创新教学模式研究与探索”1 项、省级教研项目“新工科背景下汽车服务工程专业人才培养模式研究”“双一流建设下的高校学科交叉的探索与实践”2 项在内的30 项教学研究项目申报和建设工作。

在国家汽车新科技的创新驱动发展战略下，汽车虚拟仿真实验中心围绕满足新工科发展方向的汽车交叉学科专业知识，践行新工科“融合创新”教育理念，运用先进信息化技术，借助新工科为导向的科研成果转化为虚拟实验资源的快速通道,保证虚拟实验项目的先进性,为汽车类专业的实践教学和创新型人才培养提供新的模式和理念。