新工科背景下汽车电控技术远程实验教学体系建设

2023-03-27赵耕云刘小斌

汽车实用技术 2023年6期

赵耕云，王佳，刘小斌，王珺，王彦

（兰州工业学院汽车工程学院，甘肃兰州 730050）

“新工科”概念自提出就强调将“大数据、云计算、人工智能”等先进技术应用于传统工科专业的升级改造，培养适合未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备高素质的复合型新工科人才。

汽车工业是我国经济发展最重要的支柱产业，汽车本身是多学科融合的产品，具有高度技术密集型特点，尤其是汽车电控技术，科技含量高，发展迭代快，应用范围广，不仅包括发动机电控技术，还包括底盘电控技术、车身电控技术等，已经成为衡量现代汽车技术发展水平的重要标志。

在我国大力推进“中国制造 2025”战略和汽车“电动化、智能化、网联化、共享化”发展的大背景下[1]，迫切需要采用计算机信息化网络化技术对汽车电控技术课程实验教学进行优化和补充，解决实验教学中存在的缺陷与不足，更好地培养应用型车辆工程专业人才的工程实践、分析、判断、设计与创新能力，提供人才培养质量，为地方经济产业发展提供人才支持。

1 实验教学现状及存在的问题

兰州工业学院汽车工程学院车辆工程专业汽车电控技术课程实验内容侧重于汽车电控系统性能参数检测与典型故障诊断，对培养学生实践动手能力具有重要作用。目前，传统的实验教学过程存在如下问题：

1）现有的实验检测设备大部分无法支持车辆上路测试，只能在车辆静止，发动机空载时进行相关实验项目，如：发动机点火提前角的测量，发动机燃油分配管油压的测量，废气再循环 EGR率的测量。实验所得数据不能全面反映车辆在各种工况下的参数之间的相互关系，实验水平不高。

2）现有的实验设备不能对实验过程中产生的大量数据进行存储和网络共享，实验数据的获取主要依靠教师或学生的实时读取，当实验数据量大时，这种方式效率低下。实验数据处理过程相对简单，无法培养学生应用先进软件进行数据处理的能力。

3）实验项目单一，实验时间固定，扩展性、综合性、创新性不强，缺乏与最新汽车电控技术相关的实验项目。如：汽车远程控制技术、汽车空中下载技术（Over-the-Air Technology, OTA）升级技术、电子围栏技术等方面的实验。学生缺乏自主设计实验的机会，对学生综合能力的培养力度不足。

4）在疫情时有反复的情况下，学生在实验室集中进行实验教学的传统模式无法满足疫情防控的要求。

在传统实验教学过程中，学生对实验的兴趣和主动性相对不高，实验教学效果不够理想，已不能满足“新工科”人才培养目标的要求，因此，建设以互联网为核心，结合大数据、云计算、人工智能、虚拟仿真等先进技术的远程实验教学平台以及对应的新的教学模式[2-4]，补充传统实验教学的不足，已成为汽车电控技术课程实验教学的改革方向。

2 汽车电控技术远程实验教学平台建设

为了适应“新工科”所强调的实践能力强、创新能力强、掌握先进技术的车辆工程专业高素质人才培养要求，车辆工程教研室设计完成了针对车辆工程专业《汽车电控技术》课程，结合阿里云、4G移动通信、LabVIEW虚拟仪器、汽车故障诊断系统（On Board Diagnostics, OBD）等技术的汽车电控技术远程实验教学平台系统，使课程实验由传统模式转变为依托实验室硬件设备的“网联化、远程化、虚拟化”实验模式，对实验教学进行有效补充。“网联化”可以最大程度地实现实验教学资源的共享化，“远程化”可以打破传统实验教学模式在时间、空间方面的限制，避免学生实验室内聚集。

2.1 远程实验平台建设

汽车电控技术远程实验教学平台有“远程监控实验”和“虚拟仿真实验”两大类实验模式。远程监控实验由学生通过网络远程操作实验仪器，监测异地实验设备或实验车辆的运行数据，所有实验数据都是依托真实的实验设备得到的，可以保证实验数据的真实性和有效性。虚拟仿真实验通过在云端建立实验设备模型或实验数据库，模拟实验设备的运行过程和数据变化过程，学生通过网络远程获取相应的实验结果。

利用汽车电控技术远程实验教学平台可以进行汽车远程故障诊断、汽车电控发动机性能检测、汽车远程定位监控等方面的远程实验教学，培养学生在单片机编程、汽车OBD诊断技术、物联网技术、虚拟仪器技术、数据库技术等方面的工程实践能力、综合设计能力和创新能力。

基于云平台的汽车电控技术远程实验平台由设备层、感知层及执行层、网络层、应用层构成，如图1所示。

图1 远程实验平台架构

感知层即用于实车或实验台架的数据采集终端，以STM32F103ZET6为核心，由汽车OBD诊断模块、全球定位系统（Global Positioning System,GPS）模块、各类传感器等组成[5]；执行层为继电器、电机等执行机构，控制实验车辆或实验台架；网络层为4G移动网络、Internet网络，位于感知层与应用层之间，进行数据传递；应用层由远程实验中心、实验数据库、Web服务器组成，部署于阿里云服务器[6]。云端实验平台架构如图2所示，实验数据库采用SQL Server设计，远程实验中心采用LabVIEW软件设计。

图2 云端实验平台架构

云端实验平台具有学生信息管理、实验项目管理、实验报告上传提交、实验成绩查询等功能，功能模块划分如图3所示。教师在“学生信息管理”模块中输入参与实验的学生姓名和学号，允许录入信息的学生进行远程实验。在实验结束后，学生将完成的电子版实验报告上传云端实验平台的数据库，教师批阅后，在系统中输入学生的实验成绩，学生在“实验成绩管理”模块即可查得自己的实验成绩。整个实验过程均在网络上进行。

图3 云端实验平台功能

2.2 远程实验平台教学过程

实验教师通过联网的任意计算机进入云服务器，通过可视化的远程实验中心，如图4所示，开启相应实验项目，并对实验采集的数据进行监控，便于实验数据异常时及时处理。学生通过移动智能终端设备登录云服务器的公网IP进入Web网页（即远程实验端），打开相应的实验项目，进入实验，如图5所示。在该远程实验平台下，挂牌的实验车辆可以上路行驶，实验所得数据能够反映车辆在各种行驶工况下的状态参数之间的相互关系。

图4 远程实验中心

图5 远程实验终端

实验过程中，实验教师通过“钉钉直播”功能，利用手机摄像等方式将实验过程的实时影像发送给学生，并对实验过程进行讲解，与学生互动交流。学生通过Web浏览器远程操作实验车辆或实验台架，观察实验数据变化。实验过程中产生的大量数据存储在云端实验数据库中，实验结束后，通过Web浏览器访问云端实验数据库，就能获取存储在数据库中的实验数据。实验期间，学生无需集中在实验室，可在任何有网络的地点参与实验教学。远程实验平台从技术上避免了传统实验中存在的实验车辆不能上路、学生在实验室聚集等问题，提高了实验水平，符合疫情防控的需要。

3 汽车电控技术远程实验项目体系建设

根据“新工科”培养实践能力强、创新能力强的车辆工程专业高素质人才的要求和车辆工程人才培养方案中培养目标的规定，结合汽车电控技术课程特点和大纲要求，开发了由浅到深、由易到难的三层次远程实验项目体系，如图6所示，在巩固基本知识基本能力的基础实验之上，开展综合设计性实验、创新研究性实验，拓展实验的广度和深度，突出多学科交叉的特点。

图6 远程实验项目体系

基础性实验针对汽车电控技术课程中提到的一些结论，如：发动机点火提前角随转速变大而变大，随负荷增大而减小；燃油压力与进气歧管压力差值恒定，对这些结论进行大量实验数据验证。基础性实验目的是让学生在实验过程中，熟悉汽车发动机电控系统的结构组成，理解其工作过程，使理论教学与实践教学相辅相成，相互补充，提高教学效果。

综合设计性实验要求结合单片机原理与接口技术、C语言程序设计、LabVIEW程序设计、数据库技术、汽车OBD故障诊断技术，采用模块化的硬件设备和程序，学生自主设计实验项目，在注重综合性和设计性的同时，也为学生提供必要的软硬件支持，让学生能够动手做起来。综合设计性实验目的是培养学生综合应用知识，进行实践设计的能力。实验周期长，需要学生在实验前做大量的准备工作，学习相关知识。让最后的实验过程成为学生自主设计、自主学习的检测过程，让实验结果成为评价学生实验过程的主要依据，从而提高学生的学习积极性，提高学习效果，提高实践能力。

创新研究性实验主要针对最新汽车电控技术，如：汽车OTA技术、汽车远程控制技术、汽车定位导航技术等，鼓励学生研究最前沿的汽车电控技术领域的基本原理与应用过程。由自学能力强、实践能力突出的学生通过借助大学生创新训练计划项目、挑战杯等学科竞赛，进行实验方案设计，进一步提高学生的工程实践能力和创新能力。

4 远程实验教学模式研究

远程实验首先在车辆工程专业试点，教师编写了远程实验指导书，建立了远程实验相关理论知识资料库，进一步完善远程实验教学资料，建立了“三开放、三层次、三能力、一交叉”的远程实验教学模式及学生在汽车电控技术领域的实践能力培养模式，如图7所示。

图7 远程实验教学模式

三开放：教学地点开放、教学内容开放、教学方式开放。“教学地点开放”即学生无论身在何地，都可以通过“网联化”远程实验平台进行基础实验。开放的教学内容可以在实验教学中使用差异化的教学方式，针对不同基础、不同能力的学生提出课外必修或选修的综合设计性实验项目。对于部分学有余力，希望参加大学生创新创业项目、学科竞赛的同学，可以自主选择创新研究性实验项目。开放的教学方式可改变传统的“教师讲-学生听、教师做-学生看”的“验证性实验”教学方式，取而代之以学生为主体，学生研究实验内容、分析实验结果、教师指导配合的方式。通过开放式远程实验教学引导学生从“被动”参与实验到“主动”设计研究实验，培养学生的自学能力和综合设计研究能力，激发学生自主学习的积极性。

三层次：基础验证性实验、综合设计性实验、创新研究性设计。

三能力：基本实践能力、综合设计能力、创新研究能力。

一交叉：车辆、控制器局域网总线、通信、软件、单片机、物联网等多学科交叉融合。

不同层次的实验项目对应不同的能力培养目标，多学科交叉融合越来越多，融合程度越来越深，难度逐级增加。