張智明+張娟楠+李昌昊+王毅剛+章桐

摘要：該項目針對本校車輛工程專業(yè)學(xué)生《流體力學(xué)與液壓傳動》課程中存在的課時少和缺乏實驗的主要問題，結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求，基于目前可視化的實驗教學(xué)發(fā)展趨勢，探討以虛擬實驗取代現(xiàn)實實驗的解決方案，提出了液壓傳動虛擬實驗的實施方案和重點建設(shè)內(nèi)容，希望對高校液壓傳動課程建設(shè)提供一種發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：液壓傳動；卓越工程師；虛擬實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0265-03

一、引言

《流體力學(xué)與液壓傳動》是我校汽車學(xué)院本科生卓越工程師的核心課程之一，液壓傳動技術(shù)在車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中占有非常重要的位置?！读黧w力學(xué)與液壓傳動》作為汽車學(xué)院學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中液壓傳動部分的知識在之后的專業(yè)課如《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗泛汀镀囋O(shè)計》中具有非常重要的作用，學(xué)好液壓傳動是學(xué)習(xí)這些專業(yè)課程的前提。同時，液壓傳動技術(shù)在汽車上有非常廣泛的應(yīng)用，例如汽車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)中的空氣彈簧和油氣彈簧、ABS防抱死系統(tǒng)等，所以液壓傳動也是成為一個合格的汽車工程師的必要專業(yè)課程內(nèi)容。

實驗教學(xué)是對高院課堂教學(xué)的重要補充。通過相關(guān)實驗，達到加深本科理論教學(xué)中涉及的基本概念和理論的理解和掌握，可以促使學(xué)生在該實踐過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實際問題[1]?！兑簤簜鲃蛹夹g(shù)》課程是與實際工程技術(shù)聯(lián)系緊密，實踐性非常強的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。要學(xué)好這門課，學(xué)生不僅要從液壓傳動技術(shù)相關(guān)的理論知識入手，也要具備一定的工程實踐能力。因此教學(xué)實驗對于液壓傳動具有十分重要的意義，有助于學(xué)生深刻理解書本知識，提高實踐動手能力，做到理論與實踐相結(jié)合。

二、目前存在的問題

目前液壓傳動技術(shù)教學(xué)仍采用先由教師在課堂上進行理論知識的系統(tǒng)講授，然后再安排學(xué)生到實驗中心或基地由實驗教師指導(dǎo)相應(yīng)實驗的教學(xué)方式。然而隨著液壓傳動技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，目前實驗教學(xué)條件不足及手段簡單這一現(xiàn)實問題愈加凸顯?，F(xiàn)行培養(yǎng)模式下液壓傳動實驗存在如下問題。

1.教學(xué)學(xué)時壓縮，學(xué)生沒有足夠時間進行全面完善的液壓傳動實驗。以同濟大學(xué)汽車學(xué)院的課程安排為例，《流體力學(xué)與液壓傳動》總共51課時，其中液壓傳動部分為24課時，分配在實驗上的時間及其有限。

2.實驗內(nèi)容陳舊單一，而且過于簡單，主要為液壓元件結(jié)構(gòu)實驗和液壓基本回路實驗，沒有與汽車相關(guān)知識進行有機融合，使得學(xué)生對于液壓傳動在汽車上的應(yīng)用缺乏整體性的認(rèn)識。

3.液壓傳動在應(yīng)用上，由于其工作條件要求良好的密封性，因此在實驗中無法看到液壓元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流體流動，使得學(xué)生無法深刻了解其內(nèi)部構(gòu)造、流體流動過程以及各個元件的工作原理。

4.實驗課程中采用的一些有機玻璃制作的示教模板，既粗糙又缺乏真實感，而且由于元器件過小使學(xué)生難以看清。

三、虛擬實驗的意義

計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了解決方案，那就是虛擬實驗。從枯燥單一的傳統(tǒng)教學(xué)方式、相對抽象的靜止且平面化的內(nèi)容，到計算機多媒體可視化教學(xué)[2]，是目前教學(xué)實驗的發(fā)展趨勢，在這個過程中，虛擬實驗將逐步取代現(xiàn)有傳統(tǒng)實驗。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果[3]。進行液壓傳動實驗的計算機虛擬動態(tài)仿真技術(shù)開發(fā)，通過可視化的虛擬仿真演示，將密閉空間內(nèi)的流體液壓實驗進行“可視動態(tài)”展示，嘗試將液壓傳動技術(shù)理論知識與計算機多媒體動畫技術(shù)相結(jié)合用于課堂實驗教學(xué)，更好的達到課堂實驗教學(xué)的目的，輔助該課程的學(xué)習(xí)。該課堂實驗教學(xué)課件的實施具有積極的意義，具體如下。

1.液壓傳動技術(shù)課程具有很強的工程應(yīng)用性和實踐性，實驗是個必備的課程教學(xué)環(huán)節(jié)，所以這類課程需要開發(fā)高交互性的虛擬實驗系統(tǒng)[4]，這也是卓越工程師課程建設(shè)上的一項重要工作和內(nèi)容[5]，同時可以為學(xué)校的慕課（MOOC）建設(shè)積累經(jīng)驗。

2.填補實驗教學(xué)內(nèi)容上的不足?？梢暬瘜嶒灮芈诽摂M動態(tài)仿真技術(shù)開發(fā)，可以為汽車專業(yè)高級人才提供生動豐富的課上實驗教學(xué)內(nèi)容展示；虛擬實驗系統(tǒng)提供仿真的實驗環(huán)境和設(shè)備條件，彌補實際實驗室硬件條件的局限。減少實驗設(shè)備實際成本投入，使實驗教學(xué)工作不再受時間和人力成本的限制，緩解了實驗設(shè)備的矛盾。而且學(xué)生通過虛擬實驗操作來熟悉實驗流程和元器件功能，掌握相關(guān)的動作順序和操作步驟，也不會因誤操作而損壞儀器設(shè)備。

3.實驗虛擬仿真動態(tài)技術(shù)的開發(fā)，可以將車輛工程專業(yè)其他專業(yè)課程教學(xué)實驗上涉及到的液壓技術(shù)知識集大成于一套課件中，統(tǒng)一講授，比如《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗?、《汽車設(shè)計》中的液壓部分知識?；谇懊嬉簤簜鲃蛹夹g(shù)相關(guān)實驗，可以加深這些專業(yè)課程中涉及的液壓傳動技術(shù)知識，虛擬實驗技術(shù)的開發(fā)也可以促進對這些課程實踐環(huán)節(jié)的理解和掌握，加強汽車專業(yè)的整體教學(xué)效果。

四、虛擬實驗課程實施

液壓傳動虛擬實驗將通過綜合軟件制作和現(xiàn)實場景錄制兩種途徑實施。利用計算機軟件強大的動畫功能，制作形象生動的虛擬實驗回路；利用現(xiàn)實場景實驗錄制技術(shù)，將虛擬仿真實驗中存在的元器件和動畫過程在課堂教學(xué)場景中顯示，從虛擬仿真到真實場景實驗，全方位展示實驗過程。以剖視圖形式展示液壓系統(tǒng)的基本組成，如動力單元、控制單元、執(zhí)行單元和輔助單元，以及這些元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、順序運動關(guān)系及工作流程上的順序；從時間上可以看出各個元件運動的先后順序，有些同時發(fā)生，有些用控制元件控制順序發(fā)生；從結(jié)構(gòu)形式上可以看到三維半剖視圖，由內(nèi)而外觀察元器件結(jié)構(gòu)，從而全方位達到為學(xué)生完整展示實驗過程的效果，加深學(xué)生對理論知識的理解和把握。

利用計算機虛擬仿真技術(shù)和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，以學(xué)生作為演示對象，結(jié)合理論教學(xué)進度和教材中所有章節(jié)內(nèi)容，重點實施如下。

1.元件圖片展示。通過拍攝元件實物圖片讓學(xué)生直觀認(rèn)識液壓傳動中的元器件，并認(rèn)識實驗中涉及的相關(guān)元器件的實際形態(tài)。

2.關(guān)鍵元器件動畫虛擬仿真。將液壓傳動技術(shù)中關(guān)鍵的元器件進行繪圖，進而轉(zhuǎn)換為動畫形式播放，使學(xué)生能夠透視、直觀地觀察流體在元器件內(nèi)部進入、流出的全過程，結(jié)合流體力學(xué)原理的講解，讓學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，深刻理解課堂講授內(nèi)容。通過對課本中涉及的關(guān)鍵元器件及流體原理中的抽象流動過程加以虛擬仿真，現(xiàn)實還原，不僅能看到平時看不到的流體流動方向，而且能互換回路，實現(xiàn)流體反向進出，拓展學(xué)生思維。這一做法能夠更進一步的展示液壓元器件的工作過程，理解其原理和定義，讓學(xué)生“真實”認(rèn)識到流體的流動特性。

3.實物的三維模型展示。作為課堂實驗演示過程中的基本單元，液壓元器件實物的三維實體模型的建立是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)對回路中涉及的液壓元件在AutoCAD或者Solidworks工具中按照實物尺寸和形狀做出三維實體模型。對有些元件作剖開處理以便能觀察到內(nèi)部，如流體層流紊流過程、液壓泵、液壓缸、液壓閥和其他相關(guān)元件。通過三維建模方法，建立元器件的三維模型、半剖視圖和全剖視圖，讓學(xué)生真切了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀尺度下結(jié)構(gòu)的形態(tài)，從而實現(xiàn)對流體在微觀和內(nèi)部流動形態(tài)部分的理解和掌握。

4.虛擬現(xiàn)實與動畫設(shè)計。將完成的三維實體模型輸入3D Studio MAX場景中，編輯出與真實元件接近的材質(zhì)感來，并對一些零件作一定的透明處理使觀察者能看清內(nèi)部。三維動畫的設(shè)計分為兩個部分，一部分為每個獨立的液壓元件結(jié)構(gòu)及工作過程動畫，用于虛擬仿真從主面板上放大單一元件的工作過程及結(jié)構(gòu)，使學(xué)生能清楚地看到細(xì)節(jié)。這一部分由于相對獨立，運動件的運動規(guī)律多為平移和旋轉(zhuǎn)顯得不太復(fù)雜。另一部分為主演示面板動畫設(shè)計[6]，從前述實驗原理及過程分析可看出其中的動力元件、控制元件、執(zhí)行元件。由于各元件運動的相關(guān)性，在時間上又非常嚴(yán)格，因此，在動畫時間上將整個實驗精確地劃分開來，按時間劃分來做主演示板三維動畫的分鏡頭。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)對模塊化元器件的組裝和管路拼接，組成流體和液壓回路，并通過動畫設(shè)計，實現(xiàn)流體流動，讓學(xué)生掌握設(shè)計和虛擬仿真實際流體流動的真實過程。

5.實現(xiàn)場景實驗錄制。在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，篩選流體和液壓傳動技術(shù)中的關(guān)鍵試驗，利用近距離高分辨率攝像機，對虛擬仿真中的流體液壓試驗進行現(xiàn)場試驗記錄。在教學(xué)上，將仿真實驗和現(xiàn)場場景實驗相結(jié)合，讓學(xué)生更深刻理解實驗過程和實驗?zāi)康?。通過真實實驗的現(xiàn)場試驗錄像，讓學(xué)生在現(xiàn)實試驗中對虛擬仿真的流體液壓回路進行真實的驗證，使學(xué)生更真切的感受實驗的真實性，并能夠更全面的了解實驗過程，加深和對實驗設(shè)備本身的理解和掌握，這部分在上述動畫和虛擬模型中均有應(yīng)用。

五、結(jié)語

通過該應(yīng)用的實施，可以使理論教學(xué)與課堂實驗教學(xué)環(huán)節(jié)更加緊密地結(jié)合起來，提高車輛工程專業(yè)本科學(xué)生對實驗教學(xué)的重視程度，激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)興趣，也可以提高學(xué)生的實際動手能力、分析問題能力和綜合運用知識解決問題的能力，為勝任今后的工作和學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)；提高師生的科研能力，為后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[6]鄧向明，崔平正.計算機模擬動態(tài)演示液壓傳動基本回路實驗的制作[J].新疆石油天然氣，2000，（1）：56-59.

Discussion on the Application of Virtual Experiment Technology in the Application of "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission"

ZHANG Zhi-ming1，ZHANG Juan-nan2，LI Chang-hao1，WANG Yi-gang1，ZHANG Tong1

（1.School of Automobile Studies/Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：The main problems exist in the "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission" course of vehicle engineering are less class time and lack of the experiment，combined with the project of “Excellent Engineer Education Plan Requirements”，based on the development trend of experimental visualization teaching，discuss some solutions to replace the real experiment with virtual experiment，some implementation plan and key construction content are proposed on virtual experiment of the hydraulic transmission course，hope to provide a development way for the construction of hydraulic transmission course in Universities.

Key words：hydraulic transmission；excellent engineer；virtual experiment