楊釩 楊瑞霞

[摘 要] 利用計算機虛擬仿真技術(shù)，建立基于網(wǎng)絡(luò)的開放型汽車發(fā)動機實驗教學(xué)系統(tǒng)，提供適應(yīng)不同教學(xué)需求的實驗項目，在滿足常規(guī)實驗教學(xué)要求的同時，還注重學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)多層次和貫通化的教學(xué)目標。

[關(guān) 鍵 詞] 汽車發(fā)動機；虛擬實驗；多層次；創(chuàng)新能力

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）03-0016-02

近年來，高校大力推行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，部分學(xué)生也選擇了創(chuàng)業(yè)之路，但真正創(chuàng)業(yè)成功者鳳毛麟角。究其原因，其中一個重要因素就是創(chuàng)新能力的缺乏。目前來說，高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育應(yīng)面向全體、分類施教、結(jié)合專業(yè)、強化實踐。對具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力的學(xué)生，要引導(dǎo)他們基于創(chuàng)新、結(jié)合專業(yè)，發(fā)揮自身優(yōu)勢來創(chuàng)業(yè)[1]。因此，立足本專業(yè)的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)對當(dāng)代大學(xué)生來說尤為重要。

實驗教學(xué)是高等教育的重要組成部分之一，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐操作技能，加深對專業(yè)知識的理解。但現(xiàn)有的實物模型拆裝實驗存在著實驗效果不佳、管理維護難度高、資金需求大等諸多缺陷，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代職業(yè)教育的需要[2]。

為解決上述問題，教育部明確提出虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，要以提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，推進高校實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)改革與發(fā)展。國內(nèi)各大高校也開展了各級虛擬實驗項目的建設(shè)，如清華大學(xué)的數(shù)字化制造系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心、北京理工大學(xué)的計算機虛擬仿真實驗教學(xué)中心、北京科技大學(xué)的材料虛擬仿真實驗教學(xué)中心、上海理工大學(xué)的裝備制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心等。

本文在充分分析論證的前提下，以“汽車發(fā)動機虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)”為起點，分階段、逐層次地建立具有職業(yè)技術(shù)教育特色的虛擬仿真實驗教學(xué)中心，探索出一種有利于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)模式。

一、高職院校汽車類專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

職業(yè)教育類汽車專業(yè)教學(xué)中的一項重要內(nèi)容是汽車發(fā)動機結(jié)構(gòu)的認知與拆裝?，F(xiàn)階段該拆裝過程一般在實驗室內(nèi)進行，學(xué)生在對發(fā)動機實物或模型拆卸、測繪的過程中，可以更深刻地理解發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與工作原理以及各零部件之間的拓撲關(guān)系[3][4]。發(fā)動機結(jié)構(gòu)的認知與拆裝實驗教學(xué)需要大量的實物模型，而汽車發(fā)動機的種類較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，職業(yè)院校難以配備完整的各類發(fā)動機模型，使學(xué)生沒有機會接觸多種類型的實物，實驗效果也就無法達到預(yù)期目的。另一方面，雖然通過發(fā)動機實物拆裝實驗可觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是依然存在幾個較大的缺陷：（1）無法觀察發(fā)動機內(nèi)部機構(gòu)的運行過程；（2）實驗?zāi)Ｐ团c真實發(fā)動機在精度、材料、外觀上存在一定差異，無法真實反映發(fā)動機的制造、裝配工藝，實驗的真實感有所下降。而且發(fā)動機的實物拆裝需要在專門的實驗室中進行，往往由于學(xué)生數(shù)量過多、設(shè)備配備不足等的限制，使部分學(xué)生無法獨立進行完整的實驗[5][6]。

為了解決發(fā)動機實物實驗過程中存在的問題，通過查閱和走訪國內(nèi)外高校相關(guān)專業(yè)實驗教學(xué)情況，開發(fā)“面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放型虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)”，利用軟件技術(shù)模擬汽車發(fā)動機的運動仿真以及拆裝過程，有效地解決實驗室設(shè)備緊缺、模型更新慢、實驗效果不佳等問題。

二、虛擬實驗系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究針對職業(yè)教育的特色，仔細分析相關(guān)課程教學(xué)大綱及其科技前沿，科學(xué)地確定各層次實驗內(nèi)容及實驗流程，建立合理的系統(tǒng)構(gòu)架。依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象。將靜止、抽象的概念變?yōu)閯討B(tài)、形象的表示。開發(fā)出一個簡潔、實用、受眾面大、擴充性好的虛擬實驗系統(tǒng)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，提高了教學(xué)效率，達到了教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。既適應(yīng)當(dāng)代技能型教學(xué)的需求，也符合當(dāng)代職業(yè)教育改革的方向。具體功能如下：

（一）汽車發(fā)動機零部件功能性展示

根據(jù)汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢、選擇典型汽車發(fā)動機類型，按實際尺寸建立三維數(shù)字模型，用虛擬現(xiàn)實的手段對各組成部分的結(jié)構(gòu)、功能及拓撲關(guān)系進行詳盡、直觀的展示和說明。

（二）發(fā)動機運動仿真實驗

創(chuàng)建各種運動副、傳動機構(gòu)數(shù)字模型，進行機構(gòu)運動學(xué)分析：如機構(gòu)的運動規(guī)律，追蹤部件的運動軌跡；輸出部件的速度、加速度、位移等數(shù)據(jù)，幫助使用者更清晰地理解汽車發(fā)動機內(nèi)部的運作方式。

（三）典型汽車發(fā)動機虛擬拆裝實驗

在發(fā)動機三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合虛擬數(shù)字樣機與和手動直觀操作，實現(xiàn)實物實驗過程的行為模擬。操作者能夠在計算機仿真環(huán)境中熟悉發(fā)動機整機及各組成部分的裝配流程，并直接操作零件模型，極大地提升了對裝配過程的理解和感知[7][8][9]。

（四）汽車發(fā)動機虛擬設(shè)計輔助教學(xué)系統(tǒng)

編制典型結(jié)構(gòu)汽車發(fā)動機的設(shè)計指導(dǎo)書，對其關(guān)鍵零部件的設(shè)計流程及相關(guān)的設(shè)計標準、計算公式、技術(shù)數(shù)據(jù)進行詳盡的說明。指導(dǎo)和幫助使用者盡快掌握汽車發(fā)動機的基本設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上，可利用商品化三維設(shè)計軟件完成整套發(fā)動機數(shù)字樣機的建立。

（五）網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用

（六）彈性的系統(tǒng)構(gòu)架

為緊跟學(xué)科及產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿，及時、簡便地擴展系統(tǒng)功能，系統(tǒng)采用彈性設(shè)計構(gòu)架。

三、多元化創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的實現(xiàn)

為適應(yīng)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育面向全體、分類施教的基本原則，本系統(tǒng)在以下幾個方面對多元化培養(yǎng)模式進行了探索。

（一）科學(xué)的實驗教學(xué)體系和強大的教學(xué)功能

結(jié)合職業(yè)院校實驗教學(xué)經(jīng)驗和虛擬實驗系統(tǒng)的功能優(yōu)勢， 本系統(tǒng)由認識型、基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型等5個層次構(gòu)成。

1.認識型實驗使學(xué)生了解汽車發(fā)動機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，熟悉虛擬實驗環(huán)境，初步掌握實驗流程。該層次實驗主要包括以下內(nèi)容：發(fā)動機類型的認識，曲柄連桿機構(gòu)認識（機體組認識、活塞連桿組認識、曲軸飛輪組認識等），配氣機構(gòu)認識（氣門組認識、氣門傳動組認識），發(fā)動機其他系統(tǒng)認識（發(fā)動機進排氣系統(tǒng)認識、燃油供給系統(tǒng)認識、點火系統(tǒng)及啟動系統(tǒng)認識、潤滑和冷卻系統(tǒng)認識等）。

2.基礎(chǔ)型實驗是實驗教學(xué)最基本的單元，操作者根據(jù)實驗指導(dǎo)書，通過在虛擬現(xiàn)實條件下拆裝汽車發(fā)動機各主要模塊，進一步加深對基本概念和理論的理解。

3.綜合型實驗內(nèi)容基礎(chǔ)實驗的組合，培養(yǎng)學(xué)生了解和掌握發(fā)動機不同模塊之間的聯(lián)系，用于幫助學(xué)生樹立系統(tǒng)的概念，初步掌握汽車發(fā)動機各組成部分設(shè)計的基本方法與流程。主要包括曲柄連桿機構(gòu)拆裝、配氣機構(gòu)拆裝、發(fā)動機其他系統(tǒng)拆裝、發(fā)動機總裝等。

4.設(shè)計型實驗使學(xué)生初步了解和掌握汽車發(fā)動機各組成部分設(shè)計的基本方法與流程，利用商品化設(shè)計軟件完成汽車發(fā)動機虛擬數(shù)字樣機的建立。

5.創(chuàng)新型實驗是針對學(xué)有余力的部分學(xué)生，結(jié)合教師科研項目，幫助學(xué)生提高創(chuàng)新能力的進一步訓(xùn)練，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力，提出和解決若干具有挑戰(zhàn)性的問題，參加國內(nèi)外創(chuàng)新競賽，申請并完成各級創(chuàng)新項目等。

通過多層次的虛擬實驗系統(tǒng)，既可以觀察發(fā)動機的運行過程，同時又可以完成其結(jié)構(gòu)的拆裝實驗，了解相關(guān)設(shè)計理論和設(shè)計方法。三維數(shù)字模型的直觀、易用性提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固了理論知識；而開放的人機交流環(huán)境，可充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)效率。

（二）較高的知識關(guān)聯(lián)度

在理論教學(xué)過程中，理論知識與實物之間缺乏關(guān)聯(lián)，知識點之間無法有機結(jié)合，直接影響教學(xué)效果。虛擬實驗系統(tǒng)具有實時提示功能，方便學(xué)生查找、操作，遇到較難的知識點可以隨時進入相關(guān)模塊進行進一步的學(xué)習(xí)。

（三）低成本的規(guī)?；瘜嶒灲虒W(xué)

本虛擬實驗系統(tǒng)利用軟件技術(shù)完成整個實驗過程，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)上實驗，不受時間、地域的限制，省去了實驗場地，減少了實驗設(shè)備采購費用；以極低的成本在各個級別的學(xué)校較全面地實現(xiàn)汽車相關(guān)課程的實驗教學(xué)。可以讓每一個學(xué)生有充足的學(xué)習(xí)和實驗時間，既保證了教學(xué)效果，又實現(xiàn)了規(guī)?；虒W(xué)。

四、結(jié)束語

通過虛擬實驗與輔助教學(xué)系統(tǒng)，合理設(shè)計多層次的實驗項目，從認識層、基礎(chǔ)層及綜合層的感知實驗，到設(shè)計層和創(chuàng)新層的個性化訓(xùn)練，實現(xiàn)了汽車發(fā)動機課程的階梯式訓(xùn)練。培養(yǎng)了學(xué)生主動獲取知識的能力、提高了對學(xué)習(xí)的興趣和對本學(xué)科學(xué)術(shù)前沿的關(guān)注度。通過創(chuàng)新問題的提出，解決方案的研究，實際工作任務(wù)的分解、協(xié)調(diào)、最終系統(tǒng)的集成等工作，拓展了知識背景和能力基礎(chǔ)，培養(yǎng)了團隊精神，為將來的實踐工作和進一步的深造打下了基礎(chǔ)。實踐表明，虛擬實驗與設(shè)計有助于因材施教、發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)優(yōu)秀人才，是多層次培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的有效途徑。

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