李忠新， 韓立金， 馮慧華， 閆清東

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院；地面機(jī)動(dòng)裝備國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京100081）

0 引 言

信息技術(shù)的飛速發(fā)展正在深刻影響教育理念、教育模式和教育體制的發(fā)展變化［1-3］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為目前先進(jìn)的教學(xué)模式，是高校加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)、提高實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的重要手段，已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的研究熱點(diǎn)［4-5］。我校地面機(jī)動(dòng)裝備國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，結(jié)合坦克傳動(dòng)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在裝甲車輛領(lǐng)域豐富的科研和教學(xué)成果，圍繞坦克裝甲車輛領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求，以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”為原則，突出學(xué)科優(yōu)勢(shì)與專業(yè)特色，開發(fā)建設(shè)了坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)背景與意義

坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性測(cè)試作為裝甲車輛工程專業(yè)的專業(yè)核心課程裝甲車輛設(shè)計(jì)的重要教學(xué)內(nèi)容，是坦克裝甲車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中占有重要的地位與作用?，F(xiàn)實(shí)教學(xué)中，高校坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)受到3 方面制約：①坦克裝甲車輛屬于國家主要突擊武器裝備，機(jī)動(dòng)性測(cè)試需要嚴(yán)格的審批；② 坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性測(cè)試具有一定的危險(xiǎn)性，且實(shí)驗(yàn)成本昂貴；③坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性測(cè)試需要專用的場(chǎng)地環(huán)境與條件，須在滿足長(zhǎng)度、坡度等條件要求的專用試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。學(xué)生無法獨(dú)立、自主的進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)只能以演示、觀摩以及科研臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)為主，影響和制約了相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)效果。為了進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，并作為學(xué)校裝甲車輛工程專業(yè)示范實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)實(shí)踐、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、自主創(chuàng)新實(shí)踐等層級(jí)實(shí)踐教學(xué)體系的重要組成和補(bǔ)充完善，基于實(shí)際教學(xué)需求開發(fā)建設(shè)了坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涵蓋了測(cè)試對(duì)象與實(shí)驗(yàn)條件、車輛準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理等內(nèi)容與環(huán)節(jié)，利用虛擬仿真手段重現(xiàn)了高仿真度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與測(cè)試過程，并支持學(xué)生獨(dú)立自主地進(jìn)行機(jī)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究與探索。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)與體系建設(shè)

坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于坦克裝甲車輛行駛原理與動(dòng)力學(xué)模型開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究，采用目前比較主流的Unity 3D 作為開發(fā)引擎［6-7］，涵蓋了坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性及其評(píng)價(jià)、加速特性、動(dòng)力性換擋規(guī)律、牽引特性、牽引力阻力平衡關(guān)系、轉(zhuǎn)向半徑與側(cè)滑的關(guān)系、雙流傳動(dòng)轉(zhuǎn)向特征參數(shù)及行駛平順性共計(jì)8 個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體流程設(shè)計(jì)

坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體流程如圖1 所示，主要包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、測(cè)試對(duì)象與實(shí)驗(yàn)條件、加速性能測(cè)試、最高車速測(cè)試、轉(zhuǎn)向性能測(cè)試、越野駕駛訓(xùn)練等學(xué)習(xí)任務(wù)與測(cè)試內(nèi)容。

圖1 坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)總體實(shí)驗(yàn)流程

學(xué)生通過本地終端，遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，依次選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程以及系統(tǒng)的指導(dǎo)和提示，獨(dú)立完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作。該系統(tǒng)不受時(shí)間和空間的限制，通過逼真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景重現(xiàn)，附以動(dòng)畫、圖形文字介紹、聲光音效、深度互動(dòng)等手段，讓學(xué)生身臨其境，深入淺出地掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理、方法并對(duì)數(shù)據(jù)、問題進(jìn)行分析處理。同時(shí)學(xué)生還可以根據(jù)自己的需要，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行重復(fù)，直至掌握為止。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。①前端系統(tǒng)：Web 前端負(fù)責(zé)系統(tǒng)全部的展示及邏輯功能。②后端系統(tǒng)：服務(wù)器系統(tǒng)負(fù)責(zé)記錄學(xué)生的操作行為及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果等信息。③模塊管理器：管理各個(gè)功能模塊，并負(fù)責(zé)各個(gè)功能模塊的切換。④坦克車輛管理器：管理坦克裝甲車輛整車數(shù)據(jù)、模型、參數(shù)等。⑤零件及設(shè)備管理器：管理坦克裝甲車輛推進(jìn)系統(tǒng)部件及相關(guān)測(cè)試儀器與設(shè)備等。⑥ 坦克裝甲車機(jī)動(dòng)性能測(cè)試模塊：管理具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容，可以根據(jù)需要拓展增加，模塊化搭配各個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程依據(jù)國軍標(biāo)要求以及坦克裝甲車輛性能測(cè)試權(quán)威機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并參考選用測(cè)試儀器設(shè)備，保證了實(shí)驗(yàn)流程的真實(shí)性和科學(xué)性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于經(jīng)過驗(yàn)證的坦克裝甲車輛行駛動(dòng)力學(xué)模型［8-13］進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與仿真，仿真精度高，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論的可靠性和有效性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用Physx物理引擎高效、逼真地模擬坦克裝甲車輛行進(jìn)過程中的剛體碰撞、重力等物理效果，采用GPU粒子系統(tǒng)進(jìn)行水花、煙霧等特效計(jì)算，增加了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與過程的真實(shí)感。這些措施，保證了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和先進(jìn)性，為學(xué)生提供了更多的知識(shí)獲取渠道，能夠有效地激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣并提升綜合素質(zhì)與能力養(yǎng)成［14-15］。圖3 所示為坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果展示。

圖3 坦克裝甲車輛虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（1）坦克裝甲車輛加速性能測(cè)試。學(xué)生進(jìn)入坦克裝甲車輛加速性能測(cè)試模塊，首先需要依據(jù)牽引特性曲線進(jìn)行換擋規(guī)律設(shè)計(jì)并完成不同換擋策略下的加速性能測(cè)試；在前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，還需要依據(jù)加速度特性曲線進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)換擋規(guī)律并結(jié)合油離配合完成加速性能測(cè)試，如圖4、5 所示。加速度特性曲線在牽引特性曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加系數(shù)等因素，揭示了加速度和牽引力的關(guān)系。

圖4 加速性能測(cè)試

圖5 換擋規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）坦克裝甲車輛最高車速測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程中，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)條件，依據(jù)牽引力、阻力平衡曲線，綜合考慮牽引力、阻力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及數(shù)據(jù)分析獲得特定條件下的最高車速。學(xué)生需要思考完成兩項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容：①根據(jù)牽引力、阻力平衡曲線，已知地面阻力，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定等速行駛時(shí)坦克的排擋和車速；②已知排擋和車速，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定坦克等速行駛能克服的地面阻力，如圖6 ～8 所示。

圖6 最高車速測(cè)試思考答題

圖7 最高車速影響因素分析設(shè)計(jì)

圖8 不同參數(shù)下最高車速測(cè)試

（3）坦克裝甲車輛轉(zhuǎn)向性能測(cè)試。轉(zhuǎn)向性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在方向盤轉(zhuǎn)角已定條件下，設(shè)計(jì)油門開度參數(shù)，依次完成中心轉(zhuǎn)向參數(shù)設(shè)計(jì)與測(cè)試。在擋位與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速已定條件下，設(shè)計(jì)方向盤轉(zhuǎn)角參數(shù)進(jìn)行行駛轉(zhuǎn)向測(cè)試，如圖9、10 所示。

圖9 坦克裝甲車輛轉(zhuǎn)向測(cè)試方案設(shè)計(jì)

圖10 行駛轉(zhuǎn)向性能測(cè)試

（4）坦克裝甲車輛越野性能測(cè)試。學(xué)生需要首先熟悉利用鍵盤鼠標(biāo)進(jìn)行坦克裝甲車輛的啟動(dòng)、換擋、行駛、轉(zhuǎn)向、停車等操作，操作熟練后可通過鍵鼠配合操作進(jìn)行越野駕駛訓(xùn)練，通過典型路況下的綜合駕駛訓(xùn)練，分析坦克裝甲車輛的行駛平順性，如圖11 所示。

圖11 越野駕駛訓(xùn)練

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

（1）循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，提供了開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件，可以開展多種類型和層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。采用了多種靈活方式實(shí)時(shí)向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，并在提供基礎(chǔ)內(nèi)容與操作指導(dǎo)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了需要學(xué)生自主思考完成的內(nèi)容，通過循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合進(jìn)一步提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的參與度與主動(dòng)性，從而提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施成效。

（2）線上虛擬實(shí)驗(yàn)與線下總結(jié)研討相結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用線上虛擬實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析處理與線下分析總結(jié)研討相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，保證實(shí)驗(yàn)完整性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)和團(tuán)隊(duì)交流研討的完整性。

（3）趣味性與學(xué)術(shù)性相結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容展示、操作、實(shí)現(xiàn)等方面，在尊重學(xué)術(shù)、技術(shù)規(guī)律與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用了多種形式與手段，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性；在實(shí)驗(yàn)策劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用了部分科研成果提升了實(shí)驗(yàn)的學(xué)術(shù)性，從而實(shí)現(xiàn)了趣味性與學(xué)術(shù)性的統(tǒng)一，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，并進(jìn)而提升了實(shí)驗(yàn)質(zhì)量與效果。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)特色

（1）依托信息化技術(shù)的先進(jìn)手段與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用線上線下教學(xué)相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合、循序漸進(jìn)引導(dǎo)與自主研究探索相結(jié)合、線上實(shí)驗(yàn)與線下總結(jié)研討相結(jié)合、趣味性與學(xué)術(shù)性相結(jié)合的有機(jī)統(tǒng)一，大幅提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

（2）以學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出為核心目標(biāo)，構(gòu)建了包括虛擬實(shí)驗(yàn)主要操作在線評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和知識(shí)點(diǎn)掌握情況評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)在內(nèi)的線上線下綜合評(píng)價(jià)體系，能夠更加科學(xué)、全面地對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了延伸與拓展。① 虛實(shí)結(jié)合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與坦克駕駛實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)互補(bǔ)以及共同作用，拓展了裝甲車輛創(chuàng)新、自主實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。②開放設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容柔性模塊化，可靈活地組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并借助虛擬實(shí)驗(yàn)手段與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)自主實(shí)驗(yàn)，提升了虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)產(chǎn)出。③教學(xué)科研緊密結(jié)合，將部分科研成果應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增加研究型實(shí)驗(yàn)，提高了虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)術(shù)性。④ 軍民融合，與坦克研發(fā)測(cè)試相關(guān)單位共建共享，拓展了虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用面。

4 結(jié) 語

坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供了自主研究探索的開放實(shí)驗(yàn)條件與環(huán)境，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)掌握坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)條件、測(cè)試儀器設(shè)備、測(cè)試原理和方法以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析方法，了解我國獨(dú)立自主研發(fā)的坦克裝甲車輛技術(shù)和性能的發(fā)展進(jìn)步，并進(jìn)一步提高學(xué)生服務(wù)國防的意識(shí)和愛國主義情懷。坦克裝甲車輛機(jī)動(dòng)性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，已認(rèn)定為2019 年北京市級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，目前處于國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目評(píng)審階段。