劉義付 孫瑞霞

黃河交通學(xué)院 汽車工程學(xué)院 河南省焦作市 454950

1 汽車試驗學(xué)課程概述

汽車從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有百年的發(fā)展歷程，一個世紀(jì)以來汽車交通事故也是不斷增加。汽車碰撞是現(xiàn)在中國乃至國際上最主要的道路交通事故形式，由于汽車本身速度和重量的原因，已經(jīng)造成了巨大的生命與財產(chǎn)損失。如何提高車身結(jié)構(gòu)的安全性，更好的保護(hù)司機和乘客的人生安全，需要各級科研機構(gòu)以及高校從事車輛工程專業(yè)學(xué)生加大對汽車試驗學(xué)課程的研究和實踐。

汽車試驗學(xué)是汽車工程學(xué)院車輛工程、能源與動力工程等專業(yè)學(xué)生在第七學(xué)期開展的專業(yè)核心課，主要的授課內(nèi)容是將汽車試驗的基本原理、基本測試設(shè)備、測試方法進(jìn)行學(xué)習(xí)[1]。課程對于車輛工程專業(yè)具有非常重要的理論意義和現(xiàn)實意義，對于應(yīng)用型本科而言，是貼近與社會發(fā)展的一個重要方法，是提高學(xué)生對于汽車整體認(rèn)識的特殊途徑。

2 汽車試驗學(xué)實踐環(huán)節(jié)的組成

汽車工程學(xué)院在2019版人才培養(yǎng)方案中，通過和社會汽車行業(yè)發(fā)展的調(diào)研，結(jié)合學(xué)院的具體情況汽車試驗學(xué)是一門32學(xué)時，有6個學(xué)時課內(nèi)實驗的專業(yè)課程的，其中有一個2學(xué)時的汽車碰撞測試試驗。通過汽車碰撞測試試驗，使學(xué)生掌握汽車碰撞測試的具體過程，了解汽車碰撞試驗室的各種設(shè)備，掌握汽車被動安全的評價標(biāo)準(zhǔn)，對汽車碰撞常見的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理分析和歸納，并對常見安全缺陷進(jìn)行初步的分析。本實驗具體教學(xué)目的如下：

第一、增進(jìn)學(xué)生對所學(xué)課程《汽車試驗學(xué)》理論知識的理解，理論聯(lián)系實踐，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力；

第二、熟悉車輛碰撞實驗的基本原理、方法、流程，可以根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展汽車安全性方面評價的基本能力；

第三、掌握被動安全與主動安全的主要作用，在實際碰撞過程中的主要作用；

第四、根據(jù)后退距離-車速關(guān)系曲線、碎片面積-車速關(guān)系曲線等，對汽車碰撞的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，并對汽車安全性改進(jìn)提出科學(xué)建議的能力；

第五、通過對國產(chǎn)汽車、國外汽車安全性發(fā)展的對比，增強四個自信，立志為社會主義貢獻(xiàn)力量。

3 常規(guī)汽車碰撞測試的局限性

雖然本試驗具有非常重要的理論意義，但是現(xiàn)實中開展本試驗具有很大的局限性，主要分為：

第一、實車碰撞場地的造價非常昂貴。現(xiàn)在各個專業(yè)的汽車制造廠家都建設(shè)有符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的汽車碰撞實驗室，目的就是可以方便的掌握被測試汽車第一手資料，有利于以后車輛的改進(jìn)，為后續(xù)的量產(chǎn)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。但是建設(shè)一個符合要求的汽車碰撞實驗室基本需要幾百萬左右，一次投入成本很高，不方便讓院校參觀學(xué)習(xí)，給實際的實習(xí)帶來了很大的困難。

第二、實車碰撞的視頻資料不適宜公開。由于汽車碰撞大部分都是汽車廠家在研車型，汽車內(nèi)部構(gòu)造的缺陷設(shè)計到商業(yè)秘密等，不適合讓學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)。同時，由于每次碰撞的時間都是以毫秒計算，因此一般的人眼是無法進(jìn)行觀測的，需要結(jié)合高速攝像機的慢放才能進(jìn)行觀察，這些給實際的實習(xí)帶來很大的不方便。

第三、一次真車汽車碰撞一般需要準(zhǔn)備的時間較長，學(xué)生的參與度很低。一次碰撞從開始進(jìn)行各種準(zhǔn)備，包括各種標(biāo)定、傳感器的固定等，到最后的實際實施，一般需要數(shù)天的準(zhǔn)備。試驗過程復(fù)雜、學(xué)生的參與度低，重復(fù)性很差。同時，學(xué)校不會離實驗室非常近，考慮到組織時間，每次真正的實習(xí)時間會比較短，實習(xí)效率不是非常高。

4 虛擬仿真資源進(jìn)行汽車碰撞測試的優(yōu)點

通過以上的分析可以看出，普通高校開展本實驗具有很大的局限性，包括一次性投入大、時間長等，因此可以采用虛擬仿真資源進(jìn)行替代。開展三維汽車碰撞虛擬仿真實驗，具有很突出的優(yōu)點[2]：

第一、虛擬仿真測試需要投入的成本要比實車要少，且可以重復(fù)使用。虛擬資源建立和實驗室的建設(shè)基本上都是一次投入，多次使用，和一次實車碰撞相比，經(jīng)濟(jì)性非常好，符合現(xiàn)在高校發(fā)展的方向。

第二、虛擬仿真測試的安全性極高。汽車碰撞測試在實際的進(jìn)行中，由于碰撞是能量的轉(zhuǎn)化是在極端時間內(nèi)完成的，因此其危險系數(shù)很高，虛擬仿真測試可以在實驗室內(nèi)完成，安全方面有很好的保證。

第三、虛擬仿真資源可以豐富教學(xué)方法。采用虛擬資源進(jìn)行授課，對于培養(yǎng)熟悉汽車安全結(jié)構(gòu)和安全保護(hù)技術(shù)的專業(yè)人才非常必要?！捌嚺鲎矞y試虛擬仿真實驗”基于真實車輛建立高精度數(shù)字化車輛仿真模型，完整再現(xiàn)實車碰撞實驗全過程，提供有效實驗數(shù)據(jù)，具有“以虛補實，虛實結(jié)合”的鮮明特色，實現(xiàn)“深度交互、理實融合”的教學(xué)效果。

5 汽車碰撞測試虛擬資源建設(shè)

虛擬仿真實驗的開展，首先需要建立汽車的三維模型。課題組和專業(yè)公司合作開展了本內(nèi)容的完成，實車模型的數(shù)據(jù)完全來自在售車型，增加了實驗的真實性，為實驗的開展奠定了應(yīng)用型的基礎(chǔ)。通過對汽車碰撞測試實驗主要工序及實際樣車主要參數(shù)而建立的可視化3D模型，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，以不同的速度等參數(shù)再現(xiàn)交通事故的方式，分析汽車在碰撞過程中乘員及車輛傷害狀態(tài)，從不同的受損情況分析汽車結(jié)構(gòu)安全性。使學(xué)生能夠觀察不同車速下的碰撞結(jié)果，并利用特殊的計算機展示技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在基于數(shù)字化虛擬現(xiàn)實3D汽車模型的基礎(chǔ)上，通過分析結(jié)果可以改進(jìn)車輛結(jié)安全構(gòu)設(shè)計，完全體現(xiàn)了虛實結(jié)合、產(chǎn)教融合的原則。

圖1 汽車碰撞實驗虛擬資源封面圖

6 汽車碰撞測試虛擬資源教學(xué)實施

本實驗的教學(xué)實施過程也和普通的實驗有一定的區(qū)別。在實驗前，提出問題讓學(xué)生對汽車碰撞進(jìn)行思考，而后開始虛擬實驗。根據(jù)《汽車試驗學(xué)》課程教學(xué)要求和實驗教學(xué)內(nèi)容，開展“汽車碰撞測試虛擬仿真實驗”的實驗教學(xué)[3]。該實驗運用虛擬車輛模型、虛擬駕駛員、虛擬儀器、虛擬實驗場，借助3D可視化技術(shù)、人機交互技術(shù)、智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，開展汽車碰撞測試虛擬仿真，使學(xué)生了解汽車碰撞測試實驗的基本內(nèi)容，掌握汽車碰撞測試實驗的操作流程和實驗數(shù)據(jù)分析方法，深入理解影響汽車碰撞測試的主要因素。

學(xué)生通過局域網(wǎng)電腦登錄汽車碰撞實驗虛擬仿真實驗平臺，在教學(xué)資料中獲取汽車碰撞實驗流程介紹、主要實驗設(shè)備等資料，進(jìn)行學(xué)習(xí)。在實驗前，可以通過系統(tǒng)先了解汽車碰撞的概況、實驗?zāi)康?、實驗安全要求等基本問題，然后開始實驗。學(xué)生選擇進(jìn)入不同的碰撞類型，按照系統(tǒng)提示的實驗步驟進(jìn)行汽車碰撞實驗的準(zhǔn)備工作，在此過程中可以按照之前學(xué)習(xí)的理論知識對汽車的各種實驗參數(shù)和實驗儀器進(jìn)行選擇和設(shè)定。同時，學(xué)生可以全方位多角度觀察汽車模型，調(diào)整拍攝角度等。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，按照系統(tǒng)的提示進(jìn)行碰撞實驗，并在實驗后對實驗過程具體參數(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，對碰撞指標(biāo)后退距離、碎片面積、凹陷深度等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，此部分為電腦自動評分。對各種不同碰撞的主動安全措施和被動安全措施進(jìn)行對比，針對汽車安全體系提出學(xué)生自己的解決方案，本部分由教師人工批改評分；每位實驗的學(xué)生還要寫出實驗總結(jié)，才能提交實驗報告，獲得成績。

使用者還可以通過佩戴VR眼鏡，利用眼鏡與手柄結(jié)合操作，VR眼鏡用來實現(xiàn)虛擬車輛場景畫面，手柄代替鼠標(biāo)和其他工具進(jìn)行操作，使用者有身臨其境的感受。

最后，在實際實驗的實施過程中，課程的考核也進(jìn)行了一定的創(chuàng)新主要內(nèi)容見表1。按照實際得分，給出等級（90分以上優(yōu)秀，80-90分良好，70-79分中等，60-69分及格，低于60分不及格）。

表1 汽車碰撞測試虛擬資源教學(xué)考核明細(xì)表

7 汽車碰撞測試虛擬資源教學(xué)特色

基于虛擬仿真資源來進(jìn)行汽車碰撞測試和傳統(tǒng)的教學(xué)相比，具有一定的特色，主要表現(xiàn)在：

第一、有一定的時代先進(jìn)性。

（一）全面融合數(shù)字虛擬儀器、虛擬實驗室、三維場景與人機在線交互等技術(shù)，實驗項目易學(xué)易用、界面友好，學(xué)生參與度高、沉浸性強，解決了該項目實驗過程復(fù)雜、實驗器材昂貴、學(xué)生參與度低，實體教學(xué)實驗難以開展的突出問題，具有“以虛補實，虛實結(jié)合”的鮮明特色。

（二）不斷融入吸收最新教學(xué)實踐和科硏成果，開發(fā)的仿真模型與實車具有相同的幾何結(jié)構(gòu)、軸荷分配、車身材料屬性設(shè)置等，同時與企業(yè)實際生產(chǎn)和測試部門相結(jié)合，將產(chǎn)教融合理念深度融合在學(xué)生的本科教育當(dāng)中，體現(xiàn)了實踐的先進(jìn)性和科學(xué)性。最后，由于實驗中采用的是真實案例教學(xué)，因此加深了學(xué)生對汽車碰撞知識的更深入理解，還加強了解決實際工程問題的能力。

（三）在進(jìn)行實踐的過程中，通過對比國產(chǎn)汽車和其他汽車碰撞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)汽車在這方面不比他們差。加入課程思政元素，提高學(xué)生道德標(biāo)準(zhǔn)，堅持把立德樹人作為教育的中心環(huán)節(jié)，將思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全過程育人。

第二、教學(xué)方法有一定的創(chuàng)新。

實驗時，通過VR虛擬現(xiàn)實場景中汽車碰撞實驗流程的2D/3D形態(tài)特征，結(jié)合實驗地實景展示，啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生有親臨其境的真實感受。通過主要車輛部件的3D動態(tài)觀察，可全方位、多角度了解汽車碰撞過程中關(guān)鍵部件的作用、外形結(jié)構(gòu)、碰撞時的變形等，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)會碰撞實驗的全部流程，根據(jù)現(xiàn)實需要選擇合適的工藝設(shè)備，參看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對汽車結(jié)構(gòu)安全提出個人見解，解決了部分實際工程問題，達(dá)到了應(yīng)用型本科教育的目的[4]。

同時，通過系統(tǒng)互動平臺，教師還可在線指導(dǎo)學(xué)生，解答學(xué)生在實驗中遇到的問題。最后，本系統(tǒng)還可以開展線上真人競賽模式，支持多人交互。這種不受時間、地點限制的VR虛擬實驗?zāi)Ｊ剑粌H激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)效果明顯。

第三、評價體系創(chuàng)新。

汽車碰撞實驗是一個汽車類專業(yè)實驗項目，要求學(xué)生掌握汽車碰撞的類型、碰撞實驗流程、碰撞實驗主要參數(shù)的設(shè)定、結(jié)構(gòu)上常見缺陷改進(jìn)的方法等。

該虛擬實驗系統(tǒng)自動記錄學(xué)生實驗操作過程和實驗數(shù)據(jù)使用過程，進(jìn)行綜合評價得到學(xué)生的實驗成績。學(xué)生完成實驗后，還必須在虛擬仿真實驗系統(tǒng)上完成實驗報告，老師在線上對學(xué)生提交的實驗報告進(jìn)行綜合評價。

該實驗項目在開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理系統(tǒng)和共享平臺上運行，教師可利用該平臺在線上安排學(xué)生預(yù)習(xí)、指導(dǎo)學(xué)生實驗和批改實驗報告并與學(xué)生互動交流，實現(xiàn)了全流程、一體化、交互式的教學(xué)管理與評價。

第四、對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。

本實驗項目在《汽車構(gòu)造》、《汽車實驗學(xué)》等課程基礎(chǔ)上，運用3D仿真VR在線交互等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，通過三維交互虛擬仿真實驗系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，學(xué)生可在三維場景下開展“汽車碰撞測試虛擬仿真實驗”，學(xué)習(xí)汽車正面和側(cè)面碰撞實驗的基本內(nèi)容、儀器設(shè)備、操作步驟和數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)對傳統(tǒng)理論教學(xué)和實驗教學(xué)的延伸和拓展。同時，增加課題思政的元素，采用啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生“四個自信”，完成立德樹人的教育目標(biāo)。

8 汽車碰撞測試虛擬仿真資源教學(xué)總結(jié)

汽車碰撞測試虛擬仿真實驗通過構(gòu)建汽車三維模型，以工程實際問題的處理流程為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代科技再現(xiàn)汽車碰撞測試的完整過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中感受和學(xué)習(xí)本實驗，貼合時代發(fā)展，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的參與度。在實驗的過程中，通過項目驅(qū)動的預(yù)習(xí)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，對課程考核進(jìn)行一定的改革，達(dá)到了“以虛補實，虛實結(jié)合”的目的，可以給其他對時間要求高、安全要求高、資金投入高的實驗環(huán)節(jié)起到一定的借鑒意義。