虚拟与现实一体化“车辆构造”课程教学实践探索

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车辆工程专业是培养车辆领域从事产品设计开发、制造和性能研究的高级工程技术人才，需要深入了解车辆总体构造、各系统和总成的结构和工作原理。车辆结构复杂，类型繁多，各个系统、总成和部件的结构不同，大体包括发动机、传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统和车身及仪表等附属装置。“车辆构造”课程是理论课与实验课分开的，教室里借助多媒体进行理论教学，实验室里借助教学仪器设备进行实践教学，这种理论课与实验课分开的传统教学方法是孤立的，“车辆构造”的讲解是静态、动态分离的，学生参与度和融入度不高，理解不深入，从而不能系统全面地掌握车辆结构和工作原理。虚拟与现实一体化“车辆构造”课程教学通过日益发展的计算机技术和先进的教学仪器设备，将理论课与实验课融为一体，优势互补，在静止、运动状态中深入浅出地阐述车辆各系统、总成和部件的基本构造和工作原理，以及整体功能、各系统和组成部件之间结构和功能的内在联系，实用性强，有利于学生全面深入地学习车辆基本构造和工作原理。

一、虚拟与现实一体化“车辆构造”课程的组成

虚拟与现实一体化“车辆构造”课程教学不再将理论教学和实验教学分开，而是将理论课与实验课融合为一体，一体化主要包括教学硬件和软件一体化，教学硬件主要包括发动机实验台、底盘综合实验台、计算机和传感器等硬件设备，其中发动机实验台用来讲解发动机构造和工作原理，主要包括曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统和起动系统等。底盘综合实验台主要用来讲解传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统构造和工作原理。计算机包括教师机和学生机，教师机、学生机和各类实验台均具有无线信号接收与发射功能。软件主要是与上述发动机实验台、底盘综合实验台等硬件设备通讯与控制的计算机程序，以及教师机和学生机上安装的软件程序，它可以分层、多级、实时、动态演示实验台中发动机、变速器等各系统总成的结构、工作原理和运行状态，并且可以实时控制发动机、变速器等各种实验台的运行。

二、虚拟与现实一体化“车辆构造”课程的应用

在“车辆构造”课程虚拟与现实一体化系统中，教师机的管理层级高，可以实时控制学生机各种功能的开放。首先，当进行“车辆构造”教学时，开放学生机学习功能，此时学生机只能实时动态显示教师机的讲授内容。例如讲解发动机构造里曲柄连杆机构时，教师机与学生机同时显示发动机的整体构造，教师机边讲解边将发动机由外部到内部进行逐级分解，让学生既看到曲柄连杆机构整体构造，又进一步展示了局部细节构造，如连杆小头、连杆衬套、活塞销、活塞的结构、连接关系等，连杆大头、轴瓦、曲轴结构、连接关系等，多道气环、油环等活塞环的结构、安装缺口位置等与发动机性能密切相关的构造知识。其次，整体构造与局部细节内容讲过以后，将学生机切换为演示功能，此时学生机只能演示实验台，不能控制实验台。此功能下，学生机上高清显示与计算机联网的实验台的三维立体虚拟模型，并且实时显示实验台运行时各总成、部件的运动状态和运行参数等，该三维立体虚拟模型可以进行比例放大与缩小，从而更好地动态展示车辆运转时各部件的局部细节和整体构造。例如切换为发动机实验台演示功能，讲解柴油发动机燃油供给系统的组成，首先可以演示机械控制柴油喷射系统和电控共轨柴油喷射系统的总体构成、各组成部件的结构、供油、喷油过程及其工作原理。当计算机上改变发动机转速时，发动机实验台和三维立体模型的转速实时改变，喷油泵的转速随之改变，进行比例放大，发现喷油泵由发动机曲轴的定时齿轮驱动。在机械控制柴油喷射系统中，发动机转速改变，喷油泵的供油压力和喷油器的喷油压力随之改变，直接影响燃油的喷射和雾化；在电控共轨柴油喷射系统中，发动机转速改变，喷油器的喷油压力不发生改变，燃油喷射与雾化与发动机的转速无关；引发学生思考两种柴油喷射系统的构造与性能的异同。最后，将学生机切换为实验台顺序实验功能，此时学生机按学号顺序控制实验台进行实验，每个学生机上均呈现发动机实验台、底盘综合实验台等三维立体虚拟模型，每一个学生按顺序依次单独进行实验，发动机实验台和三维立体模型同时执行实验指令，一个学生机实验时，其他学生机实时演示他的实验过程，实验参与度和融入度高。

三、虚拟与现实一体化“车辆构造”课程的主要特点

1.课程教学效果好。它摒弃了传统“车辆构造”实验课由于实验经费和场地限制，只能分组实验，部分学生参与实验、部分学生观望的模式；一体化“车辆构造”课程使每一个学生独立进行实验，在静止、运动状态中学习车辆总体构造、各系统和总成的结构和工作原理，深入理解整体构造、具体细节、各系统和总成的功能等，学生即亲临其境观摩，又避免出现错误操作，教师可以针对每一个学生实验中出现的问题进行指导。

2.安全性好。它采用计算机实时控制实验台，学生坐在控制室即可进行动态实验，且实验时每一个学生按顺序单独进行实验，教师和其他学生都在计算机上监控，当发生不安全操作时，计算机程序会报警并停止操作。摒弃了传统“车辆构造”实验课实行分组实验，实验指导教师讲解完毕后，几组学生围着实验台同时进行实验的模式，杜绝了传统实验中指导教师难以观察到每个学生的实习操作的情况，避免了实验现场混乱，不安全操作和安全事故的发生。

3.实验设备损坏小。车辆的实验台和测试仪器相对比较昂贵，传统实验中，由于学生错误操作，很容易导致实验台和测试仪器的损坏，维修困难且费用高。一体化“车辆构造”课程实验中，学生发出错误操作指令时，计算机程序能够报警并屏蔽该指令，直到学生修正错误指令后才执行操作，避免直接实验台操作时可能发生的设备事故和安全事故。

综上所述，虚拟与现实一体化“车辆构造”课程教学通过先进的计算机技术、传感器技术和教学仪器设备，将理论课与实验课融为一体，提高学生学习的参与度、融入度，使学生系统全面地掌握车辆总体构造、各系统和总成的结构和工作原理，将来更好地从事车辆产品设计开发、制造和性能研究，同时，也需要在今后的实际教学中进一步研究、探讨和开发教学方法，使教学质量进一步提升。