基于创新人才培养的开放型虚拟实验系统的研究与应用

杨钒 杨瑞霞

[摘 要] 利用计算机虚拟仿真技术，建立基于网络的开放型汽车发动机实验教学系统，提供适应不同教学需求的实验项目，在满足常规实验教学要求的同时，还注重学生创新能力和综合素质的培养，最终实现多层次和贯通化的教学目标。

[关 键 词] 汽车发动机；虚拟实验；多层次；创新能力

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）03-0016-02

近年来，高校大力推行创新创业计划，部分学生也选择了创业之路，但真正创业成功者凤毛麟角。究其原因，其中一个重要因素就是创新能力的缺乏。目前来说，高校创新创业教育应面向全体、分类施教、结合专业、强化实践。对具备创新创业潜力的学生，要引导他们基于创新、结合专业，发挥自身优势来创业[1]。因此，立足本专业的创新能力和创新精神培养对当代大学生来说尤为重要。

实验教学是高等教育的重要组成部分之一，能有效地培养学生的创新能力和实践操作技能，加深对专业知识的理解。但现有的实物模型拆装实验存在着实验效果不佳、管理维护难度高、资金需求大等诸多缺陷，已经无法适应现代职业教育的需要[2]。

为解决上述问题，教育部明确提出虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，要以提高学生创新精神和实践能力为宗旨，推进高校实验教学信息化建设和实验教学改革与发展。国内各大高校也开展了各级虚拟实验项目的建设，如清华大学的数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心、北京理工大学的计算机虚拟仿真实验教学中心、北京科技大学的材料虚拟仿真实验教学中心、上海理工大学的装备制造虚拟仿真实验教学中心等。

本文在充分分析论证的前提下，以“汽车发动机虚拟实验教学系统”为起点，分阶段、逐层次地建立具有职业技术教育特色的虚拟仿真实验教学中心，探索出一种有利于创新人才培养的实验教学模式。

一、高职院校汽车类专业实验教学现状分析

职业教育类汽车专业教学中的一项重要内容是汽车发动机结构的认知与拆装。现阶段该拆装过程一般在实验室内进行，学生在對发动机实物或模型拆卸、测绘的过程中，可以更深刻地理解发动机的结构与工作原理以及各零部件之间的拓扑关系[3][4]。发动机结构的认知与拆装实验教学需要大量的实物模型，而汽车发动机的种类较多，结构复杂多变，职业院校难以配备完整的各类发动机模型，使学生没有机会接触多种类型的实物，实验效果也就无法达到预期目的。另一方面，虽然通过发动机实物拆装实验可观察产品的内部结构，但是依然存在几个较大的缺陷：（1）无法观察发动机内部机构的运行过程；（2）实验模型与真实发动机在精度、材料、外观上存在一定差异，无法真实反映发动机的制造、装配工艺，实验的真实感有所下降。而且发动机的实物拆装需要在专门的实验室中进行，往往由于学生数量过多、设备配备不足等的限制，使部分学生无法独立进行完整的实验[5][6]。

为了解决发动机实物实验过程中存在的问题，通过查阅和走访国内外高校相关专业实验教学情况，开发“面向创新能力培养的开放型虚拟实验教学系统”，利用软件技术模拟汽车发动机的运动仿真以及拆装过程，有效地解决实验室设备紧缺、模型更新慢、实验效果不佳等问题。

二、虚拟实验系统总体设计

本研究针对职业教育的特色，仔细分析相关课程教学大纲及其科技前沿，科学地确定各层次实验内容及实验流程，建立合理的系统构架。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。将静止、抽象的概念变为动态、形象的表示。开发出一个简洁、实用、受众面大、扩充性好的虚拟实验系统，学生在虚拟环境中开展实验，克服传统实验教学的弊端，提高了教学效率，达到了教学大纲所要求的教学效果。既适应当代技能型教学的需求，也符合当代职业教育改革的方向。具体功能如下：

（一）汽车发动机零部件功能性展示

根据汽车工业的发展趋势、选择典型汽车发动机类型，按实际尺寸建立三维数字模型，用虚拟现实的手段对各组成部分的结构、功能及拓扑关系进行详尽、直观的展示和说明。

（二）发动机运动仿真实验

创建各种运动副、传动机构数字模型，进行机构运动学分析：如机构的运动规律，追踪部件的运动轨迹；输出部件的速度、加速度、位移等数据，帮助使用者更清晰地理解汽车发动机内部的运作方式。

（三）典型汽车发动机虚拟拆装实验

在发动机三维数字模型的基础上，利用虚拟现实技术，结合虚拟数字样机与和手动直观操作，实现实物实验过程的行为模拟。操作者能够在计算机仿真环境中熟悉发动机整机及各组成部分的装配流程，并直接操作零件模型，极大地提升了对装配过程的理解和感知[7][8][9]。

（四）汽车发动机虚拟设计辅助教学系统

编制典型结构汽车发动机的设计指导书，对其关键零部件的设计流程及相关的设计标准、计算公式、技术数据进行详尽的说明。指导和帮助使用者尽快掌握汽车发动机的基本设计方法。在此基础上，可利用商品化三维设计软件完成整套发动机数字样机的建立。

（五）网络化应用

（六）弹性的系统构架

为紧跟学科及产业发展前沿，及时、简便地扩展系统功能，系统采用弹性设计构架。

三、多元化创新能力培养模式的实现

为适应高校创新创业教育面向全体、分类施教的基本原则，本系统在以下几个方面对多元化培养模式进行了探索。

（一）科学的实验教学体系和强大的教学功能

结合职业院校实验教学经验和虚拟实验系统的功能优势， 本系统由认识型、基础型、综合型、设计型和创新型等5个层次构成。

1.认识型实验使学生了解汽车发动机的基础结构，熟悉虚拟实验环境，初步掌握实验流程。该层次实验主要包括以下内容：发动机类型的认识，曲柄连杆机构认识（机体组认识、活塞连杆组认识、曲轴飞轮组认识等），配气机构认识（气门组认识、气门传动组认识），发动机其他系统认识（发动机进排气系统认识、燃油供给系统认识、点火系统及启动系统认识、润滑和冷却系统认识等）。

2.基礎型实验是实验教学最基本的单元，操作者根据实验指导书，通过在虚拟现实条件下拆装汽车发动机各主要模块，进一步加深对基本概念和理论的理解。

3.综合型实验内容基础实验的组合，培养学生了解和掌握发动机不同模块之间的联系，用于帮助学生树立系统的概念，初步掌握汽车发动机各组成部分设计的基本方法与流程。主要包括曲柄连杆机构拆装、配气机构拆装、发动机其他系统拆装、发动机总装等。

4.设计型实验使学生初步了解和掌握汽车发动机各组成部分设计的基本方法与流程，利用商品化设计软件完成汽车发动机虚拟数字样机的建立。

5.创新型实验是针对学有余力的部分学生，结合教师科研项目，帮助学生提高创新能力的进一步训练，培养自主创新能力，提出和解决若干具有挑战性的问题，参加国内外创新竞赛，申请并完成各级创新项目等。

通过多层次的虚拟实验系统，既可以观察发动机的运行过程，同时又可以完成其结构的拆装实验，了解相关设计理论和设计方法。三维数字模型的直观、易用性提高了学生的学习兴趣，巩固了理论知识；而开放的人机交流环境，可充分发挥学生的自主学习能力，提高学习效率。

（二）较高的知识关联度

在理论教学过程中，理论知识与实物之间缺乏关联，知识点之间无法有机结合，直接影响教学效果。虚拟实验系统具有实时提示功能，方便学生查找、操作，遇到较难的知识点可以随时进入相关模块进行进一步的学习。

（三）低成本的规模化实验教学

本虚拟实验系统利用软件技术完成整个实验过程，实现虚拟网上实验，不受时间、地域的限制，省去了实验场地，减少了实验设备采购费用；以极低的成本在各个级别的学校较全面地实现汽车相关课程的实验教学。可以让每一个学生有充足的学习和实验时间，既保证了教学效果，又实现了规模化教学。

四、结束语

通过虚拟实验与辅助教学系统，合理设计多层次的实验项目，从认识层、基础层及综合层的感知实验，到设计层和创新层的个性化训练，实现了汽车发动机课程的阶梯式训练。培养了学生主动获取知识的能力、提高了对学习的兴趣和对本学科学术前沿的关注度。通过创新问题的提出，解决方案的研究，实际工作任务的分解、协调、最终系统的集成等工作，拓展了知识背景和能力基础，培养了团队精神，为将来的实践工作和进一步的深造打下了基础。实践表明，虚拟实验与设计有助于因材施教、发现和培养优秀人才，是多层次培养学生创新意识和创新能力的有效途径。

参考文献：

[1]王占仁.高校创新创业教育要做好分类[N].光明日报（网络版），2015-07-14.

[2]李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，31（2）：5-8.

[3]高斌，汤楚宙.UG和VB为基的汽车发动机虚拟实验室建立[J].现代制造工程，2008（8）：84-87.

[4]李会文.Lexus400型汽车发动机虚拟装配与运动模拟的研究[D].湖南师范大学，2008.

[5]降世婧.基于Virtools的发动机虚拟装配仿真软件的研究与开发[D].吉林大学，2013.

[6]张国友.基于UG设计软件的SQR472型发动机虚拟装配系统的研究[D].山东轻工业学院，2011.

[7]张青，赵洪利，郭庆，等.航空发动机虚拟装配培训实验平台的构建与实现[J].实验室探索与研究，2016（5）：97-100.

[8]张青，徐宇杰，郭庆，等.体感交互技术在航空发动机虚拟装配实验中的应用[J].实验技术与管理，2016（2）：100-104.

[9]陈锦锡，童大鹏.虚拟现实技术在高职院校船机电专业教学中的应用研究[J].高教学刊，2015（18）：164-165.