融合研究性教学的汽车虚拟仿真教学平台

于蕾艳, 石永军

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

随着互联网+教育、人工智能等技术快速发展,虚拟仿真在教学中得到广泛应用[1-3],并在教学实践中取得了一定教学效果[4-6]。中国石油大学(华东)石油工业训练中心以培养学生实践技能和创新精神为目标,以石油工业训练为主线,做到基础训练与特色训练相结合、仿真训练与现场训练相结合、实践训练与创新训练相结合,形成了具有鲜明特色的石油工业训练体系,包含基础工程训练、石油工业训练、综合技能训练、创新能力训练等实践教学平台。但是,现有虚拟仿真教学平台在融合研究性教学理念方面仍有不足。

本文考虑学生—教师—学校—社会广义教育生态系统的各个环节相互影响、相互促进的特点,将以学生为中心的研究性教学理念融入汽车虚拟仿真教学平台的建设和实施中,最大化提高学生的学习效率。

1 研究性汽车虚拟仿真教学平台的必要性

1.1 汽车虚拟仿真教学平台的研究现状

近年来,我国一些高校进行了汽车虚拟仿真教学平台建设与应用的有益探索,以交通运输行业对高素质应用型人才需求为导向,构建了汽车构造原理与虚拟拆装、汽车性能仿真、汽车电子与测试技术、新能源汽车、汽车制造技术等虚拟仿真实验教学平台,有些平台还具有远程实验、自主设计实验、教师远程指导与评阅、远程备课等功能[7-9]。汽车虚拟仿真教学中尚存在的不足表现为：

(1) 没有充分重视汽车虚拟仿真教学平台的建设和使用,没有与传统的课程教学有机结合。受限于单位资金、人员、设备等,学生仅通过有限的实验设备做实验,实验设备更新不及时,学生知识体系不够完整。

(2) 汽车虚拟仿真教学平台没有充分融入研究性教学理念。研究性学习对于培养学生的终生学习能力有重要意义。很多汽车虚拟仿真教学平台侧重平台的技术层面和课程资源积累,而没有特别考虑融入研究性教学理念的问题,使汽车虚拟仿真教学缺乏挑战性与激励性,难以有效促进学生思维能力锻炼和创新能力提升。

(3) 汽车虚拟仿真教学体系不够健全,多集中于实验教学模块建设,但是缺少虚拟实习教学等模块的建设。而虚拟实习对于学生熟悉实习任务、安全事项、实习重点等,并在实际实习中更快、更好地完成实习任务非常必要。

1.2 融合研究性教学的仿真教学平台建设非常必要

针对上述汽车虚拟仿真教学平台之不足,进行研究性汽车虚拟仿真教学改革势在必行。在建设汽车虚拟仿真教学平台时,认真研究学生的学习特点和学习规律,规划汽车虚拟仿真教学平台的建设内容体系,使其具有系统性并可持续发展。该平台要能引导学生进行研究性学习,培养学生研究性学习的素养,鼓励学生发现问题、解决问题,提高学习兴趣和学习效率[10-12]。

2 融合研究性教学的虚拟仿真教学平台建设

2.1 汽车虚拟仿真教学平台建设目标

融合研究性教学理念的汽车虚拟仿真教学平台的建设目标是实现学生—教师—学校—社会这一教育生态系统的各个要素的良好交流互动、资源共享、协同共建,在学生学习的各个环节运用研究性教学,显著提升人才培养质量。

平台的使用对象不限于全日制学校,也适用于网络远程教育,包括课程教学、实验教学、实习等,提高网络学习者的专业水平。

建立大平台、实现优质资源共享是教育发展的要求。汽车虚拟仿真教学平台具有很好的跨专业、跨学科、跨单位开放性,不同学校所建设的平台具有较好接口,便于实现不同专业、不同单位的资源共享、优势互补,可以大大扩充优质资源库、提高优质资源利用率。

车辆工程涉及到电子、控制、机械、液压等很多学科,需要多学科优化与协同。学生通过汽车虚拟仿真教学平台进行理论课程、实验、实习等一系列环节研究性学习；教师通过平台进行信息更新、掌握学生的研究性学习情况；学校通过平台获知教学进度情况等,进行相应评价与管理；社会相关企业、研究机构通过平台上传自己的优势实验资源等,进行平台资源实时扩充,可以获取学生相关信息,便于后续安排实习、岗位招聘等,提高招聘人才效率。

总之,通过汽车虚拟仿真教学平台的建设和教学应用,实现学生—教师—学校—社会这一教育生态系统协同发展。

2.2 汽车虚拟仿真教学平台体系

汽车虚拟仿真教学平台包括5个模块(见图1),具有理论课程虚拟仿真教学、实验虚拟仿真教学、实习虚拟仿真教学、创新虚拟仿真教学和管理功能。学生、教师、学校管理者以及企业、科研等社会单位均可以按照一定权限登录平台的模块,共同促进汽车虚拟仿真教学平台建设。

图1 汽车虚拟仿真教学平台体系

理论课程虚拟仿真教学模块建设有“汽车构造”“汽车设计”“汽车理论”“汽车电子”“汽车制造工艺学”等课程。平台易于扩展,根据汽车工业发展和人才培养目标进行优化,方便新建课程。

实验虚拟仿真教学模块包括“汽车理论”“汽车电子”等为理论课程开设的实验和独立实验课程。例如,对于汽车动力性实验设备底盘测功机,平台能够展示底盘测功机的类型、工作原理、结构爆炸图、使用方法、注意事项、实验方法等。学生通过平台深入学习了相关内容后,在实验室做实验能够比较熟练,可以用更多的时间进行创新性实验探索。

实习虚拟仿真教学模块包括汽车虚拟仿真拆装实习、汽车虚拟仿真驾驶实习、汽车虚拟仿真制造实习等。汽车虚拟仿真拆装实习提供了一系列车型的整车、主要结构、工作原理、拆装过程等实习。汽车虚拟仿真驾驶实习是通过相关训练科目使学生掌握汽车驾驶要领,有利于学生后续实车驾驶实习。汽车虚拟仿真制造实习是通过典型汽车制造流水线视频、动画展示、教师专业讲解等方式,使学生熟悉典型汽车制造工艺,了解汽车在流水线上制造过程。

2.3 研究性教学理念在汽车虚拟仿真教学平台的运用

图2为研究性教学方法在汽车虚拟仿真教学平台的运用示意图。

图2 研究性教学方法的运用

首先,缜密制订研究性教学规划,设定研究性教学的目标。以学生为中心,考虑学生不同的知识基础、学习能力,按知识和能力确定递进式教学目标。例如,目标1最难,目标2次之,目标3最易。对于学习能力强的学生,设置较难的教学目标,具有较高的挑战性和激励性；对于学习能力弱的学生,设置容易达到的目标,便于培养学生的自信,逐级提高教学难度。

然后,建立教学内容之间联系,围绕汽车纵向动力学、横向动力学、垂向动力学的建模、动力学分析、汽车动力学展示、性能指标评价、性能优化分析等内容提炼知识点,教学内容按知识点逐个展开。根据知识点之间的逻辑关系,划分出知识点1、知识点2等有限的知识点。

发现问题、解决问题是研究性教学的重要要求。在每个知识点提炼出典型问题,并鼓励学生自己提出更多问题进行研究。以问题为导向,提高学生敢于质疑、独立思考、独立推理、解决问题的能力。

学生完成相关知识点学习后,进行研究性教学考核,通过考核获知研究性教学的阶段性效果,便于后续调整学习难度、学习进度等。该门课程教学结束后,进行课程总体考核。

以“汽车理论”课程虚拟仿真教学为例,教学内容包括汽车动力性、汽车经济性、汽车制动性、汽车操纵稳定性、汽车平顺性、汽车通过性等6个模块。首先,设定汽车性能指标含义,进行动力学建模和使用因素分析,利用Matlab等软件计算并分析汽车性能指标,分析汽车结构与汽车性能的联系、进行汽车性能优化等递进式教学。然后,深度整合教学内容资源,例如在汽车动力性模块提炼出课程简介、汽车动力性概述、驱动力、行驶阻力、驱动动力学受力分析、汽车行驶方程

式、汽车行驶附着条件、汽车功率平衡等知识点。针对各知识点提炼问题,例如关于驱动力知识点，提出驱动力是否是汽车真实受力、驱动力有哪些影响因素等问题。最后,在研究性教学考核环节进行过程性考核,考核学生在各学习环节对相关问题的分析能力、解决能力,激励学生在学习全周期持续进行研究性学习,提高发现问题、独立解决问题的研究性学习能力。通过“汽车理论”课程虚拟仿真学习的学生具备汽车性能分析、计算、优化等较强学习和科研能力,所学理论能快速解决汽车设计、汽车使用过程中遇到的各类问题,具有一定的汽车性能优化创新的能力。

3 结语

将研究性教学与汽车虚拟仿真教学深度融合是车辆工程专业教育发展趋势,具有较好的可行性与应用价值。教学实践表明,融合研究性教学的汽车虚拟仿真教学平台着眼于学生—教师—学校—社会广义教育生态系统全局视角,学生、教师、学校、社会四方协同努力,共同建设、更新、优化汽车虚拟仿真教学平台,实现资源共享,为我国汽车工业培养出独立思考、动手能力强、有创新设计能力的人才。