汽车发动机性能虚拟仿真实验教学系统设计

李永力

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132102)

为全面贯彻实施教育部《2022年教育部高等教育司工作要点》关于推进“虚拟仿真实验教学2.0，强化实验空间平台运用”的要求，本着“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，秉承“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的建设思路，将学科专业与信息技术深度融合，为高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设打好基础，开发虚拟仿真实验教学系统具有非常重要的现实意义[1].汽车发动机性能实验是车辆工程专业的基础性实验，涉及《汽车构造》、《汽车试验学》、《汽车理论》和《发动机原理》等课程的教学要求.该实验要在专门的实验室及专用的实验台架上进行，传统实验手段存在一定的安全风险、不适合高频次重复实验、教学成本高、实验效果受到一定的限制；此外后疫情时代对常规教学的冲击较大，尤其是实验教学影响更加突出，网上虚拟实验类的资源较少，无法满足教学需求[2].因此，借助先进的现代化虚拟技术手段，以逼真的实物造型构建虚拟的发动机台架测试系统和实验室环境系统，实现虚拟设备的人机交互操作,可在线完成汽车发动机性能仿真实验教学系统也是迫在眉睫[3].

1 设计目的

根据GB/T18297-2001《发动机性能试验方法》中要求的发动机相关特性试验的条件和方法，发动机性能实验主要是使学生熟悉发动机性能实验室的基本环境，进行发动机速度特性、负荷特性等测试的虚拟仿真过程[4].在实验设计中，注重培养学生对汽车试验方法标准的理解和应用，进行实验前的发动机理论知识测试，注重理论联系实践，同时涵盖安全、清洁等6 S理念[5].

2 设计内容

基于计算机仿真技术、结合专业教学需求，构建虚拟汽车发动机性能实验室的仿真环境，包括测试系统和实验室环境系统两大部分.测试系统包括电涡流测功机、燃料供给系统、油耗仪、冷却系统、控制系统和数据采集系统[6].实验室环境系统包括通风系统、发动机排气系统、消声与隔振系统.

利用系统的智能引导功能，可由学生自主在平台上完成实验室环境认知、发动机测试系统各部分组成与工作原理的学习，并虚拟实施发动机速度特性、负荷特性等测试过程，记录实验数据、生成实验报告、分析实验结果、提交全部资料，结出评价成绩.

3 实验流程设计

学生通过自主学习及操作，可按照以下流程完成整个实验过程，见图1.

图1 虚拟仿真实验流程

4 性能测试模块设计

4.1 发动机性能实验室认知模块

利用三维建模技术构建汽车发动机性能虚拟实验室，模拟出真实环境下需要具备的场地、仪器、设备的模型，根据教学培养目标要求，可由平台智能引导采用三维交互漫游形式进行相关部分的自主学习来查找资料、熟悉使用规范等[7].

4.1.1 实验室环境认知

针对实验室环境安全的检查：例如水箱是否有水、通风是否良好、电源是否打开、灭火器材是否提供、各设备连接部分是否牢固等真实要务，见图2.

图2 虚拟实验室环境认知

4.1.2 实验室台架认知

实验室内的全部设备均可以自主认知和学习.利用鼠标右键点击，即可显示各设备的单独显示模型以及设备介绍，了解各设备的名称及作用、工作原理等知识.例如测功机及控制台、发动机及控制台、油耗仪、尾气收集器、水箱等，如图3所示.

图3 虚拟实验室设备认知

4.1.3 实验室6S认知

通过标语展示、操作提示等办法，让学生熟悉并接受6S管理的基本理念和要求，将整理、整顿、清扫、清洁、素养、安全等要素融入生产实践中，更好地培养学生规范管理意识及良好的职业行为习惯.

4.1.4 实验台操作认知

通过演示动画、文本及图片等方法，使学生掌握发动机测功机整体实验台的基本操作方法及注意事项，以任务驱动的方式来引导学生进行自主学习，创新“以学生为中心”的实验教学方法，为后续的发动机性能实验打下良好的基础.

4.2 发动机3个特性实验模块

1.实验开始前，要求先注册学生的基本信息.包括学校、专业、班级、姓名、学号等基本信息，便于实现后续的数据管理，见图4.

图4 实验人员基本信息录入

2.系统为每项实验都提供实验指导书，以供学生提前预习，包括实验目的和任务；实验仪器、设备及材料；实验原理及步骤；实验需要记录的数据列表；实验过程中的注意事项等内容，如图5.

图5 实验类型及指导书

3.系统设置了理论测试环节.在进行实验操作前，必须先完成理论测试，成绩合格后才能进行实验的具体操作.以此来保证学生对整个实验的理解与认知，提高操作的正确率和规范性，如图6所示.

图6 理论知识测试

4.系统设计了智能引导功能.通过智能引导提示完成每个实验的操作流程，记录相关数据，完成数据分析与处理，发现问题并进行解答，进而生成实验报告，在虚拟的过程中也带有真实的场地及设备维护体验，如图7～10所示.

图7 实验台架选择

图8 虚拟操作实验台界面

图9 记录数据

图10 生成实验报告

5 系统技术要求

该系统基于B/S架构设计，支持网页界面操作方式，软件首页支持教师、学生、系统管理员使用不同的身份进行登录；不同的身份具有不同的操作权限；提供系统管理功能[8].

系统包含各类发动机台架、发动机温控装置、发动机测控系统、燃油系统、排放系统等完成试验所需要的全部硬件模型.画面精美逼真、采用虚拟现实实时渲染处理.

系统交互性良好，支持用户在三维虚拟实验室环境中实现沉浸式学习，可通过自主学习来查找资料、熟悉使用规范，具有较强的交互性操作、丰富的发动机实验数据、组建和维护实验设备等内容.

能够对参加实验的学生进行全过程记录，并随时进行实验智能引导，对于学生预习效果、实验步骤以及实验成绩评价都具备完善的客观评价标准，实施过程中针对操作标准化、安全性、节约性、环保性、6S管理等要素加入一定的要求[9].

6 结 论

基于计算机仿真技术虚拟构建汽车发动机性能实验室，利用系统的智能引导功能，可由学生自主完成实验室环境认知、发动机速度特性、负荷特性等实验内容.该系统采用仿真软件以及真实实验台架测量来构建数据库，达到“虚从实来”；对于发动机性能测试设备数量少、设备使用故障率高的学校可以实现“以虚补实”；对于不具备实验条件的、偏远地区的学校可以“以虚代实”的应用，提高了线上实验教学开展的资源共享可能性[10].