虚拟仿真实验在“汽车空气动力学”教学中的应用与探索＊

曾凡琮

（江汉大学智能制造学院，湖北 武汉 430056）

汽车空气动力学专家从航空空气动力学等相关学科获得启发和经验，再结合汽车自身的特点，在汽车空气动力学领域取得了巨大的成就。随着研究工作的日益深入，“汽车空气动力学”已经逐步发展成了一门非常重要的学科。在现代汽车市场竞争中，具有最佳气动外形造型的汽车才更有生命力，可以说在汽车空气动力学方面的挑战是汽车面临的首要问题。

汽车空气动力学是主要研究空气与汽车相对运动时的现象、作用规律以及气动力对汽车各性能影响的一门科学，要求学生在系统掌握空气动力学基本理论的基础上，还需要通过实践训练掌握气动特性、汽车设计的能力。实验教学是“汽车空气动力学”课程教学中的重要环节，学生通过对理论和实验教学的学习，能够掌握基本理论及分析和解决实际问题，同时也培养了学生探索理论和创新的能力。

随着汽车车速的不断提高以及能源问题日趋严重、汽车空气动力学的快速发展以及研究工作的日益深入，“汽车空气动力学”学科面临严峻的挑战，普遍存在教学脱离实际的现象。目前的教学方案往往忽视了对学生创新和创造能力的培养，学校无法给予学生良好的实验条件和设备，在有限的课堂学时中，无法使学生真正掌握实验教学的核心内容，无法理论联系实际。以上问题导致学生无法完全将“汽车空气动力学”的理论与实践融会贯通，进入研究阶段后难以适应。

目前“汽车空气动力学”课程实验受场地、成本等因素的影响难以全面开展，而在教学中应用虚拟仿真实验是解决这一问题的科学方法，虚拟仿真实验不同于传统实验，其可视化效果更强。因此，有必要建立汽车空气动力学虚拟仿真实验环境，针对性地对学生的实践能力和理论联系实际的能力进行培养。“汽车空气动力学”课程虚拟仿真实验可实现对教学资源的高效利用和探索创新，极大程度地发挥学生学习的主动性，培养其探索和实践的综合能力。

1 教学现状分析

“汽车空气动力学”课程是汽车专业的一门重要专业理论课，以汽车空气动力学理论及其相关的流体力学基础为出发点，详细探索车型的外形气动特性、尘土污染以及气动噪声等汽车空气动力学问题，汽车发动机冷却及驾驶室通风等内流问题，汽车空气动力学试验技术及数值计算等问题。该课程既有理论分析又有实际应用。

据分析，目前“汽车空气动力学”课程教学主要采用传统的课堂教学，而课堂教学具有课程评价系统完整、教案成熟、教师对授课内容熟悉等优势。但这种“叙述式”教学法很难调动学生的主观能动性，教师与学生交流较少，互动率较低。这种教学方法没有从实际工程中找问题，理论联系实际不够紧密。学生学习理论知识后，无法很快与实际工程相结合，学生普遍反映理论与实际是脱节的。

为此，国内众多学者针对传统课题教学存在的不足，提出了许多新的教学方法，其中虚拟仿真实验的引入取得了良好的教学效果。陈万通等[1]构建了适用于“导航原理与系统”课程的虚拟仿真实验教学体系，设计了地面信标天线安装与板件互联虚拟仿真实验系统、ILS 航向信标信号测试与排故虚拟仿真实验系统。李启良等[2]针对“汽车空气动力学”课程教学存在的“叙述式”等问题，提出以“学生为中心、产出为导向、持续改进”的教学思路、“教学与科研相互促进”的教学理念，探索将科研成果融入课程体系。张晓磊等[3]探讨了虚拟仿真实验在临床生物化学检验实验教学中的应用，通过问卷调查和操作考核发现虚拟仿真实验有助于将传统实验与虚拟仿真实验教学模式相结合，可以提高学生的实践和创新能力。郭世永等[4]针对本校车辆工程专业培养方案的基本要求，试图构建纯电动车动力系统及控制虚拟现实教学实验平台，提高学生的创新精神和实践能力。靳华伟等[5]提出了汽车实验教学虚拟化平台建设方案，详细介绍了平台的组成和设计思想，并列举实验案例进行了应用验证。刘晓刚等[6]搭建了流化床锅炉燃烧虚拟仿真实验平台，从教学资源建设、教学和管理队伍建设、管理和共享平台以及管理体系等方面介绍了流化床锅炉燃烧虚拟仿真实验平台的建设情况，并提出了虚拟仿真实验教学改革方面的建议。祖梅等[7]分析了“材料学”课程的教学特点，针对学校“材料学实验”课程中存在的问题，在教学模式、虚拟仿真实验等教学内容和教学方法方面进行了探索创新。

在“汽车空气动力学”课程教学和虚拟仿真实验环节，同样可以做出一些创新性的教学改革。例如教师可以结合科研实例，讲解汽车车身表面尘土污染的形成和控制、汽车噪声的来源及控制、减小气动升力的主要措施等，通过在书本理论中增加课题研究的内容，使学生深入了解汽车空气动力学领域国内外最新的研究现状。同时，教师还可以根据具体的课题研究，指导学生更深入了解理论知识点与实际的结合情况。例如在讲解“汽车空气动力学试验技术”这一节时，结合教师的科研项目，详细讲授风洞试验的测量仪器、风洞试验的内容、道路试验的方法等，可以结合最新的流线型轿车、赛车，说明其设计的原理和优势，这样能让学生更直观地了解试验和理论是如何结合的，让学生掌握主流的汽车外型设计思路和方法流程等。在虚拟仿真实验环节，教师在课堂上讲授计算机数值仿真的原理、方法等理论后，可以配合虚拟仿真实验培养学生建模、分析、求解、后处理等仿真能力。学生可以在教师指导下，对CFD 仿真软件STAR-CCM+、FLUENT 等进行实操，从而加深对有限体积法、有限差分法等流体力学数值方法的理解和掌握，提高学生的学习兴趣和主动性。

2 虚拟仿真实验的探索

虚拟仿真实验教学资源的建设主要包括以下几方面：①配置虚拟仿真实验设备和软件。在集成的虚拟仿真实验设备中安装虚拟实验软件，虚拟实验软件由高校教师团队或委托第三方科技公司进行开发，在软件中集成了教学资源和仿真界面，并将软件集成到虚拟仿真实验教学的管理和共享平台中。②虚拟实验课程的建设。在平台的教学管理框架的基础上构建实验课程，在课程管理界面提供实验仿真软件上传的接口。

2.1 实验的意义和目的

虚拟仿真实验的典型代表是汽车风洞试验，其从本质上讲是一种模拟方法，即通过风洞和汽车模拟来模拟道路行驶条件下汽车与空气相对运动环境。虚拟仿真实验一方面可以理解为“数字化风洞”或“虚拟风洞”；另一方面，还可以研究一些风洞试验难以模拟的情况，比如汽车的超车情况、近距离队列行驶情况以及非稳态的风环境等。虚拟仿真实验的目的并不是为了取代传统实验，两者是相互促进、相互补充的。

随着计算机技术的飞速发展，空气动力学数值模拟将在新产品开发中起到越来越大的作用，发达国家用巨型计算机研究空气动力学数值，美国和日本等国花费巨资研制空气动力学数值模拟。在汽车造型概念设计阶段即可分析其空气动力学特性。通常采用CFD技术分析第一轮设计方案的空气动力学性能，之后对第二轮设计方案进行空气动力学数值模拟并开始进行小比例模型风洞试验，第三轮开始全尺寸模型风洞试验。在进行风洞试验时，开始测量各种优化方案的结果。CFD 技术的优势是可以充分展示流场的流动结构，有助于研究人员分析出相应试验测试结果的原因，从而能够更高效地发现好的改进方向和方案。

2.2 虚拟仿真实验的实践

以汽车在风洞中的流场为例，制作汽车风洞视频，将视频集成到虚拟仿真实验设备中，学生通过观看视频可以直观了解汽车风洞的结构形式和工作原理，对汽车风洞有深刻的认识。在软件中嵌入汽车风洞流场的彩图、曲线等素材，对风洞温度场、压力场、速度场等流场进行描述。将STAR-CCM+、FLUENT 等CFD仿真软件集成到虚拟仿真实验设备中，指导学生运用仿真工具进行流场的数值计算，用可视化工具将仿真结果直观地显示出来。让学生参与到教师关于汽车空气动力学仿真的科研项目中，从实践中了解、理解和掌握汽车在风洞中的流场，将理论和实际相结合，提高解决问题的能力。

3 虚拟仿真实验的教学设计

虚拟仿真实验教学设计的一般流程主要分为4 个环节，具体包括选题分析、实验设计、实验实施以及实验评价和改进等。在选题分析方面，需要对学生的学情、教学目标以及虚拟仿真实验的适用性进行分析。在分析学生学情方面，首先需要了解学生的认知发展水平，才能使学生在实验探索中理清思路，紧跟教师的思维和步伐；其次需要了解学生的知识掌握水平和实验操作技能水平，学生的实验操作技能水平参差不齐，只有了解清楚学生的实验操作能力，才能判断出学生进行虚拟仿真实验的难易程度，从而选择适当的实验教学模式；最后需要了解学生对汽车空气动力学虚拟仿真实验的感兴趣程度，充分发挥学生的主观能动性，激起学生的求知欲和学习兴趣。在分析教学目标方面，需明确实验教学要求，教学目标是教学活动的中心，教学活动需围绕教学目标逐级开展。可根据“汽车空气动力学”课程大纲和学生的实际学习情况来综合确定教学目标。在分析虚拟仿真实验的适用性方面，对于虚拟仿真实验，教师要清楚其适用的范围和课程内容，如何合理利用以提高教学效果；可结合虚拟仿真实验教学的特点，辅助传统教学，从而提高教学质量和水平，使学生充分融入课堂中。

在“汽车空气动力学”课程教学目标确定后，需根据实验内容设计其虚拟仿真实验内容，教师可根据具体内容制定相应的实验模块。“汽车空气动力学”课程的实验内容可分为流场的基本原理实验、软件的虚拟仿真实验、虚拟风洞实验等。结合汽车空气动力学虚拟仿真实验平台，教师既可以选择软件自带的实验案例进行教学，也可以根据自身要求自行设计和组合，进行探究式教学。虚拟仿真实验的设计有助于师生之间、人机之间的交流互动，学生有充分的思考空间，促进其创新和发散思维的培养。

在实验实施和评价改进方面，学生可以提出自己的想法，并在虚拟仿真实验平台上实现，把设计思路展示出来，并在教学后进行反思和评价，在反思中回顾实验设计过程存在的不足之处，教师反思教学实施过程和教学效果的不足之处，寻求解决途径和措施，通过反思并进行自我总结，逐步改进实验内容、实验方案以及操作内容，从而提高教学效率和教学能力。

通过对虚拟仿真实验教学的设计，使“汽车空气动力学”实验教学逐渐走向成熟，并融入教学更好地辅助课堂教学。

4 虚拟仿真实验建设内容和路径

本校与企业联合共建产学研协同创新新能源汽车虚拟仿真教学实验平台，通过联合建设的方式，引入国内外领先的ⅤR/AR 技术、方案及管理和教学内容，制定适合本校该专业学生的教学资源和计划。

本校与企业联合开发新能源汽车ⅤR 智慧课堂软件，以“汽车空气动力学”为架构，一方面，通过结合文字和ⅤR 模型、动画、彩图、曲线等，展示学生结构和相关原理等重难点；另一方面，搭建教师客户端，可以编辑视频、图片等素材，有助于全面实现对课堂实验的虚拟仿真。

5 结语

本文分析了“汽车空气动力学”课程的教学现状和存在的主要问题，阐述了虚拟仿真实验在“汽车空气动力学”教学中的作用和优势，探索了虚拟仿真实验的意义和目的。以汽车在风洞中的流场为例，指明虚拟仿真实验的实践过程，并对虚拟仿真实验建设内容和路径进行了规划。虚拟仿真实验的应用是对传统课题教学的创新，学生可将理论和实际相结合，提高解决问题的能力。