虛擬仿真學(xué)科“金課”建設(shè)與實踐

吳鵬 常遠

摘要：近兩年高等教育領(lǐng)域的熱點詞匯“金課”“水課”，以及教育部所提出的“淘汰水課、打造金課”的號召為新工科背景下教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)及實踐提供了方向。鑒于此，本文以青島理工大學(xué)的車輛工程專業(yè)為例，關(guān)注及探討其如何利用虛擬仿真技術(shù)的沉浸性、交互性、虛幻性及逼真性建設(shè)具有開放型、網(wǎng)絡(luò)化、多層次、綜合性功能的車輛工程虛擬教學(xué)實驗平臺，以打造虛擬仿真學(xué)科金課。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;金課建設(shè);車輛工程專業(yè)

一、虛擬仿真金課的概念及建設(shè)要求

金課，即含金量高的課程，其有著兩性一度（高階性、創(chuàng)新性及挑戰(zhàn)度）的標準，以及其目標是培養(yǎng)具有理論知識、應(yīng)用能力及綜合素質(zhì)等高級思維的人才，[1]隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+力量及元素已滲透教育領(lǐng)域，而為虛擬仿真學(xué)科金課的建設(shè)及實踐提供了方向，即利用高科技“智能”手段虛擬實境進行實景訓(xùn)練的實踐。當前，已有部分高等教育院校通過建設(shè)型、網(wǎng)絡(luò)化、多層次、綜合性的車輛工程虛擬教學(xué)實驗平臺[2]，將以前處于分散且難以建立聯(lián)系的諸如汽車理論、汽車設(shè)計、汽車安全等不同專業(yè)課的理論知識學(xué)習(xí)與教學(xué)實驗融為相互支撐且虛擬仿真實驗與實體實驗互為補充的整體，以便在實驗與實驗、實驗與教學(xué)課程等之間形成具有具有邏輯層次的系統(tǒng)概念，從而培養(yǎng)及強化學(xué)生理解及運用知識的能力。此外，虛擬仿真教學(xué)實驗由于具有沉浸性、交互性、虛幻性及逼真性等優(yōu)點，而可解決真實項目的場地、成本、安全等問題，促使學(xué)生在虛擬實境中完成各類實驗，同時又有效地培養(yǎng)他們自主探索及研究的學(xué)習(xí)能力。

二、虛擬仿真金課的建設(shè)及實踐

為了更為準確清晰地了解新工科建設(shè)背景下虛擬仿真技術(shù)如何助力于工科“金課”的建設(shè)及實踐，本文以曾獲得山東省特色專業(yè)、山東高水平應(yīng)用型立項建設(shè)重點專業(yè)等榮譽的青島理工大學(xué)的車輛工程專業(yè)為研究對象，重點探討此專業(yè)如何借助虛擬仿真教學(xué)實驗平臺打造新工科背景下的“金課”。

（一）汽車電動助力轉(zhuǎn)向虛擬實驗

由于汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的真實實驗在便捷性方面存在不足，于是常采用虛擬實驗替代它。同時在虛擬實驗中，會通過傳感器、控制器及執(zhí)行機構(gòu)等三大模塊讓學(xué)生了解EPS裝配過程及其工作原理，助力特性曲線模式和轉(zhuǎn)矩傳感器工作模式。其中，EPS裝配過程可利用CAD軟件的三維建模功能，讓學(xué)生自主裝配，及在裝配后通過模型動畫演練EPS的工作原理。

（二）ABS＼ESC結(jié)構(gòu)虛擬實驗

ABS，是一種存在防滑、防鎖等優(yōu)點的防抱死制動安全系統(tǒng)。而ESC，則是基于ABS和牽引力控制（TCS）優(yōu)點，并附加車輛轉(zhuǎn)向行駛的橫擺率傳感器、側(cè)向加速度傳感器及方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等部件，通過ECU控制前后、左右車輪的驅(qū)動力和制動力，確保車輛行駛的側(cè)向穩(wěn)定性的一種電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)。[3]由此可知，有關(guān)ABS＼ESC的真實實驗，對于學(xué)生而言是一種在實境中具有較大危險的學(xué)習(xí)實踐體驗，故需要虛擬實驗給予替代，并要求學(xué)生能夠采用3D建模的方式，生動形象地展示ABS和ESC的運作原理，從而有效地掌握相關(guān)專業(yè)知識。

（三）汽車碰撞虛擬實驗

汽車碰撞主要包括汽車爆胎，汽車正撞、側(cè)碰、追尾、汽車剎車不及時等內(nèi)容，其真實實驗由于涉及到人身安全、汽車設(shè)備昂貴，汽車操作危險性搞，實驗損壞不易修復(fù)等問題，而導(dǎo)致學(xué)生實驗操作機會甚少，而且不敢深入實驗，從而達不到預(yù)定的實驗效果。鑒于此，汽車碰撞實驗可借助虛擬仿真技術(shù)，通過真實還原汽車和實驗場景，讓學(xué)生直觀地看到不同車速下車輛正面?zhèn)让媾鲎驳男巫兾灰频?，得出影響汽車碰撞的因子，從而有效降低汽車碰撞的概率?/p>

結(jié)語

教育部針對當前高等教育課堂普遍存在的陳舊性、低階性、不用心的水課，提出以建設(shè)具有高階性、創(chuàng)新性、高挑戰(zhàn)的金課給予取代，從而有效地調(diào)和傳統(tǒng)高等教育課堂與新工科建設(shè)人才需求之間的矛盾。但是新工科背景下的“金課”建設(shè)及實踐并非瞬間之事，而是一個長期的過程。鑒于此，本文以虛擬仿真技術(shù)的工科學(xué)科的應(yīng)用為例，重點探討它如何服務(wù)于工科學(xué)科之一的車輛工程專業(yè)，在提高學(xué)生工程理論及實踐解決復(fù)雜問題能力的同時，實現(xiàn)金課的教學(xué)成效及價值內(nèi)涵。

參考文獻

[1]彭麗.應(yīng)用型本科高校設(shè)計類專業(yè)"金課"建設(shè)教學(xué)改革研究[J].大觀，2019（7）：156-157.

[2]江浩斌等，車輛工程虛擬仿真實驗教學(xué)體系與平臺的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索2017（6）：114-117.

[3]張文春.第六章;汽車的操縱穩(wěn)定性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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[5]劉文婷，王波.基于虛擬樣機技術(shù)的蛇行試驗仿真分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2010（2）：35-37.