李永力

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132102)

為全面貫徹實(shí)施教育部《2022年教育部高等教育司工作要點(diǎn)》關(guān)于推進(jìn)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)2.0，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)運(yùn)用”的要求，本著“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，秉承“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”的建設(shè)思路，將學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合，為高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)打好基礎(chǔ)，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1].汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)是車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，涉及《汽車構(gòu)造》、《汽車試驗(yàn)學(xué)》、《汽車?yán)碚摗泛汀栋l(fā)動(dòng)機(jī)原理》等課程的教學(xué)要求.該實(shí)驗(yàn)要在專門的實(shí)驗(yàn)室及專用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)、不適合高頻次重復(fù)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)成本高、實(shí)驗(yàn)效果受到一定的限制；此外后疫情時(shí)代對(duì)常規(guī)教學(xué)的沖擊較大，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響更加突出，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)類的資源較少，無(wú)法滿足教學(xué)需求[2].因此，借助先進(jìn)的現(xiàn)代化虛擬技術(shù)手段，以逼真的實(shí)物造型構(gòu)建虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的人機(jī)交互操作,可在線完成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)也是迫在眉睫[3].

1 設(shè)計(jì)目的

根據(jù)GB/T18297-2001《發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》中要求的發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)特性試驗(yàn)的條件和方法，發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)主要是使學(xué)生熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室的基本環(huán)境，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性、負(fù)荷特性等測(cè)試的虛擬仿真過(guò)程[4].在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)汽車試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的理解和應(yīng)用，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的發(fā)動(dòng)機(jī)理論知識(shí)測(cè)試，注重理論聯(lián)系實(shí)踐，同時(shí)涵蓋安全、清潔等6 S理念[5].

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、結(jié)合專業(yè)教學(xué)需求，構(gòu)建虛擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室的仿真環(huán)境，包括測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)兩大部分.測(cè)試系統(tǒng)包括電渦流測(cè)功機(jī)、燃料供給系統(tǒng)、油耗儀、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6].實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)、消聲與隔振系統(tǒng).

利用系統(tǒng)的智能引導(dǎo)功能，可由學(xué)生自主在平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境認(rèn)知、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)各部分組成與工作原理的學(xué)習(xí)，并虛擬實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性、負(fù)荷特性等測(cè)試過(guò)程，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、提交全部資料，結(jié)出評(píng)價(jià)成績(jī).

3 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)及操作，可按照以下流程完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，見圖1.

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程

4 性能測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室認(rèn)知模塊

利用三維建模技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬實(shí)驗(yàn)室，模擬出真實(shí)環(huán)境下需要具備的場(chǎng)地、儀器、設(shè)備的模型，根據(jù)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)要求，可由平臺(tái)智能引導(dǎo)采用三維交互漫游形式進(jìn)行相關(guān)部分的自主學(xué)習(xí)來(lái)查找資料、熟悉使用規(guī)范等[7].

4.1.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境認(rèn)知

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境安全的檢查：例如水箱是否有水、通風(fēng)是否良好、電源是否打開、滅火器材是否提供、各設(shè)備連接部分是否牢固等真實(shí)要?jiǎng)?wù)，見圖2.

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境認(rèn)知

4.1.2 實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架認(rèn)知

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的全部設(shè)備均可以自主認(rèn)知和學(xué)習(xí).利用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，即可顯示各設(shè)備的單獨(dú)顯示模型以及設(shè)備介紹，了解各設(shè)備的名稱及作用、工作原理等知識(shí).例如測(cè)功機(jī)及控制臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)及控制臺(tái)、油耗儀、尾氣收集器、水箱等，如圖3所示.

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)備認(rèn)知

4.1.3 實(shí)驗(yàn)室6S認(rèn)知

通過(guò)標(biāo)語(yǔ)展示、操作提示等辦法，讓學(xué)生熟悉并接受6S管理的基本理念和要求，將整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全等要素融入生產(chǎn)實(shí)踐中，更好地培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范管理意識(shí)及良好的職業(yè)行為習(xí)慣.

4.1.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作認(rèn)知

通過(guò)演示動(dòng)畫、文本及圖片等方法，使學(xué)生掌握發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)整體實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基本操作方法及注意事項(xiàng)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，創(chuàng)新“以學(xué)生為中心”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，為后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ).

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

1.實(shí)驗(yàn)開始前，要求先注冊(cè)學(xué)生的基本信息.包括學(xué)校、專業(yè)、班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)等基本信息，便于實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)據(jù)管理，見圖4.

圖4 實(shí)驗(yàn)人員基本信息錄入

2.系統(tǒng)為每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以供學(xué)生提前預(yù)習(xí)，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)；實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料；實(shí)驗(yàn)原理及步驟；實(shí)驗(yàn)需要記錄的數(shù)據(jù)列表；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)等內(nèi)容，如圖5.

圖5 實(shí)驗(yàn)類型及指導(dǎo)書

3.系統(tǒng)設(shè)置了理論測(cè)試環(huán)節(jié).在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作前，必須先完成理論測(cè)試，成績(jī)合格后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的具體操作.以此來(lái)保證學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解與認(rèn)知，提高操作的正確率和規(guī)范性，如圖6所示.

圖6 理論知識(shí)測(cè)試

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能引導(dǎo)功能.通過(guò)智能引導(dǎo)提示完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析與處理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行解答，進(jìn)而生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在虛擬的過(guò)程中也帶有真實(shí)的場(chǎng)地及設(shè)備維護(hù)體驗(yàn)，如圖7～10所示.

圖7 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架選擇

圖8 虛擬操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)界面

圖9 記錄數(shù)據(jù)

圖10 生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

5 系統(tǒng)技術(shù)要求

該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持網(wǎng)頁(yè)界面操作方式，軟件首頁(yè)支持教師、學(xué)生、系統(tǒng)管理員使用不同的身份進(jìn)行登錄；不同的身份具有不同的操作權(quán)限；提供系統(tǒng)管理功能[8].

系統(tǒng)包含各類發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架、發(fā)動(dòng)機(jī)溫控裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等完成試驗(yàn)所需要的全部硬件模型.畫面精美逼真、采用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染處理.

系統(tǒng)交互性良好，支持用戶在三維虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)，可通過(guò)自主學(xué)習(xí)來(lái)查找資料、熟悉使用規(guī)范，具有較強(qiáng)的交互性操作、豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、組建和維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等內(nèi)容.

能夠?qū)⒓訉?shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行全過(guò)程記錄，并隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)智能引導(dǎo)，對(duì)于學(xué)生預(yù)習(xí)效果、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)都具備完善的客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施過(guò)程中針對(duì)操作標(biāo)準(zhǔn)化、安全性、節(jié)約性、環(huán)保性、6S管理等要素加入一定的要求[9].

6 結(jié) 論

基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)虛擬構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室，利用系統(tǒng)的智能引導(dǎo)功能，可由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)室環(huán)境認(rèn)知、發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性、負(fù)荷特性等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.該系統(tǒng)采用仿真軟件以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到“虛從實(shí)來(lái)”；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備使用故障率高的學(xué)?？梢詫?shí)現(xiàn)“以虛補(bǔ)實(shí)”；對(duì)于不具備實(shí)驗(yàn)條件的、偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)?？梢浴耙蕴摯鷮?shí)”的應(yīng)用，提高了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的資源共享可能性[10].