汽车液压传动虚拟实验平台建设意义及应用探讨

张智明，赵治国*，张娟楠，常 炜

汽车液压传动虚拟实验平台建设意义及应用探讨

张智明1，赵治国*1，张娟楠2，常 炜1

（1.同济大学汽车学院，上海 200092；2.同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

党的二十大赋予了高等教育新的历史使命和发展格局，为满足国家“三新一高”和汽车“新四化”背景下车辆工程专业人才工程实践能力培养的重大需求，针对汽车专业液压传动课程传统实践教学存在的实验教学条件不足、手段单一和育人效果不佳等共性问题，开展汽车液压传动虚拟教学实验平台建设开发是目前有效的解决手段。通过国内外广泛调研，总结了目前液压传动课程实践教学环节客观存在的诸多实际问题，系统综述了国内外虚拟仿真技术的发展，以及在实验教学应用中的技术现状，提出了汽车液压传动虚拟实验教学平台的建议意义，明确了汽车液压传动虚拟实验教学平台建设的具体要求和实际应用效果，为汽车液压传动虚拟实验平台的建设内容和功能开发提供了有效指导，对实现液压传动专业基础课与工程实践育人相统一的课程教学新模式具有积极的参考借鉴意义。

汽车液压传动；课程实践；虚拟仿真；实验平台建设

总书记习近平同志在党的二十大报告中提出[1]，要实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑，充分体现了教育是国之大计，是中国式现代化发展建设新征程中的基础支撑力量和重要保障条件。如何进一步深化高等教育改革，对推动中国式现代化进程和提升我国高等教育的高质量发展具有重大的实际意义。

近年来，随着我国教育水平的不断提升，教育理念逐步升级，对学生实践能力培养也愈加重视。自我国2016年6月加入《华盛顿协议》[2]，高等教育越来越注重学生对于知识理论的实践应用，注重对复杂工程实际问题的分析解决和团队协作等综合实践能力的探索与培养，但这对本科教学中工程教育的实践教学环节提出了更高的要求。

实验教学是高等院校教学过程中的重要组成部分，是促进学生深化理论知识、掌握实验基本技能和基本研究方法的实验教学环节，旨在加深学生深刻理解书本知识，做到理论与实践相统一。车辆工程专业课程的实验教学可以加深学生对基本概念和理论的理解和掌握，更重要的是培养学生发现问题、分析问题和解决实际问题的能力。

随着现代汽车技术的发展，流体力学和液压传动技术在现代汽车上得到了广泛的应用[3]，车身空气动力学中空气阻力和汽车系统动力学中侧风影响、液压助力转向、空气悬架、液压制动等广泛应用于各类汽车产品。流体力学和液压传动课程车辆工程专业的重要专业基础课，对培养学生创新精神和工程实践能力起着重要作用。液压传动课程是车辆工程专业中一门实践性强的专业基础课程，往往需要学生参与相关的实践操作环节。

虽然近年来国内各大高校加大了对实验教学资源的投入，但效果却不尽人意。尤其是液压传动课程的实践教学，极大程度上依赖于实验场地和实验设备条件，而近年来线上教学、实践教学的开展受到极大的制约。因此，探索汽车液压传动虚拟仿真的实践教学方式具有重要的研究意义[4]。

1 存在的主要问题

现有汽车液压与气压传动课程一般以教师讲授为主，相关配图无法反映液压元件内部构造和参数变化，导致学生难以理解抽象的理论内容，教学效果并不理想，存在液压传动技术在汽车上的广泛应用与目前实验教学条件不足及手段简单这一现实情况的主要矛盾[5]。传统实践教学课程主要基于学校的实验设备和场地展开，存在诸多难以解决的问题，具体如下：

1）课时不足。车辆工程专业本科生课程较多，液压传动技术课程学时安排紧凑，主要强调书本内容的教育和考核，教学中难以安排实践环节。

2）实验设备与场地限制。很多实验室都存在设备不足与老旧的问题，而且本科生人数众多，导致学生无法做到人人操作设备，也不能深入了解实验方法。而在开展线上教学时，即使实验设备满足，也很难组织实践教学。

3）实验内容和安全性限制。液压元件往往外部造型简单而内部结构复杂，学生难以通过一次实验完全掌握，缺乏重复操作的条件。而且部分液压传动实验存在一定的危险性，一般是由专业的实验人员操作，学生们观摩和记录实验数据，学生无法亲自操作来提升对课程内容的认知。

4）实验室维护管理困难。液压元件多且杂，液压传动系统装配复杂，在反复拆装过程中容易造成元件损毁和丢失，实验室维护管理困难。

5）由于教学任务重，教学时间有限，没有条件开设实验课程。即使开设了实验课程，在实验台上看到的是元件及表盘，且感性认识少又没有实践经验，对完整系统回路的理解效果不明显。

显然，传统实践教学模式无法满足课程教学的实际需求。因此采用新的实践教学技术，改革原有的实践教学模式，是实践教学改革的新课题。在虚拟现实技术飞速发展的现在，虚拟实验应运而生[6]。

2 虚拟仿真实验技术现状

虚拟实验建立了一个虚拟的平台仿真实验环境，将虚拟仿真与现实实验相结合，注重实验操作的交互性和实验结果的仿真性[7]。虚拟实验能将抽象的理论教学内容用直观的模型和仿真实验显示，并能模拟实际的流体和液压元件拆装过程，加深学生理解。汽车液压传动虚拟教学实验平台开发，可以为汽车专业高级人才展示生动丰富的实验教学内容，可以弥补实际实验室硬件条件的局限，减少实验设备投入，有效缓解实验设备缺乏和教学课时有限的矛盾[8]。

2.1 国外研究现状

具有高度沉浸感的虚拟现实技术最早可以追溯到20世纪60年代娱乐业中的传感影院[9]，其目的是吸引观众的注意。到20世纪80年代，虚拟现实技术开始应用于职业教育和培训，利用虚拟现实技术模拟训练飞行员。到20世纪90年代，美国研究人员在科学空间（Science Space）将虚拟现实技术引入基础教育和高等教育[10]。21世纪初出现了大量基于虚拟现实技术的虚拟实验室。美国20余所顶尖大学和印度甘露大学开展合作，建设虚拟学习环境和在线实验室（Online Labs）；美国科罗拉多大学开设PhET交互式虚拟仿真实验建设，为学生开展探究性学习提供了实验条件；新西兰惠灵顿维多利亚大学建筑和设计学院建设了3D模型车间，可以在虚拟场景中进行产品设计和模型打印[11]。虚拟仿真技术的发展，促使实验教学环节发生深刻改变。

在液压传动课程实践教学方面，法国工程师院校在上世纪末就开始将AMESim仿真软件应用于课堂教学中，为多学科复杂系统建模仿真提供了一种有效的实验平台，具有直观图形界面，可实现面向原理图建模[12]；美国佐治亚理工学院基于Java语言开发了VAL（Virtual Access Labora- tory）平台，学生可以在平台上自行设计并开展机械、电气、液压传动、热力学等虚拟实验[13]；德国波鸿鲁尔大学使用LabVIEW进行液压传动课程辅助教学，并基于Unity开发了远程虚拟实验平台，学生可以在平台上进行机械、液压传动等多学科的虚拟实验[14]。

2.2 国内研究现状

我国极为重视虚拟仿真实验教学的建设发展，早在2013年8月，教育部在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中指出“虚拟仿真实验教学中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能”定义[15]，并在之后不断推进教学信息化改革，促进实验教学新模式发展。2018年12月，工信部印发了《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》，明确支持推进虚拟现实技术在高等教育和职业教育等领域实验性、演示性课程中的应用，构建虚拟教室、虚拟实验室等教育教学环境，推动教学模式转型[16]，为高等教育虚拟仿真实验教学指明了发展方向。

清华大学成立了材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心[17]，开发了一百余个虚拟仿真实验教学项目，开展了极端条件下材料制备、复杂加工及成型、材料服役行为等虚拟仿真实验教学。浙江大学成立医学虚拟仿真实验教学中心[18]，开设血管急重症的临床思维虚拟仿真教学系统，产房分娩及新生儿处理虚拟仿真实验教学等虚拟仿真实验教学，面向临床医学、口腔医学等专业的本科生、留学生及研究生超过 3 000 人开设实验课程。上海交通大学建立机电学科虚拟仿真实验教学中心[19]，开发了微机系统仿真，三极管共射电路等虚拟仿真实验。中国科学技术大学利用虚拟仿真技术开发几何光学实验平台[20]，将物理教学仪器系统放入虚拟场景，搭建虚拟仿真教学应用实验平台。

在车辆工程和液压传动教学方面，江苏大学建立了国家级汽车与交通工程虚拟仿真实验教学中心[21]，开展了发动机构造与原理、汽车构造与原理、发动机负荷特性等虚拟仿真实验教学；厦门大学建立的机电类虚拟仿真实验教学中心[22]，开展了液压与气压传动仿真实验教学，包括元件认知、工作原理、结构与拆装等教学内容。

3 虚拟仿真实验平台建设意义

汽车液压传动虚拟实验教学平台的实现将有效缓解高校在经费、场地、实验仪器等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验限制，无论是学生还是教师，都可以随时随地上网进入虚拟实验室，进行各种实验，有助于提高实验教学质量。同时，相比于传统实验，虚拟实验室开发和维护的成本较低，且不受时间、地域限制也能让学生进行实践操作。因此，利用虚拟现实技术，以真实模型为基础，开发的虚拟仿真教学系统，能极大提高教学效率，降低实验设备采购成本，且容易跟进最新实验方法，对解决实践教学过程中存在的诸多问题具有及其重要的研究意义。

因此，从汽车液压传动课程教学面临的实际问题出发，基于多年教学经验积累，利用虚拟现实技术原理进行液压传动虚拟教学平台系统的开发和研究，主要建设意义如下：

1）实现汽车液压传动课程本身的强实践性。实验操作是车辆工程专业必备的课程教学环节，课程本身也决定了需要开发高交互性的虚拟实验系统，这也是卓越工程师课程建设上的一项重要工作和内容，同时可以为高校的虚拟仿真实验技术提升积累实践经验。

2）提升液压传动课程教学质量。通过开发液压传动虚拟教学平台系统，能让学生通过线上学习的方式，自主学习液压传动系统相关知识，做到课前预习、课中学习、课后复习的有效结合。既能再现真实操作，又能克服时间、空间和设备的制约，有效解决目前液压传动课程实践教学中存在的诸多问题，达到优化教育资源，提高教学质量的目的。

3）推进汽车液压传动本科教学模式改革。将虚拟实现等信息化教学方式引入“理论教学+实验教学”的传统教学模式中，推动液压传动教学模式向高科技、现代化、信息化和网络化改革，使传统的课堂教学结构由“以教师为中心”转变为“教师主导－学生主体相结合”。

4）推动车辆工程专业学科和信息化技术融合。将虚拟现实技术融入汽车液压传动教学过程，实现学科和信息化技术的融合。充分发挥信息化技术发展的优势，推动跨学科交叉和创新驱动发展。

5）提升整体教学效果。虚拟实验教学平台的开发，可以将汽车上涉及到的液压传动技术应用集大成于一套虚拟教学实验平台中，统一讲授。同时也避免其他专业课程讲解中要么直接忽略掉液压传动技术讲解，要么教师对不熟悉的内容花很长时间备课讲解。

6）同时该过程也对教师本人专业成长具有十分积极的意义。参与实验教学改革建设，对教师来说，是专业成长中十分重要的途径。汽车液压传动虚拟实验教学平台开发，可以使教师认真研究专业和学生特点，获得知识的真谛。

4 虚拟实验平台建设要求及应用效果

汽车液压传动虚拟实验教学平台可以使学生通过该虚拟实验教学平台系统重温理论教学中的重点内容，并通过虚拟实验教学方式，提升工程实践能力，掌握汽车液压传动试验方法，加深对书本难点和重点知识的理解。为更好发挥汽车液压传动虚拟实验教学平台作用，应在设计开发过程中明确以下教学实践要求及应用效果。

4.1 汽车液压传动虚拟仿真实验教学平台的教学实践要求

1）真实性。包括汽车液压传动工作场景真实性和操作真实性。场景真实性是指虚拟实验平台系统内的液压元件模型和实验设备模型都高度还原真实情况，能让学生在使用过程中有身临其境的感觉。操作真实性指的是虚拟仿真实验中实验流程与真实情况完全一致，学生操作后得到的系统反馈也和真实情况相同。

2）便捷性。因为虚拟实验教学平台设计主要用于课程教学中，因此应当便于师生操作，需要设计简洁、方便的平台操作界面。同时，为了能适配不同的电脑配置，在进行开发时应当进行模型的简化，并适当降低不重要的部件渲染质量，降低整个软件包所占资源，提升运行速度。

3）丰富性。汽车液压传动课程内容丰富、复杂、抽象，为了能让学生更全面地理解其中的难点和重点内容，虚拟实验教学平台系统应当包含丰富的液压元件模型、液压回路实验和汽车液压传动应用技术，同时还应随着技术革新，逐步更新虚拟实验教学平台系统的功能，做到丰富多样，与时俱进。

4.2 汽车液压传动虚拟实验教学平台系统的教学应用效果

根据以上预期的教学实践要求，汽车液压传动虚拟实验教学平台应在本科教学实践中实现如下应用效果：

1）汽车液压元件三维虚拟实物展示效果，破除书本中的元件平面二维认知。为真实反映汽车液压元件外观，特别是内部详细构造，包括液压系统中动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸）、控制元件（液压阀）和辅助元件（压力表等）的三维模型展示。同时还应该对液压元件职能符号和工作原理进行必要性介绍，实现学生“课上课下交互”深刻理解课程内容。

2）汽车液压元件虚拟实物的剖视调节功能，实现多维度、多角度学生认知能力培养。通过建立液压元件的三维实体模型，实现液压元件的不同剖视功能和不同观测角度调节。让学生可以根据自身学习需要，看到液压元件的1/4、半剖、3/4等剖视图，任意转动调节观测角度，便于了解其内部构造。便于学生了解内部结构和微观尺度下结构的形态，从而实现流体在微观和内部流动形态的理解和掌握。

3）汽车液压元件虚拟拆装实验，增强学生工程实践能力。能够在虚拟实验场景中进行液压元件的拆装实验，包括液压元件弹出介绍、拆装演示以及学生自主拆装过程的功能实现。学生在观看正确展示后，能够根据虚拟实验教学平台系统的拆装步骤引导，正确实现对液压元件的拆装，并实现步骤错误提醒，掌握拆装规律和过程。

4）虚拟汽车液压试验台，培养基础实验能力。液压试验台是汽车液压传动课程实验中的基础实验装置，通过搭建虚拟液压试验台的三维实物，不仅可以让学生更好的认识液压试验台，也可以让学生更好的学习使用液压试验台，有助于学生基础实验能力提升。通过液压试验台也可以更好理解课程中的液压系统和液压元件，也有利于学生今后在实际液压试验台上开展各种液压回路实验。

5）汽车液压传动回路虚拟实验，提升学生分析解决问题能力。液压基本回路实验包括液压回路基本原理和回路特性的介绍，以及液压基本回路的虚拟仿真。基于搭建的虚拟液压试验台，能够像真实实验一样按照步骤进行操作，记录实验数据，并针对每个液压回路实现的目标，认真思考、分析和解决问题，并撰写实验报告。

6）汽车液压传动技术应用案例的虚拟实验展示，贯通不同专业课程间液压共性技术。由于课程面向车辆工程专业本科生培养，需要对流体与液压传动技术在汽车上的应用案例进行重点的展示和虚拟实验，如：汽车液压助力转向装置、液压制动回路、油气主动悬架、换挡阀的液压驱动等，包括实际汽车液压应用的模型展示和工作原理介绍。同时汽车液压技术应用虚拟实验展示不仅可以更好的让学生了解液压传动技术在汽车上的典型应用案例，也可以实现不同专业课程知识的贯通式教学。注重协同汽车构造、汽车原理和汽车设计等其他专业骨干课程中涉及的汽车液压传动技术应用，贯通加深汽车学院专业课程共性知识点的理解，全面提升本科生专业素养。

7）将虚拟实验平台进行课堂教学实践应用，并针对学生实际需求，不断改进提升。在本科教学中进行应用，将汽车液压传动虚拟实验平台系统打包，生成可执行程序，提供给上课学生使用，开展相关虚拟实验，并进行考核。当然也要虚心听取学生反馈意见，并制定相关方案进行改善。在教学实践中不断提升虚拟实验教学平台的实际效果，让学生从不熟悉到热爱，成为学生的好帮手。

8）掌握汽车液压传动虚拟实验技术原理和设计开发方法，提升教师虚拟仿真实验建设能力。对于教师本身，通过本项目实施，深入学习、掌握虚拟实验技术方法和原理，熟练运用3D建模方法，实现液压元件的3D实物建模。并掌握虚拟实验平台设计开发方法，实现汽车液压传动虚拟实验教学平台系统开发，并结合实际不断升级。

5 结语

通过汽车液压传动虚拟仿真实验教学平台建设意义及应用效果探讨，梳理了目前国内外虚拟实验教学技术现状，定义了液压传动虚拟仿真实验教学平台功能和应用效果，可以实现汽车液压传动理论教学与实验教学环节更加紧密地结合，加深了学生对本门课程知识的理解和掌握，有利于提高本科学生对实验的重视程度和对本门课程的学习兴趣，为胜任今后的实际工作打下了良好的基础。作为教师本身，通过开展专业课程的虚拟仿真实验平台建设，积极践行党的二十大精神，也是对国家实施“科教兴国和人才强国战略”的有效探索，对专业课程教师育人也能起到较强示范辐射带动引领作用，也是对高等学校教师教育教学理念的新启蒙。

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Construction Significance and Application for Virtual Experimental Platform of Automotive Hydraulic Transmission

ZHANG Zhiming1, ZHAO Zhiguo*1, ZHANG Juannan2, CHANG Wei1

( 1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China;2.School of Physical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China )

The 20th National Congress of the Communist Party of China has bestowed upon higher education a new historical mission and development pattern. In order to meet the major needs of training engineering practical ability of vehicle engineering professionals under the background of national "three new and one high" and automobile "new four modernizations", there are common problems such as insufficient experimental teaching conditions, single means and poor education effect in traditional practice teaching of automobile major hydraulic transmission course. The construction and development of virtual teaching experimental platform for automotive hydraulic transmission is an effective solution at present. Through extensive research at home and abroad, this paper summarizes many practical problems objectively existing in the practical teaching of hydraulic transmission course at present, systematically summarizes the development of virtual simulation technology at home and abroad, as well as the technical status in the application of experimental teaching, and puts forward the suggestion significance of the virtual experiment teaching platform of automotive hydraulic transmission. The specific requirements and practical application effects of the construction of the virtual experiment teaching platform for automotive hydraulic transmission are clarified, which provides effective guidance for the construction content and function development of the virtual experiment platform for automotive hydraulic transmission, and has positive reference significance for the realization of a new curriculum teaching model that integrates the basic course of hydraulic transmission specialty with the education of engineering practice.

Automobile hydraulic transmission; Curriculum practice; Virtual simulation; Construc- tion of experimental teaching platform

G642.0

A

1671-7988(2023)21-167-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.034

张智明（1979－），男，博士，讲师，研究方向为燃料电池汽车技术，E-mail:zhangzm@tongji.edu.cn。

赵治国（1971－），男，博士，教授，研究方向为新能源汽车动力系统，E-mail:zhiguozhao@tongji.edu.cn。

同济大学17期实验教学改革专项基金项目（1700104202）。