关于虚拟实验技术在汽车《流体力学与液压传动》课程中应用的探讨
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摘要：该项目针对本校车辆工程专业学生《流体力学与液压传动》课程中存在的课时少和缺乏实验的主要问题，结合“卓越工程师教育培养计划”的要求，基于目前可视化的实验教学发展趋势，探讨以虚拟实验取代现实实验的解决方案，提出了液压传动虚拟实验的实施方案和重点建设内容，希望对高校液压传动课程建设提供一种发展思路。
关键词：液压传动；卓越工程师；虚拟实验
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）10-0265-03
一、引言
《流体力学与液压传动》是我校汽车学院本科生卓越工程师的核心课程之一，液压传动技术在车辆工程专业人才培养计划中占有非常重要的位置。《流体力学与液压传动》作为汽车学院学生的专業基础课，其中液压传动部分的知识在之后的专业课如《汽车构造》、《汽车理论》和《汽车设计》中具有非常重要的作用，学好液压传动是学习这些专业课程的前提。同时，液压传动技术在汽车上有非常广泛的应用，例如汽车的液压助力转向系统、悬架系统中的空气弹簧和油气弹簧、ABS防抱死系统等，所以液压传动也是成为一个合格的汽车工程师的必要专业课程内容。
实验教学是对高院课堂教学的重要补充。通过相关实验，达到加深本科理论教学中涉及的基本概念和理论的理解和掌握，可以促使学生在该实践过程中发现问题、分析问题和解决实际问题[1]。《液压传动技术》课程是与实际工程技术联系紧密，实践性非常强的一门专业基础课。要学好这门课，学生不仅要从液压传动技术相关的理论知识入手，也要具备一定的工程实践能力。因此教学实验对于液压传动具有十分重要的意义，有助于学生深刻理解书本知识，提高实践动手能力，做到理论与实践相结合。
二、目前存在的问题
目前液压传动技术教学仍采用先由教师在课堂上进行理论知识的系统讲授，然后再安排学生到实验中心或基地由实验教师指导相应实验的教学方式。然而随着液压传动技术在汽车上的广泛应用，目前实验教学条件不足及手段简单这一现实问题愈加凸显。现行培养模式下液压传动实验存在如下问题。
1.教学学时压缩，学生没有足够时间进行全面完善的液压传动实验。以同济大学汽车学院的课程安排为例，《流体力学与液压传动》总共51课时，其中液压传动部分为24课时，分配在实验上的时间及其有限。
2.实验内容陈旧单一，而且过于简单，主要为液压元件结构实验和液压基本回路实验，没有与汽车相关知识进行有机融合，使得学生对于液压传动在汽车上的应用缺乏整体性的认识。
3.液压传动在应用上，由于其工作条件要求良好的密封性，因此在实验中无法看到液压元件的内部结构和流体流动，使得学生无法深刻了解其内部构造、流体流动过程以及各个元件的工作原理。
4.实验课程中采用的一些有机玻璃制作的示教模板，既粗糙又缺乏真实感，而且由于元器件过小使学生难以看清。
三、虚拟实验的意义
计算机软、硬件技术的发展为上述问题提供了解决方案，那就是虚拟实验。从枯燥单一的传统教学方式、相对抽象的静止且平面化的内容，到计算机多媒体可视化教学[2]，是目前教学实验的发展趋势，在这个过程中，虚拟实验将逐步取代现有传统实验。虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果[3]。进行液压传动实验的计算机虚拟动态仿真技术开发，通过可视化的虚拟仿真演示，将密闭空间内的流体液压实验进行“可视动态”展示，尝试将液压传动技术理论知识与计算机多媒体动画技术相结合用于课堂实验教学，更好的达到课堂实验教学的目的，辅助该课程的学习。该课堂实验教学课件的实施具有积极的意义，具体如下。
1.液压传动技术课程具有很强的工程应用性和实践性，实验是个必备的课程教学环节，所以这类课程需要开发高交互性的虚拟实验系统[4]，这也是卓越工程师课程建设上的一项重要工作和内容[5]，同时可以为学校的慕课（MOOC）建设积累经验。
2.填补实验教学内容上的不足。可视化实验回路虚拟动态仿真技术开发，可以为汽车专业高级人才提供生动丰富的课上实验教学内容展示；虚拟实验系统提供仿真的实验环境和设备条件，弥补实际实验室硬件条件的局限。减少实验设备实际成本投入，使实验教学工作不再受时间和人力成本的限制，缓解了实验设备的矛盾。而且学生通过虚拟实验操作来熟悉实验流程和元器件功能，掌握相关的动作顺序和操作步骤，也不会因误操作而损坏仪器设备。
3.实验虚拟仿真动态技术的开发，可以将车辆工程专业其他专业课程教学实验上涉及到的液压技术知识集大成于一套课件中，统一讲授，比如《汽车构造》、《汽车理论》、《汽车设计》中的液压部分知识。基于前面液压传动技术相关实验，可以加深这些专业课程中涉及的液压传动技术知识，虚拟实验技术的开发也可以促进对这些课程实践环节的理解和掌握，加强汽车专业的整体教学效果。
四、虚拟实验课程实施
液压传动虚拟实验将通过综合软件制作和现实场景录制两种途径实施。利用计算机软件强大的动画功能，制作形象生动的虚拟实验回路；利用现实场景实验录制技术，将虚拟仿真实验中存在的元器件和动画过程在课堂教学场景中显示，从虚拟仿真到真实场景实验，全方位展示实验过程。以剖视图形式展示液压系统的基本组成，如动力单元、控制单元、执行单元和辅助单元，以及这些元器件的内部结构、顺序运动关系及工作流程上的顺序；从时间上可以看出各个元件运动的先后顺序，有些同时发生，有些用控制元件控制顺序发生；从结构形式上可以看到三维半剖视图，由内而外观察元器件结构，从而全方位达到为学生完整展示实验过程的效果，加深学生对理论知识的理解和把握。
利用計算机虚拟仿真技术和现场试验相结合的方法，以学生作为演示对象，结合理论教学进度和教材中所有章节内容，重点实施如下。
1.元件图片展示。通过拍摄元件实物图片让学生直观认识液压传动中的元器件，并认识实验中涉及的相关元器件的实际形态。
2.关键元器件动画虚拟仿真。将液压传动技术中关键的元器件进行绘图，进而转换为动画形式播放，使学生能够透视、直观地观察流体在元器件内部进入、流出的全过程，结合流体力学原理的讲解，让学生将理论与实践相结合，深刻理解课堂讲授内容。通过对课本中涉及的关键元器件及流体原理中的抽象流动过程加以虚拟仿真，现实还原，不仅能看到平时看不到的流体流动方向，而且能互换回路，实现流体反向进出，拓展学生思维。这一做法能够更进一步的展示液压元器件的工作过程，理解其原理和定义，让学生“真实”认识到流体的流动特性。
3.实物的三维模型展示。作为课堂实验演示过程中的基本单元，液压元器件实物的三维实体模型的建立是一个关键环节，应对回路中涉及的液压元件在AutoCAD或者Solidworks工具中按照实物尺寸和形状做出三维实体模型。对有些元件作剖开处理以便能观察到内部，如流体层流紊流过程、液压泵、液压缸、液压阀和其他相关元件。通过三维建模方法，建立元器件的三维模型、半剖视图和全剖视图，让学生真切了解内部结构和微观尺度下结构的形态，从而实现对流体在微观和内部流动形态部分的理解和掌握。
4.虚拟现实与动画设计。将完成的三维实体模型输入3D Studio MAX场景中，编辑出与真实元件接近的材质感来，并对一些零件作一定的透明处理使观察者能看清内部。三维动画的设计分为两个部分，一部分为每个独立的液压元件结构及工作过程动画，用于虚拟仿真从主面板上放大单一元件的工作过程及结构，使学生能清楚地看到细节。这一部分由于相对独立，运动件的运动规律多为平移和旋转显得不太复杂。另一部分为主演示面板动画设计[6]，从前述实验原理及过程分析可看出其中的动力元件、控制元件、执行元件。由于各元件运动的相关性，在时间上又非常严格，因此，在动画时间上将整个实验精确地划分开来，按时间划分来做主演示板三维动画的分镜头。通过虚拟现实技术，实现对模块化元器件的组装和管路拼接，组成流体和液压回路，并通过动画设计，实现流体流动，让学生掌握设计和虚拟仿真实际流体流动的真实过程。
5.实现场景实验录制。在广泛调研的基础上，筛选流体和液压传动技术中的关键试验，利用近距离高分辨率摄像机，对虚拟仿真中的流体液压试验进行现场试验记录。在教学上，将仿真实验和现场场景实验相结合，让学生更深刻理解实验过程和实验目的。通过真实实验的现场试验录像，让学生在现实试验中对虚拟仿真的流体液压回路进行真实的验证，使学生更真切的感受实验的真实性，并能够更全面的了解实验过程，加深和对实验设备本身的理解和掌握，这部分在上述动画和虚拟模型中均有应用。
五、结语
通过该应用的实施，可以使理论教学与课堂实验教学环节更加紧密地结合起来，提高车辆工程专业本科学生对实验教学的重视程度，激发学生对本专业基础课程的学习兴趣，也可以提高学生的实际动手能力、分析问题能力和综合运用知识解决问题的能力，为胜任今后的工作和学习打下了良好的基础；提高师生的科研能力，为后续的课程设计和毕业设计奠定一定的基础。
参考文献：
[1]潘静，张波，胡小南.《流体力学与液压传动》实验教学方法改革[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，12（5）：141-142.
[2]韩克镇，刘军营，王勇，等.卓越工程师培养目标下的液压传动实验教学改革探讨[J].实验室科学，2013，16（1）：86-88.
[3]仇电全.利用虚拟实验，提高试验效率[J].吉林教育，2014，（5Z）：91.
[4]高振国.基于Flash建立的虚拟液压回路系统的研制[J].实验技术与管理，2008，25（8）：83-88.
[5]陈云富.液压传动实验教学模式的研究与实践[J].实验技术与管理，2007，24（10）：137-138.
[6]邓向明，崔平正.计算机模拟动态演示液压传动基本回路实验的制作[J].新疆石油天然气，2000，（1）：56-59.
Discussion on the Application of Virtual Experiment Technology in the Application of "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission"
ZHANG Zhi-ming1，ZHANG Juan-nan2，LI Chang-hao1，WANG Yi-gang1，ZHANG Tong1
（1.School of Automobile Studies/Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）
Abstract：The main problems exist in the "Automotive Fluid Mechanics and Hydraulic Transmission" course of vehicle engineering are less class time and lack of the experiment，combined with the project of “Excellent Engineer Education Plan Requirements”，based on the development trend of experimental visualization teaching，discuss some solutions to replace the real experiment with virtual experiment，some implementation plan and key construction content are proposed on virtual experiment of the hydraulic transmission course，hope to provide a development way for the construction of hydraulic transmission course in Universities.
Key words：hydraulic transmission；excellent engineer；virtual experiment