汽車?yán)碚撜n程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革論文

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一、汽車理論課程實(shí)驗(yàn)引入仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

論文中所提仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要指應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的軟件仿真實(shí)驗(yàn)和基于駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)兩部分。應(yīng)用汽車系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗(yàn)臺進(jìn)行仿真試驗(yàn)，操作容易，不受時間地點(diǎn)限制，對增強(qiáng)學(xué)生對汽車基本理論和性能分析方面的能力具有良好作用。將仿真軟件和駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗(yàn)臺引入到汽車?yán)碚摻虒W(xué)實(shí)踐中，通過理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而使學(xué)生在有限的學(xué)時中能夠盡快入門。目前，國內(nèi)一些有車輛工程專業(yè)的高校也已經(jīng)開始展開了應(yīng)用仿真工具進(jìn)行汽車?yán)碚摲聦?shí)踐教學(xué)改革方面的研究。北京理工大學(xué)包凡彪提出了以Matlab/Simulink為核心仿真工具進(jìn)行汽車基本原理、性能分析的汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)改革，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮了主體作用，提高了綜合分析能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力[7]。重慶交通大學(xué)隗寒冰提出了應(yīng)用Cruise軟件進(jìn)行汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)研究：將整車動力學(xué)仿真軟件Crusie引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中，通過搭建整車動力傳動系統(tǒng)模型（包括FCV/EV/HEV），進(jìn)行動力學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)，加深對汽車?yán)碚撝R的理解[8]。湖北汽車工業(yè)學(xué)院黃兵鋒提出了將Matlab軟件應(yīng)用于汽車?yán)碚摰慕虒W(xué)實(shí)踐，利用Matlab軟件強(qiáng)大的計(jì)算和分析功能，加深了學(xué)生對概念的理解，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性[9]。云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院楊學(xué)松提出了基于MATLAB之下Simulink和Simdriveline仿真軟件來輔助課堂教學(xué)，通過搭建仿真平臺，從而有利于學(xué)生的理解,提高課程的教學(xué)效果[10]。通過仿真平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)是彌補(bǔ)實(shí)車實(shí)驗(yàn)不足的有效手段，也是提高汽車?yán)碚摻虒W(xué)效果的重要方法，是當(dāng)前汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究的一個主要趨勢。

二、基于仿真平臺的汽車?yán)碚撜n程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

方案通過增加仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時，設(shè)計(jì)基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實(shí)驗(yàn)和基于駕駛模擬器硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行基于仿真平臺的汽車?yán)碚撜n程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

（一）增加仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時

目前我校《汽車?yán)碚摗穼?shí)驗(yàn)主要包括汽車動力性實(shí)車實(shí)驗(yàn)2學(xué)時、制動性實(shí)車實(shí)驗(yàn)2學(xué)時、平順性實(shí)車實(shí)驗(yàn)2學(xué)時。汽車動力性實(shí)驗(yàn)主要包括汽車滑行實(shí)驗(yàn)、加速實(shí)驗(yàn)，制動實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行某一車速下的制動到停車的實(shí)驗(yàn)，平順性實(shí)驗(yàn)要選擇隨機(jī)路面進(jìn)行汽車隨機(jī)振動測試、數(shù)據(jù)處理和評價。汽車動力性實(shí)驗(yàn)、制動性實(shí)驗(yàn)、平順性實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皩W(xué)校實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)車、測試設(shè)備能夠滿足要求，而汽車操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和一些極限工況實(shí)驗(yàn)（如低附著路面急加速實(shí)驗(yàn)、低附著路面高速制動實(shí)驗(yàn)和緊急雙移線實(shí)驗(yàn)）由于受實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)人員限制，實(shí)車實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。這對于學(xué)生學(xué)習(xí)汽車操縱穩(wěn)定性理論非常不利。汽車操縱穩(wěn)定性這部分理論較為抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)過后又沒有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和增加感性認(rèn)識，難以達(dá)到真正理解的目的。軟件仿真實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺仿真實(shí)驗(yàn)不受時間、場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等因素的影響，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面、重復(fù)性好、效率高，因此通過增加仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時彌補(bǔ)實(shí)車實(shí)驗(yàn)的不足。此外，對于實(shí)車動力性實(shí)驗(yàn)和制動性實(shí)驗(yàn)兩個實(shí)驗(yàn)如果進(jìn)行合理安排，完全可以整合為2個學(xué)時完成整合成兩個實(shí)驗(yàn)，而增加軟件仿真實(shí)驗(yàn)2學(xué)時和駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)2學(xué)時。增加的仿真學(xué)時可主要偏重于汽車操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和一些極限工況實(shí)驗(yàn)，能夠有效解決實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的情況。

（二）基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實(shí)驗(yàn)

汽車仿真軟件中，CarSim軟件作為車輛系統(tǒng)動力學(xué)商業(yè)化軟件相對于其他軟件具有使用方便、易于理解、難度適中、仿真速度快的優(yōu)勢。Matlab/Simulink軟件是目前最常用的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析處理、控制系統(tǒng)建模的軟件。CarSim軟件能夠與Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真。整個教學(xué)過程中，教師教會學(xué)生熟練掌握兩種軟件的使用。學(xué)生能夠在CarSim仿真軟件里確定車型、設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行仿真分析，應(yīng)用Matlab軟件自己編程計(jì)算汽車的幾大性能，根據(jù)汽車的參數(shù)，繪制汽車性能曲線，并分析不同因素與參數(shù)對汽車性能的影響。教師根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目，在實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生利用兩種軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。教師給定某一車型基本參數(shù)，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)汽車?yán)碚撝R應(yīng)用軟件對該車型的各種性能通過建模、工況仿真進(jìn)行分析與評價。為了讓學(xué)生理解制動防抱死ABS對汽車制動性能的影響，教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用兩種軟件的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)對比無ABS控制和有ABS控制汽車在同一制動工況下的差異。再如對于汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，可采用CarSim軟件進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性蛇形試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤角脈沖試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)6個國標(biāo)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生按照國標(biāo)要求進(jìn)行車輛參數(shù)設(shè)置、工況設(shè)置、測試數(shù)據(jù)選取。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按照國標(biāo)實(shí)驗(yàn)要求對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理和分析，繼而對該車的汽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評價。通過這樣的仿真分析與評價，學(xué)生能夠深刻理解汽車操縱穩(wěn)定性評價指標(biāo)和評價方法，使抽象的理論教學(xué)變得形象、生動，提高了教學(xué)效果。仿真實(shí)驗(yàn)課程上可設(shè)計(jì)多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生們能同時進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個人都能利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各自的仿真實(shí)驗(yàn)，每個人都有實(shí)驗(yàn)機(jī)會。仿真實(shí)驗(yàn)效率高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面，能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)效果。

（三）駕駛模擬器硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)

我校已搭建基于CarSim仿真軟件的駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)臺包括駕駛模擬器、電第3期李剛等：汽車?yán)碚撜n程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案研究137控轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)臺、電控制動實(shí)驗(yàn)臺三部分，每一部分可獨(dú)立使用，也可聯(lián)合使用。駕駛模擬器主要由實(shí)車駕駛艙、各種傳感器、投影儀、環(huán)形屏幕、計(jì)算機(jī)、實(shí)時仿真系統(tǒng)、音響設(shè)備組成。電控轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)臺、電控制動實(shí)驗(yàn)臺由實(shí)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)硬件和相應(yīng)控制器組成，能夠模擬實(shí)車轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)部件實(shí)際工作情況。實(shí)驗(yàn)時駕駛員在駕駛艙內(nèi)根據(jù)環(huán)形屏幕顯示的實(shí)驗(yàn)工況場景，操縱方向盤控制汽車轉(zhuǎn)向，踩加速、制動踏板控制車速，音響設(shè)備車發(fā)出發(fā)動機(jī)工作聲音、制動過程輪胎與地面摩擦等聲音，整個實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程生動直觀。汽車操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，如穩(wěn)態(tài)圓周實(shí)驗(yàn)、方向盤角脈沖、方向盤角階躍輸入實(shí)驗(yàn)、蛇形實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)均可在駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。除此之外，一些危險工況實(shí)驗(yàn),如低附著路面、對開路面急加速和制動實(shí)驗(yàn)、緊急雙移線實(shí)驗(yàn)都可以在駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師根據(jù)教學(xué)需要，選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，教師需要教會學(xué)生熟練使用實(shí)驗(yàn)臺，使學(xué)生做到能夠自己選取車型和修改車型參數(shù)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、通過軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、保存所需數(shù)據(jù)。駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)操作簡便，不受場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及人員要求限制，可以隨時進(jìn)行、重復(fù)進(jìn)行，每個學(xué)生都可以親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)本身沒有任何危險，但是卻能收到良好的實(shí)驗(yàn)效果。如對于汽車操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和一些極限工況實(shí)驗(yàn)均可通過駕駛模擬器仿真實(shí)驗(yàn)完成，能夠進(jìn)一步增加學(xué)生的感性認(rèn)識和理解。此外，駕駛模擬器教學(xué)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺還可以進(jìn)行汽車電控系統(tǒng)控制算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給學(xué)生提供一個進(jìn)一步擴(kuò)展空間，使學(xué)生深入理解與掌握汽車?yán)碚撝R。

（四）開放實(shí)驗(yàn)室

開放駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺，對于學(xué)生在學(xué)習(xí)汽車?yán)碚撨^程中遇到的一些問題或者關(guān)于汽車性能分析、汽車控制方面的問題研究，可通過探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行驗(yàn)證。開放實(shí)驗(yàn)室形式，符合對于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，學(xué)生在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)過程中提高了自己的創(chuàng)新思維能力和動手實(shí)踐能力。探究性實(shí)驗(yàn)包括一般問題的分析實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)兩部分。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考和討論，提升實(shí)踐創(chuàng)新能力，拓展學(xué)習(xí)過程的開放性。如針對我校大學(xué)生方程式賽車開發(fā)，一名本科畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生在駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)臺搭建了基于CarSim的大學(xué)生方程式賽車模型并選取車手在實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行各種工況實(shí)驗(yàn)，對所開發(fā)的賽車進(jìn)行分析與修正。在這一過程中，該生研究興趣濃厚，對汽車?yán)碚撚辛烁畹恼J(rèn)識。該生的畢業(yè)論文評為優(yōu)秀畢業(yè)論文，畢業(yè)論文整理出兩篇小論文，分別發(fā)表在《遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》和《農(nóng)業(yè)裝備和車輛工程》學(xué)術(shù)期刊上。通過開放實(shí)驗(yàn)室，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)汽車?yán)碚摰臒崆椋瑸樗麄兊膭?chuàng)新思維提供了一個良好的實(shí)驗(yàn)平臺。

三、結(jié)論

《汽車?yán)碚摗穼?shí)驗(yàn)教學(xué)改革，通過引入基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬器硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)，增加仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時，可有效解決目前汽車?yán)碚搶?shí)車實(shí)驗(yàn)少、汽車?yán)碚搶?shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱問題，開放實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)閷W(xué)生創(chuàng)新思維提供一個良好實(shí)驗(yàn)平臺。基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺的《汽車?yán)碚摗穼?shí)驗(yàn)教學(xué)改革將在提高汽車?yán)碚摻虒W(xué)質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。

作者：李剛 石晶 劉樹偉 秦玉英 陳雙 單位：遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院