现实与虚拟技术结合的汽车发动机构造实验课程设计

杨燕红;杨建军;彭忆强;王永忠;王意东

【摘 要】分析了当前汽车发动机构造实验课程存在的问题,利用建设教育部汽车工程国家级实验教学示范中心的契机,配置了实验所需的现实、虚拟手段,设计出了将虚拟仿真实验资源与实物实验资源相结合的实、虚结合的汽车发动机构造实验课程方案.该教学方案应用于汽车发动机构造实验课程,通过4个学期的教学实践发现,相比以前汽车发动机构造实验课程,明显提高了学生学习的积极性,扩展了实验教学的深度和广度,减少了教具、工具的损坏,实验过程也更加流畅.%The current problems existing in the Automobile Engine Structure Experiment course are analyzed . In the process of building the National Experimental

Teaching Demonstration Center of Automobile Engineering ,the actual and virtual means needed for the experiment are configured ,and the scheme for the Automobile Engine Structure Experiment course based on the actual and virtual technology to combine the virtual simulation experimental resource with the real experimental resource is designed . This design is applied to the Automobile Engine Structure Experiment course .Through the four semesters' teaching practice ,and as compared with the previous Automobile Engine Structure Experiment course ,it is discovered that the students' enthusiasm for learning is improved ,the depth and breadth of experimental teaching are expanded , the damage of the teaching aids and tools is reduced , and the process of the experiment is smoother .

【期刊名称】《实验技术与管理》 【年(卷),期】2017(034)012 【总页数】4页(P210-213)

【关键词】实验教学;发动机构造;虚拟实验 【作 者】杨燕红;杨建军;彭忆强;王永忠;王意东

【作者单位】西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心 ,四川成都 610039;西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心 ,四川成都 610039;西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心 ,四川成都 610039;西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心 ,四川成都 610039;西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心 ,四川成都 610039

【正文语种】中 文 【中图分类】G2.423

高等学校工科教育包含解决产业需求的应用型教育,其培养的核心能力为工程认知能力、工程设计能力、专业知识的工程表达能力、工程创新能力、工程决策与管理能力,同时培养学生的团队合作意识、沟通能力、工程实践能力[1-3]。高校车辆工程及相关专业教学的根本目标是培养学生解决具体工程问题的能力,即培养学生具备汽车行业执业工程师的基本胜任力和必备素质[4]。发动机构造实验是车辆工程、热能与动力工程( 汽车发动机)等汽车相关专业本科生的重要实践教育课程,课程涉及机械设计、工程力学、电工、电子学等基础知识的综合学习和利用,是培养学生思考、动手处理工程问题、团结协作能力的必修环节[5-7]。

发动机构造教学由理论教学与实践教学2部分组成,理论课程主要是系统地讲解发

动机的结构及其工作原理,实践教学主要是通过拆、装发动机对其结构进行深入、感性的认识,对发动机各部分原理进行分析、验证。

(1) 结构复杂,学习难度大。发动机是汽车的心脏,是汽车的动力装置,主要由曲柄连杆机构、配气机构、起动系统、供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统2大机构、5大系统组成,各部分既相对又互相嵌入,例如,缸体既是曲柄连杆机构的机体组部分,同时润滑系统、冷却系统的通道也贯穿其中。

(2) 实践性强,组织实施有严格的流程和要求。发动机结构复杂,各零部之间配合精密,要求发动机上零部件的拆、装必须按一定顺序,并且每个步骤还有严格的要求,如,配气机构的装配还必须满足配气正时、气门间隙要求。

(3) 知识扩展性强,涉及面广。随着科学技术的进步,运用于发动机上的新技术越来越多,实验准备工作量大,如电子喷射系统、可变气门气道技术、涡轮增压技术,在教学中都会遇见[8-9]。

(1) 一些学校仍然沿用传统的教学方式,即对学生简单培训后就直接让学生拆装发动机实物,拆装过程中指导教师再对学生进行具体指导。由于学生对拆装流程不熟悉、工具使用不规范、教师人数又有限,造成实验设施、工具损耗大,指导教师工作量大、责任重,实验教学的成本居高不下[10]。

(2) 随着虚拟现实技术的发展,一些学校抛弃了成本高的传统教学方式,采用虚拟仿真技术替代传统教学方式,即学生直接在计算机上对虚拟的发动机进行拆装、学习[11]。由于不能接触到发动机、工具等实物,其教学效果并不佳,主要体现在学生对发动机及拆装所用工具等没有具体的、感性的认识,对发动机零部件的结构不能全方位的学习、了解,对各部件及发动机工作原理不能进行分析、验证,拆装过程仅停留在打游戏通关的兴奋状态。

通过对当前发动机构造实验课程教学情况的分析,同时考虑到发动机构造实验课程对车辆工程毕业要求的支撑情况[12],结合当前虚拟、现实技术提出了把虚拟仿真

实验资源与实物实验资源相结合的发动机构造实验课程设计方案。

根据我校车辆工程专业(汽设方向)培养方案课程体系,发动机构造实验课程对毕业要求的支撑情况主要体现几个方面:

(1) 基本具备汽车相关产品性能分析、实验装备的使用能力。

(2) 了解车辆工程专业相关的技术标准以及环保相关法律、法规知识。 (3) 能够熟练、正确、规范地运用汉语撰写技术报告和论文。 (4) 通过工程训练,形成较强的竞争和团队合作能力。

课程内容设计及课程考核、评价都针对这4个方面进行了设置。课程设计方案见表1。

针对课程设计方案,新购置长安JL473QA发动机作为实物拆装教具(见图1)、景格发动机拆装实训软件(见图2)作为发动机虚拟拆装手段。JL473QA发动机为4缸、双顶置凸轮轴、 机械挺柱、16气门、多点电喷机,具有发动机的典型结构,同时具备有较新技术,如可变气门调节机构,适合用做发动机拆装的实物教具。景格发动机拆装实训软件由发动机总成拆装、发动机部件拆装、发动机部件测量实训模块组成,能对学生进行发动机拆装流程训练及工具、仪器使用训练,并能记录下学生拆装的整个情况,如工具、仪器使用的正确性,拆装流程的合理性、拆装的用时多少等,用于进行评价与考核。

现实与虚拟技术结合的发动机构造实验课程综合考核与评价是按2个实验项目完成情况来进行的,即:实验总成绩=项目1成绩×50%+项目2成绩×50%。2个项目的具体考评环节、所占成绩比及要求见表2 。

实验项目1为4个学时,实验项目2为12个学时。实验前,学生应全面复习发动机构造的相关内容,预习本课程实验指导书内容。 2.3.1 实验项目1的实施组织

(1) 实验总体要求及安排说明、相关法规及标准培训、实验报告撰写要求的说明。

(2) 利用先进的多媒体技术展示发动机拆装过程中工具、夹具、量具的使用规范，讲授发动机装配工艺流程及规范。

(3) 每位学生分配一台计算机,利用虚拟现实技术对发动机进行拆卸、清洗、维修、更换零件、装配。

(4) 指导教师现场答疑，并根据考评标准对每个学生进行现场专业综合技能考评。 2.3.2 项目2采取分组、分工进行

(1) 现场安全教育及分组。一般每3～4名学生分为一个实验小组,每组配置拆装用工具、检测用量具各一套,各小组成员要求任务明确、侧重点清晰,并要求各小组提交分组、分工情况表。

(2) 根据上个项目虚拟发动机拆装过程中学到的工具、夹具、量具的使用规范以及发动机拆解工艺流程,有序拆解发动机及零部件。

(3) 对照拆解下来的零部件查阅课本、现行标准、文献资料,分析2大机构5大系统的结构特点及工作原理,按照实验指导书要求绘制发动机各部分结构图、原理图以及流程图。

(4) 指导教师采取提问及学生自述方式了解各组学习情况,作为小组现场考评的重要依据。

(5) 各小组对发动机进行装配、调整及检查。 (6) 现场清理、清扫、整顿。 (7) 现场专业综合技能综合评定。 通过4个学期的课程的实施可以看到:

(1) 与传统发动机构造实验相比,虚实结合的发动机构造实验明显减少了拆装过程中的错误操作,减小了对实物教具、工具、量具等的损坏,大大降低了实验教学的成本。 (2) 与当前的虚拟发动机拆装相比,虚实结合的发动机构造实验让学生对使用的工具、量具、发动机零部件实物有感性认识,通过全方位、立体的观测零部件,帮助学生把

理论知识与实际结合在一起,对发动机的结构、工作原理有进一步的学习和印证,培养了学生汽车相关产品性能分析、实验装备的使用技能,提升学生的实践动手能力。 (3) 由于虚拟发动机拆装采取一人一机,在实物发动机拆装过程中采用分组、分工的方式,大大激发了学生参与的动力与热情,培养了学生的竞争意识和团队合作能力。同时由于每个学生在整个实验过程中承担的任务不同、侧重点不同、手绘画图不同,也解决了报告雷同的问题 。

(4) 通过事先公布评价标准并现场打分,也让学生看到自己的不足及改进方向,做到对实验考核成绩心服口服,可有效地提高实验的效率,在有限的课时内加强对发动机构造的学习。

现实与虚拟技术结合的发动机构造实验课程,将虚拟发动机拆装与实物发动机拆装手段结合在一起,针对车辆工程专业认证中该课程对毕业要求的支撑情况,完成了课程的设计、课程的考核与评价的设计。学生在进行项目1虚拟拆装时对发动机的结构有了初步了解,对拆装流程、工具量具等使用规范进行了严格的培训；进行项目2汽车发动机整机拆装与调整时,对照实物对发动机的结构及工作原理进行了深入的学习。这种虚实结合的教学方案降低了发动机构造实验教学的成本,教学质量上了一个台阶。

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