摘 要：虚拟样机技术的广泛和深入的普及对高等学校工科类的课程教学改革注入了新的活力，从教学手段和教学内涵方面丰富了工科教学的主体内容。该文针对传统车辆工程专业教学中存在的硬件实验设备少、可重复性差等局限性，深入剖析虚拟样机技术在教学手段中的优势，提出以成熟的仿真软件为操作工具，制定具体的教学改革策略，为车辆工程专业创新人才培养提供新的方法和思路。
关键词：虚拟样机技术 车辆工程 教学改革 应用研究
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0177-02
2013年国务院提出的《“十二五”国家自主创新能力建设规划》指出在教育领域，应当“开发适应多终端共享要求的内容资源、学习工具和资源生成系统，提高教育信息化技术装备水平。同时，加强数字化教学设施、特殊教育技术手段等技术创新。”因此，教育手段的更新是人才培养和实现自主创新的重要途径，目前高等教育教学呈现出了“智能化”和“虚拟化”趋势，因此，将基于计算机系统的虚拟样机技术融入日常教学的改革探索势在必行。
1 传统车辆工程课程教学的局限性
车辆工程专业的基础依然是机械工程，它是以相关自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决车辆相关产品和装备在开发、设计、制造、安装、运用和修理中的全部理论和实际问题的应用学科。所以，车辆工程专业的课程具有鲜明的强理论性与强实践性的特点。而传统的车辆工程专业课程的教学方式是依然是延续了“课堂讲述、课程设计和典型实验”，相应的教学手段也比较单一，教学的形式一般就是多媒体讲解和例题的书面解算，学生在学习过程中也总是感觉到很抽象，不能够良好地接受和吸收知识点，动手能力的培养也存在缺失。
目前，以计算机为基础的多媒体技术极大地丰富了教学模式和教学内容，在很大程度上激发了学生的学习兴趣，提升了教学的品质。但是，多媒体技术更注重的是使用三维动画、视频资料、海量图库等直观、形象的教学资料刺激学生的感官，吸引学生的注意力，以取得良好的教学效果为目的。然而，真正的教学效果如何呢？在计算机网络技术迅猛发展的当下，大学生所具有的互联网搜索技巧能力是我们所不及的，他们完全可以实现任何知识点的全方面的搜集和整理，甚至是超越书本和教学资料的。所以，课堂上简单的、浅层次的多媒体资料的堆砌，是远远不能够满足学生求知需求的。尤其是面对机械类课程和专业课程，如机械机构原理、传动方式、液压油路、机车动力学等知识点的讲述，传统的讲解模式主要依赖于三维动画的展示，至于量化的计算原理和推演过程，单纯的动画是无法仿真和阐述的。
总之，传统的车辆工程类课程在教学过程中，虽然引入了多媒体等丰富多彩、数字化的技术手段，但是存在的集中问题是：结构的原理只能实现动态画面的展示，而不能定量、重复性的进行原理的推演，学生不能够深入的掌握知识点，更无法实现基于知识点的创新能力的培养。
2 虚拟样机技术在车辆工程类课程教学中应用的优势分析
20世纪80年代，随着计算机技术的快速发展，虚拟样机技术作为计算机的辅助工程（CAE）中的典型代表迅猛发展，因为其突出的优势在各行各业中发挥着越来越重要的作用。虚拟样机技术（VPT，Virtual Prototyping Technology）是一种全新的产品设计、优化和生产的研发方法，是利用计算机仿真技术而面向产品全寿命周期的全新的数字化设计方法。通过虚拟样机技术可以实现机械产品机构或车辆系统的计算机辅助设计和分析。针对车辆系统的研究包括静力学、运动学和动力学，虚拟样机技术主要进行的是机械系统（包括车辆系统）运动学和动力学分析，因此，它也被称之为机械系统动态仿真技术。将此项技术应用到实际教学中，有如下的优势和特点。
（1）高仿真的造型能力。近年来的计算机可视化技术和3D动画技术的发展为虚拟样机技术提供了更加友好的用户界面。在基于虚拟样机技术的软件中，用既可以非常方便的实现任何机械系统的造型设计，亦可以兼容其他三维软件导入的任何造型，形象直观的描述机械系统的每一个部件和细节特征。在车辆工程课程的教学中，可以通过建立虚拟样机模型直观的让学生掌握车辆系统的构造，激发学习专业知识的兴趣。
（2）机构原理的准确描述。虚拟样机技术是对多项先进技术的综合，其核心部分是多体系统动力学中的运动学与动力学建模理论及仿真分析。因此，除了建立的机构虚拟模型有很高的仿真度，而且能够准确的获得机构的运动轨迹、运动学特征和动力学的响应值，定性的描述机构原理。这个显著的特长在机械工程类课程设计中可以发挥重要的作用，学生对机械机构设计的原理将会有个深刻的认识。
（3）虚拟实验降低教学低成本。虚拟样机技术出现的初衷是利用虚拟平台的可重复性，缩短产品的研发周期，降低产品的成本，在工业产品的开发中越来越重要。在针对教学方面，虚拟样机技术降低教学成本的价值体现在减少实验设备的投入，一些实验装置和设备要求高的实验完全可以借助实验平台来完成。配合课程内容，有针对性的设计好虚拟实验就可以弥补高校实验设备短缺的问题，而且可重复性的虚拟实验极大的降低教学的成本，同时可以实现实验的可重复性。
（4）商业软件的易操作性。基于虚拟样机技术的成熟商业软件如MSC/ADAMS，SIMPACK，Recurdyn，经过多年的整合和完善都具有友好的操作界面。通过几年的教学实践发现，学生在掌握了一定的理论基础之后，都可以很容易的操作这些软件，建立各类机械构件的虚拟样机模型，并进行动态仿真分析，获得产品的动力学和运动学性能的分析。
3 基于虚拟样机技术的教学改革
（1）以虚拟样机技术为工具。工欲善其事必先利其器，在《“十二五”国家自主创新能力建设规划》中也已经明确倡导使用特殊教育技术手段。因此，要实现机械类课程教学的深入改革，就要充分利用好虚拟样机技术的优势，并且将虚拟样机技术作为一个基本的教学和学生学习的“双重工具”融入教学各个环节。一方面教师以此工具讲解、展示和还原机械系统原理；另一方面学生以此工具的仿真经历获得启发，重演原理和巩固知识点。最终的目的不是将虚拟样机技术视为一般的知识，而是真正的成为一个工科学生人人都具备的有效的工具。以虚拟样机技术为纽带在教和学中必然会得到双赢。在该院的车辆工程专业的实际教学中，在讲授车辆动力学和有限元方法时，要求学生将多体动力学软件ADAMS、SIMPACK和有限元软件ABAQUS作为基本工具，设定了若干的课程设计和毕业设计题目，完成了一些车辆虚拟的动力学和有限元模型的建立和分析，使学生准确、深入的掌握了专业知识。
（2）借虚拟实验提高学生的动手能力。利用虚拟样机技术的可重复性和低成本的优势，在课程教学中，精心设计一些动态实验，让学生在构建的虚拟平台中反复的演练实验项目。例如：在学习机械原理中齿轮的传动比的学习时，内容比较抽象，学生很难一步到位的掌握知识点，就可以利用虚拟仿真的方式预设实验，让学生在虚拟平台上自己动手搭建虚拟的齿轮的造型，动态仿真齿轮啮合的过程，在体会齿轮的运动轨迹的同时，分析齿轮的受力情况，对齿受力集中的区域进行强度校核，即设计-动力学分析-强度分析-结构优化等综合性的演练，通过这样的实验可以以很低的教学成本的完成教学任务，同时在潜移默化中提高学生的动手能力和创新思维。
（3）设立虚拟样机比赛驱动学生的创新能力。高校的职责之一就是培养人才，而且应当培养的是具有创新意识、强竞争力的高级人才。在实践教学中，以虚拟样机技术为工具，组织形式多样的“机械装置虚拟设计”大赛，鼓励学生充分借用虚拟样机技术的特长，结合自己的创意，建立复杂机构的虚拟样机模型，对模型的功能和性能进行动态仿真。经过竞赛的反复实战练习，学生的创新意识得到增强，对专业知识也能够做到灵活应用。
4 结语
在计算机技术快速发展的今天，虚拟样机技术已经进入一个比较成熟的时期。高校在教学过程中，应当突破传统的单一化的多媒体教学手段。而是很好借助虚拟样机技术的优势，以此为“工具、实验平台和演练手段”，丰富的车辆工程专业的教学方式，以培养出更具有实战能力的人才为目标，切实的提高学生动手能力和创新能力。
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