汽車理論課程實驗教學改革論文

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一、汽車理論課程實驗引入仿真實驗的必要性

論文中所提仿真實驗平臺主要指應用仿真軟件進行仿真實驗的軟件仿真實驗和基于駕駛模擬器硬件在環實驗臺實驗兩部分。應用汽車系統動力學仿真軟件進行仿真實驗和駕駛模擬器硬件在環試驗臺進行仿真試驗，操作容易，不受時間地點限制，對增強學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試驗臺引入到汽車理論教學實踐中，通過理論分析與仿真實驗，加強教學實踐環節，從而使學生在有限的學時中能夠盡快入門。目前，國內一些有車輛工程專業的高校也已經開始展開了應用仿真工具進行汽車理論仿實踐教學改革方面的研究。北京理工大學包凡彪提出了以Matlab/Simulink為核心仿真工具進行汽車基本原理、性能分析的汽車理論實驗教學改革，使學生在學習過程中發揮了主體作用，提高了綜合分析能力和實踐創新能力[7]。重慶交通大學隗寒冰提出了應用Cruise軟件進行汽車理論實驗教學研究：將整車動力學仿真軟件Crusie引入到實驗教學活動中，通過搭建整車動力傳動系統模型（包括FCV/EV/HEV），進行動力學性、經濟性、操縱穩定性仿真實驗，加深對汽車理論知識的理解[8]。湖北汽車工業學院黃兵鋒提出了將Matlab軟件應用于汽車理論的教學實踐，利用Matlab軟件強大的計算和分析功能，加深了學生對概念的理解，極大地提高了學生學習的興趣和積極性[9]。云南交通職業技術學院楊學松提出了基于MATLAB之下Simulink和Simdriveline仿真軟件來輔助課堂教學，通過搭建仿真平臺，從而有利于學生的理解,提高課程的教學效果[10]。通過仿真平臺進行仿真實驗是彌補實車實驗不足的有效手段，也是提高汽車理論教學效果的重要方法，是當前汽車理論實驗教學改革研究的一個主要趨勢。

二、基于仿真平臺的汽車理論課程實驗教學改革

方案通過增加仿真實驗學時，設計基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實驗和基于駕駛模擬器硬件在環仿真實驗，進行基于仿真平臺的汽車理論課程實驗教學改革。

（一）增加仿真實驗學時

目前我校《汽車理論》實驗主要包括汽車動力性實車實驗2學時、制動性實車實驗2學時、平順性實車實驗2學時。汽車動力性實驗主要包括汽車滑行實驗、加速實驗，制動實驗主要是進行某一車速下的制動到停車的實驗，平順性實驗要選擇隨機路面進行汽車隨機振動測試、數據處理和評價。汽車動力性實驗、制動性實驗、平順性實驗目前學校實驗場地、實車、測試設備能夠滿足要求，而汽車操縱穩定性實驗和一些極限工況實驗（如低附著路面急加速實驗、低附著路面高速制動實驗和緊急雙移線實驗）由于受實驗場地、實驗設備和實驗人員限制，實車實驗無法進行。這對于學生學習汽車操縱穩定性理論非常不利。汽車操縱穩定性這部分理論較為抽象，學生學習過后又沒有實驗進行驗證和增加感性認識，難以達到真正理解的目的。軟件仿真實驗和駕駛模擬器硬件在環實驗臺仿真實驗不受時間、場地、實驗設備等因素的影響，實驗內容全面、重復性好、效率高，因此通過增加仿真實驗學時彌補實車實驗的不足。此外，對于實車動力性實驗和制動性實驗兩個實驗如果進行合理安排，完全可以整合為2個學時完成整合成兩個實驗，而增加軟件仿真實驗2學時和駕駛模擬器硬件在環實驗臺實驗2學時。增加的仿真學時可主要偏重于汽車操縱穩定性實驗和一些極限工況實驗，能夠有效解決實驗場地和實驗設備不足的情況。

（二）基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實驗

汽車仿真軟件中，CarSim軟件作為車輛系統動力學商業化軟件相對于其他軟件具有使用方便、易于理解、難度適中、仿真速度快的優勢。Matlab/Simulink軟件是目前最常用的數據計算和分析處理、控制系統建模的軟件。CarSim軟件能夠與Matlab/Simulink進行聯合仿真。整個教學過程中，教師教會學生熟練掌握兩種軟件的使用。學生能夠在CarSim仿真軟件里確定車型、設計仿真實驗工況進行仿真分析，應用Matlab軟件自己編程計算汽車的幾大性能，根據汽車的參數，繪制汽車性能曲線，并分析不同因素與參數對汽車性能的影響。教師根據教學需要設計實驗題目，在實驗課讓學生利用兩種軟件進行仿真實驗。教師給定某一車型基本參數，要求學生根據所學汽車理論知識應用軟件對該車型的各種性能通過建模、工況仿真進行分析與評價。為了讓學生理解制動防抱死ABS對汽車制動性能的影響，教師引導學生應用兩種軟件的聯合仿真實驗對比無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定性試驗，可采用CarSim軟件進行汽車操縱穩定性蛇形試驗、轉向盤角階躍輸入試驗、轉向盤角脈沖試驗、轉向回正性能試驗、轉向輕便性試驗、穩態回轉試驗6個國標實驗。學生按照國標要求進行車輛參數設置、工況設置、測試數據選取。仿真實驗結束后，按照國標實驗要求對實驗數據進行編程處理和分析，繼而對該車的汽車操縱穩定性進行評價。通過這樣的仿真分析與評價，學生能夠深刻理解汽車操縱穩定性評價指標和評價方法，使抽象的理論教學變得形象、生動，提高了教學效果。仿真實驗課程上可設計多個實驗項目，學生們能同時進行同一實驗項目，每個人都能利用計算機進行各自的仿真實驗，每個人都有實驗機會。仿真實驗效率高，實驗內容全面，能夠激發學生實驗興趣，提高實驗效果。

（三）駕駛模擬器硬件在環仿真實驗

我校已搭建基于CarSim仿真軟件的駕駛模擬器硬件在環試驗臺。該實驗臺包括駕駛模擬器、電第3期李剛等：汽車理論課程實驗教學改革方案研究137控轉向實驗臺、電控制動實驗臺三部分，每一部分可獨立使用，也可聯合使用。駕駛模擬器主要由實車駕駛艙、各種傳感器、投影儀、環形屏幕、計算機、實時仿真系統、音響設備組成。電控轉向實驗臺、電控制動實驗臺由實車轉向系統、制動系統硬件和相應控制器組成，能夠模擬實車轉向和制動系統部件實際工作情況。實驗時駕駛員在駕駛艙內根據環形屏幕顯示的實驗工況場景，操縱方向盤控制汽車轉向，踩加速、制動踏板控制車速，音響設備車發出發動機工作聲音、制動過程輪胎與地面摩擦等聲音，整個實驗模擬過程生動直觀。汽車操縱穩定性實驗，如穩態圓周實驗、方向盤角脈沖、方向盤角階躍輸入實驗、蛇形實驗、轉向回正實驗等實驗均可在駕駛模擬器硬件在環實驗臺上進行實驗。除此之外，一些危險工況實驗,如低附著路面、對開路面急加速和制動實驗、緊急雙移線實驗都可以在駕駛模擬器硬件在環實驗臺上進行實驗。教師根據教學需要，選擇合適的實驗項目指導學生實驗。實驗過程中，教師需要教會學生熟練使用實驗臺，使學生做到能夠自己選取車型和修改車型參數、設計實驗方案、通過軟件和數據采集系統能夠實時顯示實驗數據、保存所需數據。駕駛模擬器實驗操作簡便，不受場地、實驗設備及人員要求限制，可以隨時進行、重復進行，每個學生都可以親自進行實驗，實驗本身沒有任何危險，但是卻能收到良好的實驗效果。如對于汽車操縱穩定性實驗和一些極限工況實驗均可通過駕駛模擬器仿真實驗完成，能夠進一步增加學生的感性認識和理解。此外，駕駛模擬器教學硬件在環實驗平臺還可以進行汽車電控系統控制算法的實驗驗證，給學生提供一個進一步擴展空間，使學生深入理解與掌握汽車理論知識。

（四）開放實驗室

開放駕駛模擬器硬件在環實驗臺，對于學生在學習汽車理論過程中遇到的一些問題或者關于汽車性能分析、汽車控制方面的問題研究，可通過探究性實驗設計在駕駛模擬器硬件在環實驗臺上進行驗證。開放實驗室形式，符合對于學生進行創新能力培養的要求，學生在進行探究性實驗過程中提高了自己的創新思維能力和動手實踐能力。探究性實驗包括一般問題的分析實驗和創新性實驗兩部分。實驗設計通過以學習者為中心的學習方式，激發學生的學習興趣，啟發學生進行思考和討論，提升實踐創新能力，拓展學習過程的開放性。如針對我校大學生方程式賽車開發，一名本科畢業設計學生在駕駛模擬器實驗臺搭建了基于CarSim的大學生方程式賽車模型并選取車手在實驗臺上進行各種工況實驗，對所開發的賽車進行分析與修正。在這一過程中，該生研究興趣濃厚，對汽車理論有了更深的認識。該生的畢業論文評為優秀畢業論文，畢業論文整理出兩篇小論文，分別發表在《遼寧工業大學學報》和《農業裝備和車輛工程》學術期刊上。通過開放實驗室，激發了學生學習汽車理論的熱情，為他們的創新思維提供了一個良好的實驗平臺。

三、結論

《汽車理論》實驗教學改革，通過引入基于CarSim與Matlab/Simulink的軟件仿真實驗和駕駛模擬器硬件在環實驗臺實驗，增加仿真實驗學時，可有效解決目前汽車理論實車實驗少、汽車理論實驗教學環節薄弱問題，開放實驗能夠為學生創新思維提供一個良好實驗平臺。基于仿真實驗平臺的《汽車理論》實驗教學改革將在提高汽車理論教學質量方面發揮重要作用。

作者：李剛 石晶 劉樹偉 秦玉英 陳雙 單位：遼寧工業大學汽車與交通工程學院