李忠新， 韩立金， 冯慧华， 闫清东

（北京理工大学机械与车辆学院；地面机动装备国家级实验教学示范中心，北京100081）

0 引 言

信息技术的飞速发展正在深刻影响教育理念、教育模式和教育体制的发展变化［1-3］。虚拟仿真实验教学作为目前先进的教学模式，是高校加强实验实践教学、提高实验实践教学质量的重要手段，已成为高校实验教学改革与创新的研究热点［4-5］。我校地面机动装备国家级实验教学示范中心，结合坦克传动国防科技重点实验室在装甲车辆领域丰富的科研和教学成果，围绕坦克装甲车辆领域人才培养的需求，以“能实不虚、虚实结合”为原则，突出学科优势与专业特色，开发建设了坦克装甲车辆机动性虚拟仿真教学实验。

1 虚拟仿真实验建设背景与意义

坦克装甲车辆机动性测试作为装甲车辆工程专业的专业核心课程装甲车辆设计的重要教学内容，是坦克装甲车辆工程专业人才培养体系中占有重要的地位与作用。现实教学中，高校坦克装甲车辆机动性实验受到3 方面制约：①坦克装甲车辆属于国家主要突击武器装备，机动性测试需要严格的审批；② 坦克装甲车辆机动性测试具有一定的危险性，且实验成本昂贵；③坦克装甲车辆机动性测试需要专用的场地环境与条件，须在满足长度、坡度等条件要求的专用试验场进行。学生无法独立、自主的进行实车测试，坦克装甲车辆机动性实验只能以演示、观摩以及科研台架模拟实验为主，影响和制约了相关内容的教学效果。为了进一步提升实验教学效果与实验教学水平，并作为学校装甲车辆工程专业示范实验、结构实践、虚拟仿真实验、自主创新实践等层级实践教学体系的重要组成和补充完善，基于实际教学需求开发建设了坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验系统。坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验涵盖了测试对象与实验条件、车辆准备、实验参数优化设计、性能指标测试、实验数据分析处理等内容与环节，利用虚拟仿真手段重现了高仿真度的实验环境与测试过程，并支持学生独立自主地进行机动性实验研究与探索。

2 虚拟仿真实验教学平台开发与体系建设

坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验基于坦克装甲车辆行驶原理与动力学模型开展实验设计与研究，采用目前比较主流的Unity 3D 作为开发引擎［6-7］，涵盖了坦克装甲车辆机动性及其评价、加速特性、动力性换挡规律、牵引特性、牵引力阻力平衡关系、转向半径与侧滑的关系、双流传动转向特征参数及行驶平顺性共计8 个知识点。

2.1 虚拟仿真实验总体流程设计

坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验总体流程如图1 所示，主要包括实验指导、测试对象与实验条件、加速性能测试、最高车速测试、转向性能测试、越野驾驶训练等学习任务与测试内容。

图1 坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验总体实验流程

学生通过本地终端，远程访问服务器，进入虚拟仿真实验系统，依次选择相应的实验内容，根据实验流程以及系统的指导和提示，独立完成相应实验设计与操作。该系统不受时间和空间的限制，通过逼真的实验场景重现，附以动画、图形文字介绍、声光音效、深度互动等手段，让学生身临其境，深入浅出地掌握实验相关原理、方法并对数据、问题进行分析处理。同时学生还可以根据自己的需要，对关键环节进行重复，直至掌握为止。

2.2 虚拟仿真实验系统架构

坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验系统架构如图2 所示。①前端系统：Web 前端负责系统全部的展示及逻辑功能。②后端系统：服务器系统负责记录学生的操作行为及实验数据结果等信息。③模块管理器：管理各个功能模块，并负责各个功能模块的切换。④坦克车辆管理器：管理坦克装甲车辆整车数据、模型、参数等。⑤零件及设备管理器：管理坦克装甲车辆推进系统部件及相关测试仪器与设备等。⑥ 坦克装甲车机动性能测试模块：管理具体实验测试内容，可以根据需要拓展增加，模块化搭配各个实验测试项目。

图2 虚拟仿真实验系统架构

2.3 虚拟仿真实验主要功能模块设计与实现

虚拟仿真实验的实验流程依据国军标要求以及坦克装甲车辆性能测试权威机构的试验规范进行设计，并参考选用测试仪器设备，保证了实验流程的真实性和科学性。虚拟仿真实验基于经过验证的坦克装甲车辆行驶动力学模型［8-13］进行数据计算与仿真，仿真精度高，保证了实验结果或结论的可靠性和有效性。虚拟仿真实验，利用Physx物理引擎高效、逼真地模拟坦克装甲车辆行进过程中的刚体碰撞、重力等物理效果，采用GPU粒子系统进行水花、烟雾等特效计算，增加了实验场景与过程的真实感。这些措施，保证了虚拟仿真实验的科学性和先进性，为学生提供了更多的知识获取渠道，能够有效地激发学生实验兴趣并提升综合素质与能力养成［14-15］。图3 所示为坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验的效果展示。

图3 坦克装甲车辆虚拟仿真实验

（1）坦克装甲车辆加速性能测试。学生进入坦克装甲车辆加速性能测试模块，首先需要依据牵引特性曲线进行换挡规律设计并完成不同换挡策略下的加速性能测试；在前面实验内容基础上，还需要依据加速度特性曲线进一步优化设计换挡规律并结合油离配合完成加速性能测试，如图4、5 所示。加速度特性曲线在牵引特性曲线的基础上进一步考虑了旋转质量增加系数等因素，揭示了加速度和牵引力的关系。

图4 加速性能测试

图5 换挡规律优化设计测试数据

（2）坦克装甲车辆最高车速测试。实验过程中，利用虚拟仿真实验条件，依据牵引力、阻力平衡曲线，综合考虑牵引力、阻力特性进行实验测试以及数据分析获得特定条件下的最高车速。学生需要思考完成两项测试内容：①根据牵引力、阻力平衡曲线，已知地面阻力，通过实验测试确定等速行驶时坦克的排挡和车速；②已知排挡和车速，通过实验测试确定坦克等速行驶能克服的地面阻力，如图6 ～8 所示。

图6 最高车速测试思考答题

图7 最高车速影响因素分析设计

图8 不同参数下最高车速测试

（3）坦克装甲车辆转向性能测试。转向性能测试实验中，学生在方向盘转角已定条件下，设计油门开度参数，依次完成中心转向参数设计与测试。在挡位与发动机转速已定条件下，设计方向盘转角参数进行行驶转向测试，如图9、10 所示。

图9 坦克装甲车辆转向测试方案设计

图10 行驶转向性能测试

（4）坦克装甲车辆越野性能测试。学生需要首先熟悉利用键盘鼠标进行坦克装甲车辆的启动、换挡、行驶、转向、停车等操作，操作熟练后可通过键鼠配合操作进行越野驾驶训练，通过典型路况下的综合驾驶训练，分析坦克装甲车辆的行驶平顺性，如图11 所示。

图11 越野驾驶训练

2.4 虚拟仿真实验教学方法

（1）循序渐进引导与自主研究探索相结合。虚拟仿真实验系统中，提供了开放的实验环境与条件，可以开展多种类型和层次的虚拟仿真实验。采用了多种灵活方式实时向学生提供实验指导，并在提供基础内容与操作指导的同时，设计了需要学生自主思考完成的内容，通过循序渐进引导与自主研究探索相结合进一步提升了学生实验过程的参与度与主动性，从而提高了实验教学实施成效。

（2）线上虚拟实验与线下总结研讨相结合。虚拟仿真实验采用线上虚拟实验以及数据分析处理与线下分析总结研讨相结合的实验教学模式，保证实验完整性的同时，实现了学生独立完成实验和团队交流研讨的完整性。

（3）趣味性与学术性相结合。虚拟仿真实验在内容展示、操作、实现等方面，在尊重学术、技术规律与特点的基础上，采用了多种形式与手段，加强了实验的趣味性；在实验策划设计中应用了部分科研成果提升了实验的学术性，从而实现了趣味性与学术性的统一，提高了学生实验兴趣，并进而提升了实验质量与效果。

3 虚拟仿真实验教学平台特色

（1）依托信息化技术的先进手段与技术优势，采用线上线下教学相结合的模式，实现了理论教学和实验教学有机结合、循序渐进引导与自主研究探索相结合、线上实验与线下总结研讨相结合、趣味性与学术性相结合的有机统一，大幅提升了实验教学成效。

（2）以学生实验学习产出为核心目标，构建了包括虚拟实验主要操作在线评价、实验相关基础知识和知识点掌握情况评价、实验报告评价在内的线上线下综合评价体系，能够更加科学、全面地对学生的实验学习效果进行评价。

（3）对传统实验教学进行了延伸与拓展。① 虚实结合，虚拟仿真实验与坦克驾驶实习等教学环节互补以及共同作用，拓展了装甲车辆创新、自主实验的教学内容。②开放设计，实验内容柔性模块化，可灵活地组织实验内容，并借助虚拟实验手段与技术优势，引导自主实验，提升了虚拟实验的学习产出。③教学科研紧密结合，将部分科研成果应用于实验教学，增加研究型实验，提高了虚拟实验的学术性。④ 军民融合，与坦克研发测试相关单位共建共享，拓展了虚拟实验的应用面。

4 结 语

坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验，为学生提供了自主研究探索的开放实验条件与环境，学生通过实验掌握坦克装甲车辆机动性试验条件、测试仪器设备、测试原理和方法以及试验数据处理和分析方法，了解我国独立自主研发的坦克装甲车辆技术和性能的发展进步，并进一步提高学生服务国防的意识和爱国主义情怀。坦克装甲车辆机动性虚拟仿真实验，已认定为2019 年北京市级虚拟仿真实验教学项目，目前处于国家级虚拟仿真实验教学项目评审阶段。