刘义付 孙瑞霞

黄河交通学院 汽车工程学院 河南省焦作市 454950

1 汽车试验学课程概述

汽车从诞生到现在已经有百年的发展历程，一个世纪以来汽车交通事故也是不断增加。汽车碰撞是现在中国乃至国际上最主要的道路交通事故形式，由于汽车本身速度和重量的原因，已经造成了巨大的生命与财产损失。如何提高车身结构的安全性，更好的保护司机和乘客的人生安全，需要各级科研机构以及高校从事车辆工程专业学生加大对汽车试验学课程的研究和实践。

汽车试验学是汽车工程学院车辆工程、能源与动力工程等专业学生在第七学期开展的专业核心课，主要的授课内容是将汽车试验的基本原理、基本测试设备、测试方法进行学习[1]。课程对于车辆工程专业具有非常重要的理论意义和现实意义，对于应用型本科而言，是贴近与社会发展的一个重要方法，是提高学生对于汽车整体认识的特殊途径。

2 汽车试验学实践环节的组成

汽车工程学院在2019版人才培养方案中，通过和社会汽车行业发展的调研，结合学院的具体情况汽车试验学是一门32学时，有6个学时课内实验的专业课程的，其中有一个2学时的汽车碰撞测试试验。通过汽车碰撞测试试验，使学生掌握汽车碰撞测试的具体过程，了解汽车碰撞试验室的各种设备，掌握汽车被动安全的评价标准，对汽车碰撞常见的技术指标进行合理分析和归纳，并对常见安全缺陷进行初步的分析。本实验具体教学目的如下：

第一、增进学生对所学课程《汽车试验学》理论知识的理解，理论联系实践，逐步培养学生解决实际工程问题的能力；

第二、熟悉车辆碰撞实验的基本原理、方法、流程，可以根据国家相关标准开展汽车安全性方面评价的基本能力；

第三、掌握被动安全与主动安全的主要作用，在实际碰撞过程中的主要作用；

第四、根据后退距离-车速关系曲线、碎片面积-车速关系曲线等，对汽车碰撞的主要技术指标进行分析，并对汽车安全性改进提出科学建议的能力；

第五、通过对国产汽车、国外汽车安全性发展的对比，增强四个自信，立志为社会主义贡献力量。

3 常规汽车碰撞测试的局限性

虽然本试验具有非常重要的理论意义，但是现实中开展本试验具有很大的局限性，主要分为：

第一、实车碰撞场地的造价非常昂贵。现在各个专业的汽车制造厂家都建设有符合国家相关标准的汽车碰撞实验室，目的就是可以方便的掌握被测试汽车第一手资料，有利于以后车辆的改进，为后续的量产和优化提供科学依据。但是建设一个符合要求的汽车碰撞实验室基本需要几百万左右，一次投入成本很高，不方便让院校参观学习，给实际的实习带来了很大的困难。

第二、实车碰撞的视频资料不适宜公开。由于汽车碰撞大部分都是汽车厂家在研车型，汽车内部构造的缺陷设计到商业秘密等，不适合让学校学生学习。同时，由于每次碰撞的时间都是以毫秒计算，因此一般的人眼是无法进行观测的，需要结合高速摄像机的慢放才能进行观察，这些给实际的实习带来很大的不方便。

第三、一次真车汽车碰撞一般需要准备的时间较长，学生的参与度很低。一次碰撞从开始进行各种准备，包括各种标定、传感器的固定等，到最后的实际实施，一般需要数天的准备。试验过程复杂、学生的参与度低，重复性很差。同时，学校不会离实验室非常近，考虑到组织时间，每次真正的实习时间会比较短，实习效率不是非常高。

4 虚拟仿真资源进行汽车碰撞测试的优点

通过以上的分析可以看出，普通高校开展本实验具有很大的局限性，包括一次性投入大、时间长等，因此可以采用虚拟仿真资源进行替代。开展三维汽车碰撞虚拟仿真实验，具有很突出的优点[2]：

第一、虚拟仿真测试需要投入的成本要比实车要少，且可以重复使用。虚拟资源建立和实验室的建设基本上都是一次投入，多次使用，和一次实车碰撞相比，经济性非常好，符合现在高校发展的方向。

第二、虚拟仿真测试的安全性极高。汽车碰撞测试在实际的进行中，由于碰撞是能量的转化是在极端时间内完成的，因此其危险系数很高，虚拟仿真测试可以在实验室内完成，安全方面有很好的保证。

第三、虚拟仿真资源可以丰富教学方法。采用虚拟资源进行授课，对于培养熟悉汽车安全结构和安全保护技术的专业人才非常必要。“汽车碰撞测试虚拟仿真实验”基于真实车辆建立高精度数字化车辆仿真模型，完整再现实车碰撞实验全过程，提供有效实验数据，具有“以虚补实，虚实结合”的鲜明特色，实现“深度交互、理实融合”的教学效果。

5 汽车碰撞测试虚拟资源建设

虚拟仿真实验的开展，首先需要建立汽车的三维模型。课题组和专业公司合作开展了本内容的完成，实车模型的数据完全来自在售车型，增加了实验的真实性，为实验的开展奠定了应用型的基础。通过对汽车碰撞测试实验主要工序及实际样车主要参数而建立的可视化3D模型，在虚拟现实环境中，以不同的速度等参数再现交通事故的方式，分析汽车在碰撞过程中乘员及车辆伤害状态，从不同的受损情况分析汽车结构安全性。使学生能够观察不同车速下的碰撞结果，并利用特殊的计算机展示技术，引导学生在基于数字化虚拟现实3D汽车模型的基础上，通过分析结果可以改进车辆结安全构设计，完全体现了虚实结合、产教融合的原则。

图1 汽车碰撞实验虚拟资源封面图

6 汽车碰撞测试虚拟资源教学实施

本实验的教学实施过程也和普通的实验有一定的区别。在实验前，提出问题让学生对汽车碰撞进行思考，而后开始虚拟实验。根据《汽车试验学》课程教学要求和实验教学内容，开展“汽车碰撞测试虚拟仿真实验”的实验教学[3]。该实验运用虚拟车辆模型、虚拟驾驶员、虚拟仪器、虚拟实验场，借助3D可视化技术、人机交互技术、智能网络技术等现代信息技术，开展汽车碰撞测试虚拟仿真，使学生了解汽车碰撞测试实验的基本内容，掌握汽车碰撞测试实验的操作流程和实验数据分析方法，深入理解影响汽车碰撞测试的主要因素。

学生通过局域网电脑登录汽车碰撞实验虚拟仿真实验平台，在教学资料中获取汽车碰撞实验流程介绍、主要实验设备等资料，进行学习。在实验前，可以通过系统先了解汽车碰撞的概况、实验目的、实验安全要求等基本问题，然后开始实验。学生选择进入不同的碰撞类型，按照系统提示的实验步骤进行汽车碰撞实验的准备工作，在此过程中可以按照之前学习的理论知识对汽车的各种实验参数和实验仪器进行选择和设定。同时，学生可以全方位多角度观察汽车模型，调整拍摄角度等。准备工作结束后，按照系统的提示进行碰撞实验，并在实验后对实验过程具体参数进行分析和总结，对碰撞指标后退距离、碎片面积、凹陷深度等进行数据处理和分析，此部分为电脑自动评分。对各种不同碰撞的主动安全措施和被动安全措施进行对比，针对汽车安全体系提出学生自己的解决方案，本部分由教师人工批改评分；每位实验的学生还要写出实验总结，才能提交实验报告，获得成绩。

使用者还可以通过佩戴VR眼镜，利用眼镜与手柄结合操作，VR眼镜用来实现虚拟车辆场景画面，手柄代替鼠标和其他工具进行操作，使用者有身临其境的感受。

最后，在实际实验的实施过程中，课程的考核也进行了一定的创新主要内容见表1。按照实际得分，给出等级（90分以上优秀，80-90分良好，70-79分中等，60-69分及格，低于60分不及格）。

表1 汽车碰撞测试虚拟资源教学考核明细表

7 汽车碰撞测试虚拟资源教学特色

基于虚拟仿真资源来进行汽车碰撞测试和传统的教学相比，具有一定的特色，主要表现在：

第一、有一定的时代先进性。

（一）全面融合数字虚拟仪器、虚拟实验室、三维场景与人机在线交互等技术，实验项目易学易用、界面友好，学生参与度高、沉浸性强，解决了该项目实验过程复杂、实验器材昂贵、学生参与度低，实体教学实验难以开展的突出问题，具有“以虚补实，虚实结合”的鲜明特色。

（二）不断融入吸收最新教学实践和科硏成果，开发的仿真模型与实车具有相同的几何结构、轴荷分配、车身材料属性设置等，同时与企业实际生产和测试部门相结合，将产教融合理念深度融合在学生的本科教育当中，体现了实践的先进性和科学性。最后，由于实验中采用的是真实案例教学，因此加深了学生对汽车碰撞知识的更深入理解，还加强了解决实际工程问题的能力。

（三）在进行实践的过程中，通过对比国产汽车和其他汽车碰撞结果，发现国产汽车在这方面不比他们差。加入课程思政元素，提高学生道德标准，坚持把立德树人作为教育的中心环节，将思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全过程育人。

第二、教学方法有一定的创新。

实验时，通过VR虚拟现实场景中汽车碰撞实验流程的2D/3D形态特征，结合实验地实景展示，启发式教学，让学生有亲临其境的真实感受。通过主要车辆部件的3D动态观察，可全方位、多角度了解汽车碰撞过程中关键部件的作用、外形结构、碰撞时的变形等，引导学生自主学会碰撞实验的全部流程，根据现实需要选择合适的工艺设备，参看相关标准对汽车结构安全提出个人见解，解决了部分实际工程问题，达到了应用型本科教育的目的[4]。

同时，通过系统互动平台，教师还可在线指导学生，解答学生在实验中遇到的问题。最后，本系统还可以开展线上真人竞赛模式，支持多人交互。这种不受时间、地点限制的VR虚拟实验模式，不仅激发学生的学习兴趣，而且提高学生的自主学习能力，学习效果明显。

第三、评价体系创新。

汽车碰撞实验是一个汽车类专业实验项目，要求学生掌握汽车碰撞的类型、碰撞实验流程、碰撞实验主要参数的设定、结构上常见缺陷改进的方法等。

该虚拟实验系统自动记录学生实验操作过程和实验数据使用过程，进行综合评价得到学生的实验成绩。学生完成实验后，还必须在虚拟仿真实验系统上完成实验报告，老师在线上对学生提交的实验报告进行综合评价。

该实验项目在开放式虚拟仿真实验教学管理系统和共享平台上运行，教师可利用该平台在线上安排学生预习、指导学生实验和批改实验报告并与学生互动交流，实现了全流程、一体化、交互式的教学管理与评价。

第四、对传统教学的延伸与拓展。

本实验项目在《汽车构造》、《汽车实验学》等课程基础上，运用3D仿真VR在线交互等现代教学技术，通过三维交互虚拟仿真实验系统的转换和优化，学生可在三维场景下开展“汽车碰撞测试虚拟仿真实验”，学习汽车正面和侧面碰撞实验的基本内容、仪器设备、操作步骤和数据分析方法，实现对传统理论教学和实验教学的延伸和拓展。同时，增加课题思政的元素，采用启发式教学，培养学生“四个自信”，完成立德树人的教育目标。

8 汽车碰撞测试虚拟仿真资源教学总结

汽车碰撞测试虚拟仿真实验通过构建汽车三维模型，以工程实际问题的处理流程为依据，结合现代科技再现汽车碰撞测试的完整过程，让学生在虚拟环境中感受和学习本实验，贴合时代发展，激发了学生的学习热情，提高了学生的参与度。在实验的过程中，通过项目驱动的预习方式，提高学生学习的主动性，对课程考核进行一定的改革，达到了“以虚补实，虚实结合”的目的，可以给其他对时间要求高、安全要求高、资金投入高的实验环节起到一定的借鉴意义。