汽车理论课程实验教学改革论文

一、汽车理论课程实验引入仿真实验的必要性

论文中所提仿真实验平台主要指应用仿真软件进行仿真实验的软件仿真实验和基于驾驶模拟器硬件在环实验台实验两部分。应用汽车系统动力学仿真软件进行仿真实验和驾驶模拟器硬件在环试验台进行仿真试验，操作容易，不受时间地点限制，对增强学生对汽车基本理论和性能分析方面的能力具有良好作用。将仿真软件和驾驶模拟器硬件在环试验台引入到汽车理论教学实践中，通过理论分析与仿真实验，加强教学实践环节，从而使学生在有限的学时中能够尽快入门。目前，国内一些有车辆工程专业的高校也已经开始展开了应用仿真工具进行汽车理论仿实践教学改革方面的研究。北京理工大学包凡彪提出了以Matlab/Simulink为核心仿真工具进行汽车基本原理、性能分析的汽车理论实验教学改革，使学生在学习过程中发挥了主体作用，提高了综合分析能力和实践创新能力[7]。重庆交通大学隗寒冰提出了应用Cruise软件进行汽车理论实验教学研究：将整车动力学仿真软件Crusie引入到实验教学活动中，通过搭建整车动力传动系统模型（包括FCV/EV/HEV），进行动力学性、经济性、操纵稳定性仿真实验，加深对汽车理论知识的理解[8]。湖北汽车工业学院黄兵锋提出了将Matlab软件应用于汽车理论的教学实践，利用Matlab软件强大的计算和分析功能，加深了学生对概念的理解，极大地提高了学生学习的兴趣和积极性[9]。云南交通职业技术学院杨学松提出了基于MATLAB之下Simulink和Simdriveline仿真软件来辅助课堂教学，通过搭建仿真平台，从而有利于学生的理解,提高课程的教学效果[10]。通过仿真平台进行仿真实验是弥补实车实验不足的有效手段，也是提高汽车理论教学效果的重要方法，是当前汽车理论实验教学改革研究的一个主要趋势。

二、基于仿真平台的汽车理论课程实验教学改革

方案通过增加仿真实验学时，设计基于CarSim与Matlab/Simulink的软件仿真实验和基于驾驶模拟器硬件在环仿真实验，进行基于仿真平台的汽车理论课程实验教学改革。

（一）增加仿真实验学时

目前我校《汽车理论》实验主要包括汽车动力性实车实验2学时、制动性实车实验2学时、平顺性实车实验2学时。汽车动力性实验主要包括汽车滑行实验、加速实验，制动实验主要是进行某一车速下的制动到停车的实验，平顺性实验要选择随机路面进行汽车随机振动测试、数据处理和评价。汽车动力性实验、制动性实验、平顺性实验目前学校实验场地、实车、测试设备能够满足要求，而汽车操纵稳定性实验和一些极限工况实验（如低附着路面急加速实验、低附着路面高速制动实验和紧急双移线实验）由于受实验场地、实验设备和实验人员限制，实车实验无法进行。这对于学生学习汽车操纵稳定性理论非常不利。汽车操纵稳定性这部分理论较为抽象，学生学习过后又没有实验进行验证和增加感性认识，难以达到真正理解的目的。软件仿真实验和驾驶模拟器硬件在环实验台仿真实验不受时间、场地、实验设备等因素的影响，实验内容全面、重复性好、效率高，因此通过增加仿真实验学时弥补实车实验的不足。此外，对于实车动力性实验和制动性实验两个实验如果进行合理安排，完全可以整合为2个学时完成整合成两个实验，而增加软件仿真实验2学时和驾驶模拟器硬件在环实验台实验2学时。增加的仿真学时可主要偏重于汽车操纵稳定性实验和一些极限工况实验，能够有效解决实验场地和实验设备不足的情况。

（二）基于CarSim与Matlab/Simulink的软件仿真实验

汽车仿真软件中，CarSim软件作为车辆系统动力学商业化软件相对于其他软件具有使用方便、易于理解、难度适中、仿真速度快的优势。Matlab/Simulink软件是目前最常用的数据计算和分析处理、控制系统建模的软件。CarSim软件能够与Matlab/Simulink进行联合仿真。整个教学过程中，教师教会学生熟练掌握两种软件的使用。学生能够在CarSim仿真软件里确定车型、设计仿真实验工况进行仿真分析，应用Matlab软件自己编程计算汽车的几大性能，根据汽车的参数，绘制汽车性能曲线，并分析不同因素与参数对汽车性能的影响。教师根据教学需要设计实验题目，在实验课让学生利用两种软件进行仿真实验。教师给定某一车型基本参数，要求学生根据所学汽车理论知识应用软件对该车型的各种性能通过建模、工况仿真进行分析与评价。为了让学生理解制动防抱死ABS对汽车制动性能的影响，教师引导学生应用两种软件的联合仿真实验对比无ABS控制和有ABS控制汽车在同一制动工况下的差异。再如对于汽车操纵稳定性试验，可采用CarSim软件进行汽车操纵稳定性蛇形试验、转向盘角阶跃输入试验、转向盘角脉冲试验、转向回正性能试验、转向轻便性试验、稳态回转试验6个国标实验。学生按照国标要求进行车辆参数设置、工况设置、测试数据选取。仿真实验结束后，按照国标实验要求对实验数据进行编程处理和分析，继而对该车的汽车操纵稳定性进行评价。通过这样的仿真分析与评价，学生能够深刻理解汽车操纵稳定性评价指标和评价方法，使抽象的理论教学变得形象、生动，提高了教学效果。仿真实验课程上可设计多个实验项目，学生们能同时进行同一实验项目，每个人都能利用计算机进行各自的仿真实验，每个人都有实验机会。仿真实验效率高，实验内容全面，能够激发学生实验兴趣，提高实验效果。

（三）驾驶模拟器硬件在环仿真实验

我校已搭建基于CarSim仿真软件的驾驶模拟器硬件在环试验台。该实验台包括驾驶模拟器、电第3期李刚等：汽车理论课程实验教学改革方案研究137控转向实验台、电控制动实验台三部分，每一部分可独立使用，也可联合使用。驾驶模拟器主要由实车驾驶舱、各种传感器、投影仪、环形屏幕、计算机、实时仿真系统、音响设备组成。电控转向实验台、电控制动实验台由实车转向系统、制动系统硬件和相应控制器组成，能够模拟实车转向和制动系统部件实际工作情况。实验时驾驶员在驾驶舱内根据环形屏幕显示的实验工况场景，操纵方向盘控制汽车转向，踩加速、制动踏板控制车速，音响设备车发出发动机工作声音、制动过程轮胎与地面摩擦等声音，整个实验模拟过程生动直观。汽车操纵稳定性实验，如稳态圆周实验、方向盘角脉冲、方向盘角阶跃输入实验、蛇形实验、转向回正实验等实验均可在驾驶模拟器硬件在环实验台上进行实验。除此之外，一些危险工况实验,如低附着路面、对开路面急加速和制动实验、紧急双移线实验都可以在驾驶模拟器硬件在环实验台上进行实验。教师根据教学需要，选择合适的实验项目指导学生实验。实验过程中，教师需要教会学生熟练使用实验台，使学生做到能够自己选取车型和修改车型参数、设计实验方案、通过软件和数据采集系统能够实时显示实验数据、保存所需数据。驾驶模拟器实验操作简便，不受场地、实验设备及人员要求限制，可以随时进行、重复进行，每个学生都可以亲自进行实验，实验本身没有任何危险，但是却能收到良好的实验效果。如对于汽车操纵稳定性实验和一些极限工况实验均可通过驾驶模拟器仿真实验完成，能够进一步增加学生的感性认识和理解。此外，驾驶模拟器教学硬件在环实验平台还可以进行汽车电控系统控制算法的实验验证，给学生提供一个进一步扩展空间，使学生深入理解与掌握汽车理论知识。

（四）开放实验室

开放驾驶模拟器硬件在环实验台，对于学生在学习汽车理论过程中遇到的一些问题或者关于汽车性能分析、汽车控制方面的问题研究，可通过探究性实验设计在驾驶模拟器硬件在环实验台上进行验证。开放实验室形式，符合对于学生进行创新能力培养的要求，学生在进行探究性实验过程中提高了自己的创新思维能力和动手实践能力。探究性实验包括一般问题的分析实验和创新性实验两部分。实验设计通过以学习者为中心的学习方式，激发学生的学习兴趣，启发学生进行思考和讨论，提升实践创新能力，拓展学习过程的开放性。如针对我校大学生方程式赛车开发，一名本科毕业设计学生在驾驶模拟器实验台搭建了基于CarSim的大学生方程式赛车模型并选取车手在实验台上进行各种工况实验，对所开发的赛车进行分析与修正。在这一过程中，该生研究兴趣浓厚，对汽车理论有了更深的认识。该生的毕业论文评为优秀毕业论文，毕业论文整理出两篇小论文，分别发表在《辽宁工业大学学报》和《农业装备和车辆工程》学术期刊上。通过开放实验室，激发了学生学习汽车理论的热情，为他们的创新思维提供了一个良好的实验平台。

三、结论

《汽车理论》实验教学改革，通过引入基于CarSim与Matlab/Simulink的软件仿真实验和驾驶模拟器硬件在环实验台实验，增加仿真实验学时，可有效解决目前汽车理论实车实验少、汽车理论实验教学环节薄弱问题，开放实验能够为学生创新思维提供一个良好实验平台。基于仿真实验平台的《汽车理论》实验教学改革将在提高汽车理论教学质量方面发挥重要作用。

作者：李刚 石晶 刘树伟 秦玉英 陈双 单位：辽宁工业大学汽车与交通工程学院