虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職高專汽車制造與裝配專業(yè)的應(yīng)用—以汽車裝配為例

李光雷，柴 群

1南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實驗室與資產(chǎn)管理處，南京 210023;2凱里學(xué)院，貴州 凱里 556011

1 汽車制造與裝配專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀及面臨的問題

當(dāng)前，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和居民收入水平的提高，汽車日益走進(jìn)千家萬戶，相應(yīng)的對汽車相關(guān)專業(yè)的技能型人才的需求也日益增加［1］。

高職院校作為培養(yǎng)高端技能型人才的重要基地，其培養(yǎng)的人才除應(yīng)具有一定的理論知識外，還需要具有較強的動手能力，這樣才能與高等職業(yè)院校培養(yǎng)生產(chǎn)、服務(wù)、管理一線所需的高技能人才的目標(biāo)相一致。汽車制造與裝配專業(yè)正是在這一背景下設(shè)立的，該專業(yè)的學(xué)生除了應(yīng)該掌握機械、電子等相關(guān)專業(yè)知識外，還要掌握現(xiàn)代汽車基本結(jié)構(gòu)及工作原理、汽車檢測與維修、現(xiàn)代汽車檢測儀器、設(shè)備的使用方法等基本技能［2］。在實際學(xué)習(xí)過程中，采用課堂上講理論，然后到實訓(xùn)場地結(jié)合實物進(jìn)行動手檢測、診斷、維修等操作，理論與實踐分開使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以將理論與實際緊密結(jié)合;而且理論課程和實踐課程的分開，不利于學(xué)生對所學(xué)知識的建構(gòu)。而將理論知識放到實訓(xùn)場地進(jìn)行講授，或者將汽車零部件的分解、裝配搬進(jìn)課堂，都是不現(xiàn)實的。因此，找到一種更好的方法來有效地解決這一難題便成了汽車制造與裝配專業(yè)教師不得不認(rèn)真思考的問題。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于汽車制造與裝配

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種采用計算機技術(shù)制作模擬仿真的假想“世界”的技術(shù)。它采用計算機產(chǎn)生一個被模擬仿真的動態(tài)三維視覺環(huán)境，使操作者產(chǎn)生一種身臨其境的感覺，對探討大量需要借助形象思維的問題很有幫助［3］。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將大量的教學(xué)信息直觀地表現(xiàn)出來，既方便又快捷，便于學(xué)生理解和掌握，還可以使抽象的概念直觀化、形象化，方便學(xué)生對抽象概念的理解。

具體到汽車制造與裝配專業(yè)來說，就是將傳統(tǒng)的理論與實踐分開的兩個課程環(huán)節(jié)結(jié)合起來。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將汽車的零配件進(jìn)行建模，利用虛擬現(xiàn)實軟件生成模型，學(xué)生可以在課堂上“動手”拆解、裝配這些零配件，而且不會產(chǎn)生材料的損耗。教師也可以結(jié)合“實物”對各個部件的功能進(jìn)行講解，甚至一些基礎(chǔ)性的實驗，也可以通過虛擬現(xiàn)實實驗進(jìn)行，而較為貴重的需要實際操作的實踐部分，可以先通過虛擬現(xiàn)實的零配件了解實驗過程，作為實際動手前的熱身。因此，虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于汽車制造與裝配專業(yè)具有廣闊的前景。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于汽車裝配的實例

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

該虛擬現(xiàn)實裝配平臺采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊如圖1所示。主要包括基于Web的客戶端和基于模型庫的服務(wù)器端。通過客戶端的控制，調(diào)用不同的模型，實現(xiàn)汽車零部件的拆解、裝配，使學(xué)生能夠通過模型了解零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及裝配的過程。

圖1 系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容模塊圖

3.2 模型構(gòu)建

該平臺以汽車發(fā)電機模型為例。建模軟件選用美國PTC公司的Pro/Engineer Wildfire版，首先分析發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，主要由端蓋、風(fēng)扇、定子、定芯、皮帶輪組成。利用Pro/Engineer設(shè)置好基準(zhǔn)及參考平面、坐標(biāo)系，繪制出相應(yīng)模型的草繪圖，通過拉伸、掃描、鏡像、旋轉(zhuǎn)、陣列等操作，依次完成各個零部件的模型構(gòu)建。通過利用Pro/Engineer建模好汽車發(fā)電機的各個零部件后，完成裝配(如圖2所示)。

圖2 汽車發(fā)電機模型構(gòu)建與裝配拆解

該研究以汽車發(fā)電機裝配為例，結(jié)合三維建模技術(shù)，在學(xué)生實際動手操作前，先在電腦上進(jìn)行模型拆解，不僅可以讓學(xué)生在實際動手操作前有個直觀的印象，也可以讓學(xué)生觀察到實際拆解中難以觀察到的部件結(jié)構(gòu)，更可以降低在實際操作中部件的損耗，有利于讓學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識，加深記憶，提高其學(xué)習(xí)效率。

3.3 交互實現(xiàn)

Cult3D是一種全新的網(wǎng)絡(luò)3D技術(shù)，也是一個跨平臺的3D引擎。它能較為方便地在網(wǎng)頁上建立具有交互功能的3D對象，并且可以使用鼠標(biāo)或鍵盤在網(wǎng)頁上操作用Cult3D制作的三維物體;可以旋轉(zhuǎn)、縮放，還可以用鼠標(biāo)捕捉事件完成更加復(fù)雜的動作，體現(xiàn)真實的物體屬性。但是，Cult3D軟件本身并沒有建模功能，需使用其他的三維軟件建立減速器的三維實體模型，然后導(dǎo)入到Cult3D軟件實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實轉(zhuǎn)換。首先將在Pro/Engineer中創(chuàng)建好的模型(*.prt)輸出為3DS MAX支持的(*.wrl)格式;在3DS MAX中導(dǎo)入(*.wrl)文件的同時進(jìn)行進(jìn)一步的材質(zhì)編輯，然后導(dǎo)出為Cult3D支持的(*.c3d)文件。要完成這一步，必須安裝Cult3D Exporter插件，該插件支持3DS MAX(*.c3d)格式的文件。制作好的模型經(jīng)過3DS max轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入Cult3D的效果如圖3所示。

Cult3D Designer是Cult3D的交互制作工具，通過它，可以為模型加上旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等交互性的特性。運行Cult3D，選擇“File→Add Cult3D Designer File”，在彈出的打開文件對話框中，選擇用3DS Max導(dǎo)出的C3D.c3d文件。拖動Event Map窗口中的World Start事件至右側(cè)的空白區(qū)域。創(chuàng)建一個新的World Start_1事件。選擇Action窗口，展開Object Motion節(jié)點，從中拖動Arcball圖標(biāo)到World Start_1事件上，然后松開鼠標(biāo)。這樣兩者之間就建立了連接關(guān)系。單擊預(yù)覽窗口的Run按鈕，就可以在演示窗口中任意拖動零件，從不同的方位觀察模型了(如圖4所示)。

圖3 利用Cult3D導(dǎo)入制作好的虛擬裝配

圖4 利用Cult3D添加交互

Cult3D可生成.EXE可執(zhí)行文件或者生成可發(fā)布Internet文件，用戶可直接在自己的瀏覽器上打開虛擬的模型并且可以用鼠標(biāo)、鍵盤操作這些模型。由于本例模型文件較大，故選擇導(dǎo)出為EXE可執(zhí)行文件。Cult3D可以通過VC++程序從Cult3D底層接口出來封裝成一個獨立的EXE文件或者通過NeoBook插件導(dǎo)出EXE可執(zhí)行文件。該例選擇利用NeoBook插件來輸出一個可執(zhí)行EXE文件，經(jīng)測試在Win 7英文專業(yè)版平臺運行良好(如圖5所示)。也可以選擇導(dǎo)出為Web格式，這時需要在瀏覽器安裝“Cult3D Viewer for Web browsers”，安裝完成后，即可以利用IE瀏覽器打開導(dǎo)出的文件，并且進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.4 虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用

經(jīng)過南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車維修專業(yè)的小范圍試用，取得較好的反饋效果。實驗組學(xué)生在上車前對被拆解物內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了較為詳細(xì)的了解，能夠較快地完成拆解和組裝，并知道各個部件的作用。而對照組的學(xué)生則顯得較為盲從，不知道從哪里開始拆解，對各個部件的功能結(jié)構(gòu)也缺乏了解。

圖5 使用Neobook插件編譯的Cult3D演示場景截圖

該研究利用Pro/Engineer、3DS MAX及Cult 3D軟件對汽車零部件分別進(jìn)行三維實體建模、交互控制設(shè)計，最后生成了逼真的模型平臺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育，是這一新技術(shù)在教育行業(yè)的一次應(yīng)用嘗試。汽車制造與裝配作為高職院校的一門特點較強的專業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生既掌握一定的理論知識，又具有較強的動手能力。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與汽車制造與裝配相結(jié)合，有利于這一培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，開闊學(xué)生的視野，增強課堂的互動。但在實際應(yīng)用中，要注意控制好虛擬和真實相結(jié)合，虛擬作為實際上機操作的補充，現(xiàn)場操作作為虛擬操作的加強，只有虛實結(jié)合，才能達(dá)到更好的效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職教育模式中有強大的生命力，在與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合的過程中，將逐步推動傳統(tǒng)課堂模式向虛擬現(xiàn)實課堂模式轉(zhuǎn)變。

［1］陸忠東.高職院校汽車專業(yè)教學(xué)改革的思考［J］.上海電機技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2004，(6):137

［2］張保成，張林仙，趙冬青.汽車專業(yè)教學(xué)改革的思考［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2001，(4):39-41

［3］李光雷.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中通用技術(shù)課程應(yīng)用初探［J］.中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2011，25(6):647-649