虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在中職汽修教學(xué)中的應(yīng)用

徐朝松

摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以提供一種實(shí)物和模型的環(huán)境，向?qū)W習(xí)者提供一種最具真實(shí)感的學(xué)習(xí)模式。它讓學(xué)習(xí)者擁有一個(gè)“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，通過(guò)自身與信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)和技能。本文通過(guò)分析虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在中職汽修教學(xué)中應(yīng)用的必要性和實(shí)際應(yīng)用效果得出結(jié)論：虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在中職汽修專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，從汽車駕駛、構(gòu)造、維修、裝配以及汽車檢測(cè)等各方面進(jìn)行模擬，緩解或解決了現(xiàn)行汽修專業(yè)教學(xué)中實(shí)訓(xùn)設(shè)備更新過(guò)快，成本過(guò)大、場(chǎng)地限制明顯等實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù) 中職汽修 教學(xué) 應(yīng)用

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代起，世界上很多高等院校對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展了研究，如美國(guó)的麻省理工學(xué)院（MIT）建立了一個(gè)名叫BOLIO的測(cè)試環(huán)境，用于進(jìn)行不同圖形仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。利用這一環(huán)境，MIT建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的對(duì)象運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)；英國(guó)的Linda大學(xué)醫(yī)學(xué)中心以數(shù)據(jù)手套為工具，將手的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)地在計(jì)算機(jī)上用圖形表示出來(lái)，還首創(chuàng)了VR兒科治療法；德國(guó)的Ruhr大學(xué)開(kāi)發(fā)的虛擬自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)關(guān)于控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，具有直觀形象的三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景視覺(jué)效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)的交互式操作。

我國(guó)在虛擬實(shí)驗(yàn)研究方面起步較晚，但是發(fā)展速度較快。中國(guó)科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)已經(jīng)根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，并專門構(gòu)建了虛擬仿真開(kāi)放共享平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享。在汽車相關(guān)領(lǐng)域，北京科技大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，成功開(kāi)發(fā)出了純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生汽車行駛過(guò)程中的虛擬視景、音響效果和運(yùn)動(dòng)仿真，駕駛員沉浸到虛擬駕駛環(huán)境中，并有實(shí)車駕駛的感覺(jué)。

二、汽車專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.汽修設(shè)備更新?lián)Q代較快、學(xué)校難以支撐其換代費(fèi)用

隨著高科技時(shí)代的來(lái)臨，汽車的發(fā)展日新月異。汽修專業(yè)的設(shè)備和儀器儀表更新速度加快，使用周期縮短，同時(shí)設(shè)備和儀器儀表價(jià)格不菲，學(xué)校經(jīng)濟(jì)層面難以支撐，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)換代，日積月累實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)設(shè)備和實(shí)際企業(yè)應(yīng)用的情況脫節(jié)，難以跟上時(shí)代的步伐。

2.場(chǎng)地限制較為突出、不能大范圍的布置實(shí)訓(xùn)室

汽修實(shí)訓(xùn)設(shè)備往往體積較大，占地范圍也同樣如此，且同樣設(shè)備由于費(fèi)用和實(shí)際場(chǎng)地條件限制，也不能大范圍地購(gòu)置。這樣會(huì)導(dǎo)致教師在實(shí)際示范過(guò)程中不能顧及到大部分或全部的學(xué)生，教學(xué)開(kāi)展有一定的局限性。

3.對(duì)實(shí)體實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不熟悉，常常造成意外危險(xiǎn)和設(shè)備損壞

在實(shí)訓(xùn)設(shè)備初次或前幾次的使用過(guò)程中，由于學(xué)生乃至教師對(duì)設(shè)備的了解和熟悉缺乏一定的經(jīng)驗(yàn)積累過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)過(guò)必要的“養(yǎng)成訓(xùn)練”，常常出現(xiàn)學(xué)生受到一定的意外傷害或者實(shí)訓(xùn)設(shè)備受損害和破壞的情況。

三、運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽修教學(xué)中應(yīng)用的必要性

1.促進(jìn)教學(xué)改革，改變教學(xué)方式

基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的教學(xué)，突破傳統(tǒng)教育的時(shí)間和空間限制，使學(xué)生擁有自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，擴(kuò)大學(xué)生的學(xué)習(xí)空間，增強(qiáng)學(xué)生的想象力；從傳統(tǒng)單一的師生交互環(huán)境，轉(zhuǎn)變到師生、人機(jī)、生生多個(gè)交互系統(tǒng)的有機(jī)環(huán)境；教學(xué)過(guò)程中教師作為引導(dǎo)者與組織者，學(xué)生作為主導(dǎo)者與參與者，教師啟發(fā)引導(dǎo)、學(xué)生自我學(xué)習(xí)與相互交流討論等教學(xué)方式能夠全面體現(xiàn)與實(shí)施。

2.激發(fā)學(xué)生熱情，提高教學(xué)效率

基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的教學(xué)，擺脫了傳統(tǒng)書本教學(xué)和普通多媒體演示的教學(xué)模式。它能夠模擬真實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中身臨其境地進(jìn)行虛擬訓(xùn)練，還可以提供各種基于專業(yè)知識(shí)和技能的教學(xué)游戲。這樣可使原本枯燥乏味的理論知識(shí)和難于操作的實(shí)操變得有趣，有利于學(xué)生在人機(jī)交互過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)效率。

3.合理配置成本，拓寬教學(xué)知識(shí)面

傳統(tǒng)汽車實(shí)訓(xùn)室往往需要很大的場(chǎng)地與投資，建立一套虛擬實(shí)驗(yàn)室的投資要小得多；虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在使用過(guò)程中，材料消耗低，設(shè)備可靠性高，維修概率小，學(xué)生安全性高；還可將一些危險(xiǎn)性高、開(kāi)展難度大的項(xiàng)目采用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行，比如訓(xùn)練各類檢測(cè)設(shè)備的操作方法、各種故障診斷與排除的技巧等，既解決了某些現(xiàn)實(shí)中無(wú)法開(kāi)展的難題，又保證了安全。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的相互關(guān)系

1.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的影響

傳統(tǒng)的教學(xué)以教師講課為主，學(xué)生聽(tīng)課為輔，教師講什么學(xué)生學(xué)什么，教師主宰整個(gè)課堂，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)。久而久之，學(xué)生固定了思維，創(chuàng)新能力無(wú)法得到有效提高。虛擬實(shí)驗(yàn)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)以及傳感器技術(shù)等，使它生成的視覺(jué)環(huán)境是立體的、音效是立體的，人機(jī)交互是和諧友好的，因此虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)將一改人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，創(chuàng)造使學(xué)生陶醉在流連忘返的學(xué)習(xí)之中的環(huán)境。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)教學(xué)手段的影響

互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)，通過(guò)好像身臨其境、自主控制的人和機(jī)器的交互，給學(xué)生提供諸如視、聽(tīng)、嗅、觸等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段、最大限度地方便學(xué)生的操作，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；發(fā)現(xiàn)式教學(xué)，教師要根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯?wèn)題情境，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)汽車拆裝與維修的規(guī)律和問(wèn)題解決的途徑，使他們經(jīng)歷知識(shí)形成的過(guò)程；協(xié)同工作式教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受地域和距離的影響，可使不同地域或者區(qū)域的師生共處于一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)空間中，通過(guò)師生的共同參與，相互協(xié)作來(lái)完成汽車拆裝、檢測(cè)和維修項(xiàng)目的實(shí)操訓(xùn)練。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)仿真軟件與傳統(tǒng)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合

虛擬實(shí)驗(yàn)背景下產(chǎn)生的仿真軟件教學(xué)是具有綜合作用的教育手段，學(xué)生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動(dòng)感覺(jué)，運(yùn)動(dòng)和思維，極大地提高了學(xué)習(xí)效率。提倡虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并不是完全否定傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)也有自身的優(yōu)勢(shì)，如知識(shí)傳授的完整性、教學(xué)過(guò)程中的師生互動(dòng)性等。兩者的有效結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成實(shí)踐中有效可行的信息化教學(xué)。

五、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽修專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

1.虛擬駕駛是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車駕駛員培訓(xùn)中的應(yīng)用

虛擬駕駛不僅可以模擬道路環(huán)境如各類建筑、橋梁、隧道、水域、植被綠化、車輛、行人、交通標(biāo)志等，還能模擬各種天氣環(huán)境如早晨、中午、黃昏，大霧、下雨、下雪等。虛擬駕駛系統(tǒng)的圖形部分隨著駕駛的過(guò)程由計(jì)算機(jī)不斷實(shí)時(shí)變化，虛擬駕駛系統(tǒng)的方向盤、油門、離合器、剎車、檔位和真車一致。另外，三維圖、錯(cuò)擋行駛熄火、方向盤啟動(dòng)時(shí)微震、力回饋和位移等路感信息的模擬，讓駕駛學(xué)員有了真車訓(xùn)練的感覺(jué)。用虛擬駕駛系統(tǒng)對(duì)學(xué)員進(jìn)行交通、駕駛知識(shí)的訓(xùn)練和駕駛技能的鍛煉能有效減少學(xué)員的培訓(xùn)時(shí)間，有效幫助學(xué)員提高駕駛熟練程度，有效降低學(xué)員駕駛初期的恐懼性，從而減小交通事故發(fā)生的概率。

2.虛擬汽車保養(yǎng)是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車維護(hù)與保養(yǎng)課程中的具體應(yīng)用

以“豐田4萬(wàn)公里保養(yǎng)”為例，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)建一仿真軟件，其主要內(nèi)容包括舉升位置模塊、記錄工單和資料查詢等。學(xué)生可以根據(jù)自身情況任意選擇一個(gè)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。其中“記錄工單”選項(xiàng)記錄學(xué)生操作過(guò)的項(xiàng)目，當(dāng)學(xué)生做了一個(gè)保養(yǎng)項(xiàng)目，記錄工單就會(huì)在相應(yīng)項(xiàng)目上進(jìn)行記錄。通過(guò)這些記錄，學(xué)生可以一目了然地從中知道哪些項(xiàng)目做了，哪些項(xiàng)目沒(méi)有做，哪些項(xiàng)目做對(duì)了，哪些項(xiàng)目做錯(cuò)了。另外，“資料查詢”選項(xiàng)是學(xué)生進(jìn)行保養(yǎng)的操作規(guī)程和依據(jù)。當(dāng)學(xué)生不會(huì)某一項(xiàng)保養(yǎng)項(xiàng)目時(shí)，他可以點(diǎn)擊“資料查詢”進(jìn)行相應(yīng)步驟的學(xué)習(xí)和查閱。學(xué)生通過(guò)在虛擬汽車保養(yǎng)的反復(fù)訓(xùn)練，再到實(shí)車中進(jìn)行實(shí)踐，能有效解決學(xué)生盲目操作、無(wú)從下手的問(wèn)題，提高學(xué)生操作的安全性和學(xué)習(xí)效率。

3.虛擬拆裝是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車各總成拆實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

如進(jìn)行“AJR發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋拆裝”實(shí)踐操作時(shí)，學(xué)生在虛擬環(huán)境下，首先正確選擇拆裝時(shí)所需要的工量具，并放入工具車，然后利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋的10顆螺栓進(jìn)行虛擬的拆卸與裝配，最后電腦通過(guò)對(duì)拆卸和裝配的步驟分析，工藝流程的判斷，形成結(jié)果性的評(píng)價(jià)。學(xué)生通過(guò)反復(fù)虛擬訓(xùn)練，不斷發(fā)現(xiàn)自身存在的問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題反復(fù)改進(jìn)操作方法，優(yōu)化拆裝步驟，逐步提高裝配效率，大大降低教學(xué)成本。

4.虛擬汽車故障是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車故障診斷與排除課程中的應(yīng)用

如學(xué)習(xí)“電子控制汽油噴射系統(tǒng)電路故障診斷與排除”內(nèi)容時(shí)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)一逼真的電子控制汽油噴射系統(tǒng)的控制電路并設(shè)置故障點(diǎn)。學(xué)生在進(jìn)行故障診斷時(shí)，可以根據(jù)三維的電路圖，更加直觀地查找故障點(diǎn)，然后根據(jù)故障點(diǎn)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行故障的診斷與排除，使電子控制汽油噴射系統(tǒng)恢復(fù)正常。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以對(duì)所有部件的特定部位設(shè)置故障點(diǎn)。通過(guò)反復(fù)練習(xí)，學(xué)生可獲得豐富的維修經(jīng)驗(yàn)。由于虛擬的故障訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以任意進(jìn)行探索性操作，可提高學(xué)生的創(chuàng)造性。

5.汽車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車檢測(cè)技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

利用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在虛擬的場(chǎng)景或者試驗(yàn)環(huán)境中建立好試驗(yàn)汽車模型，學(xué)生根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M的汽車參數(shù)輸入相應(yīng)的指令，計(jì)算機(jī)對(duì)該汽車試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的綜合分析，通過(guò)分析在虛擬試驗(yàn)環(huán)境中重現(xiàn)汽車試驗(yàn)過(guò)程，從而得到該車的各項(xiàng)性能參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和修正模型參數(shù)，以達(dá)到理想效果。學(xué)生通過(guò)不斷重復(fù)該過(guò)程，最終使汽車獲得最優(yōu)性能。

六、現(xiàn)實(shí)與展望

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在汽修專業(yè)的教學(xué)中能有效緩解教學(xué)資源緊缺問(wèn)題，能避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)操訓(xùn)練中所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，有利于啟迪學(xué)生思維，豐富學(xué)生想象力，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力、協(xié)作能力的培養(yǎng)等。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以作為實(shí)物實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充，但不能完全替代實(shí)物實(shí)踐教學(xué)。汽修專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)不同實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)確定虛擬教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和仿真工具，并在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)前后加入實(shí)物實(shí)踐教學(xué)，使兩者相輔相成，相互促進(jìn)。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)于教學(xué)而言確實(shí)非常地有必要，不僅增強(qiáng)了虛擬仿真效果，更讓教學(xué)變得生動(dòng)有趣。相信在未來(lái)的虛擬技術(shù)教學(xué)中，汽車虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)將會(huì)運(yùn)用到所需要的各個(gè)領(lǐng)域。

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[作者單位：桐鄉(xiāng)技師學(xué)院（籌）]