虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽修專業(yè)信息化教學(xué)中的應(yīng)用分析

文敏飛　尚林燕

摘 要： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是目前的科技熱點之一，基于傳統(tǒng)汽修專業(yè)教學(xué)方式存在的一些問題，本文討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點以及在汽修專業(yè)信息化教學(xué)中的應(yīng)用方式。盡管該技術(shù)有著較強(qiáng)的直觀性、創(chuàng)新性、交互性和自主性等優(yōu)勢，但在實際的教學(xué)應(yīng)用中仍然存在一定的問題，要求我們將傳統(tǒng)教學(xué)方式與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相融合以實現(xiàn)教學(xué)效果最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)；汽修；信息化

中圖分類號： G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-8153（2017）02-0089-04

隨著網(wǎng)絡(luò)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及，高等職業(yè)教育信息化也成為發(fā)展的必然趨勢，越來越多新興的信息化教學(xué)手段應(yīng)用于高職教育。目前，信息化教育模式有以多媒體為媒介的幻燈片、視頻、語音等傳統(tǒng)視聽教學(xué)系統(tǒng)，有以網(wǎng)絡(luò)通信為主的遠(yuǎn)程面對面授課系統(tǒng)，有以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主的在線網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)模式，有以新興的移動互聯(lián)網(wǎng)為主的掌上課堂教學(xué)模式，也有以虛擬仿真技術(shù)模擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)等等。當(dāng)前的信息化教育模式已由傳統(tǒng)的音響媒介階段向網(wǎng)絡(luò)信息化、通訊多元化、媒體多元化方向轉(zhuǎn)變，因此，新興的信息化教學(xué)模式應(yīng)用于高職汽修專業(yè)也成為必然要求?；谥悄芙K端設(shè)備的迅猛發(fā)展，起源于上世紀(jì)八、九十年代的虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)也在教育領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，并逐漸在汽車維修專業(yè)教學(xué)中開始使用[1]。

所謂的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指采用計算機(jī)圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等生成一種模擬真實世界中人類主觀構(gòu)造的環(huán)境以及可見和不可見的環(huán)境，用戶借助特殊的輸入輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進(jìn)行自然的交互，從而通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。

一、傳統(tǒng)汽修教學(xué)存在的問題

1. 實訓(xùn)設(shè)備費用高昂，校方難以及時更新

隨著科技的飛速發(fā)展，汽車行業(yè)日新月異，各種發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)新技術(shù)層出不窮，汽車維修專業(yè)設(shè)備儀器費用昂貴且更新較快，動輒幾萬甚至幾十萬的實訓(xùn)設(shè)備，學(xué)校一次采購以后往往要使用十幾年甚至幾十年，因此會出現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)與社會需求專業(yè)人才技能脫節(jié)的現(xiàn)象，所以要求學(xué)校層面要對更新實訓(xùn)儀器有足夠的經(jīng)費支撐，而目前所有高職院校所面臨的狀況是教育經(jīng)費投入的不足[2]。

2. 實訓(xùn)場地受限，多種汽修設(shè)備無法安裝

基于汽修專業(yè)的特殊性，實訓(xùn)教學(xué)中往往需要購置體積較為龐大的儀器如車架大梁校正儀、整車涂裝室等專業(yè)設(shè)備，這會使原本就緊張的教學(xué)用房雪上加霜，導(dǎo)致許多實訓(xùn)項目無法進(jìn)行，或者只能由教師進(jìn)行視頻播放教學(xué)，這與高職院校汽修專業(yè)工學(xué)結(jié)合、理實一體的教學(xué)模式發(fā)展趨勢相背離。

3. 實訓(xùn)設(shè)備操作不熟練，可能造成設(shè)備損壞或?qū)е挛ｋU

學(xué)生實訓(xùn)過程中，由于都是初次接觸操作，容易發(fā)生安全事故或損壞實訓(xùn)設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)校在安全保障和設(shè)備維護(hù)方面加大經(jīng)費投入。同時，基于學(xué)生和設(shè)備安全方面的考慮，老師會對某些實訓(xùn)項目進(jìn)行簡化或干脆取消，導(dǎo)致正常的實訓(xùn)教學(xué)產(chǎn)生較大的局限性。

4. 汽修專業(yè)部分課程講授局限性較大

基于實訓(xùn)設(shè)備的局限性，部分課程如汽車自動變速器的換檔液壓控制過程、液力變矩器工作原理、發(fā)動機(jī)各傳感器內(nèi)部的工作原理、汽車電氣系統(tǒng)工作過程等知識點難以用傳統(tǒng)教學(xué)方法如PPT、視頻演示等講授清楚，學(xué)生很難獲得感官上的認(rèn)知，難以掌握抽象的原理性知識。

5. 傳統(tǒng)教學(xué)方式較為枯燥

傳統(tǒng)的汽車維修教學(xué)方法，理論講授基本都是“填鴨式”教學(xué)，內(nèi)容枯燥乏味，缺乏與學(xué)生的互動性，實訓(xùn)講授也受場地、設(shè)備等條件所限往往“空講”、“演示”居多，動手偏少，教師缺乏對學(xué)生的吸引力，學(xué)生缺乏上課的趣味性，經(jīng)常出現(xiàn)教師講課與學(xué)生聽講不在同一頻道上，玩手機(jī)、睡覺現(xiàn)象增多，課堂管理困難[3]。

二、汽修專業(yè)虛擬仿真教學(xué)的特點

1.直觀性：能夠直觀、立體的觀察汽車零部件的工作原理，能夠全方位了解汽車修理的操作步驟、工藝以及故障診斷流程。

2.全面性：可以完成傳統(tǒng)實訓(xùn)設(shè)備無法完成的試驗，可以模擬汽車在各種工況下可能出現(xiàn)的故障，因而可以了解汽修過程中遇到的各種疑難雜癥。

3.交互性：基于VR的特點，可以通過外部操作設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤等完成虛擬汽車整車的拆裝與維修工作。

4.安全性：利用操作設(shè)備進(jìn)行模擬操作，避免了實訓(xùn)過程中的安全隱患。

5.趣味性：實現(xiàn)學(xué)生身臨其境的感覺，互動性增強(qiáng)，最大限度激發(fā)學(xué)習(xí)者興趣。

6.經(jīng)濟(jì)性：虛擬設(shè)備取代實訓(xùn)臺架，大大節(jié)約教育經(jīng)費。

7.便捷性：可以利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行資料查詢、數(shù)據(jù)參數(shù)的實時反饋。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽修專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

1. 在汽車維修專業(yè)理論授課中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的授課方法中，教師僅僅利用多媒體及實訓(xùn)臺架進(jìn)行知識講授，這種方式有較大的局限性，比如發(fā)動機(jī)內(nèi)部的構(gòu)造及工作原理無法動態(tài)展示，尤其是汽車電子方面的工作原理、電控系統(tǒng)的控制流程等知識更加晦澀難懂?？梢岳锰摂M現(xiàn)實技術(shù)通過計算機(jī)創(chuàng)建一個虛擬存在但與現(xiàn)實工作情境完全一致的模型，通過人機(jī)交互操作了解和學(xué)習(xí)汽車各零部件的工作過程[4]。

我們以自動變速器的工作過程為例說明VR在理論授課中的應(yīng)用。液力變矩器中泵輪、導(dǎo)輪、渦輪三者的相互作用，液壓油的流向以及變矩的過程是僅僅依靠演示文稿與視頻講解比較困難，此時可以通過VR軟件創(chuàng)建一個液力變矩器模型，學(xué)生可以從各種角度觀察三元件的結(jié)構(gòu)形式及液壓油渦流、環(huán)流的形成過程，同時又可以將扭矩的增大過程淺顯易懂地表達(dá)出來。同樣，行星齒輪機(jī)構(gòu)、濕式多片離合器也可通過VR展示其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、工作過程。通過VR的增強(qiáng)展示，學(xué)生會對本知識點有多方位的感官認(rèn)知，理解更加透徹，大大提升了學(xué)習(xí)效率。

此外，利用虛擬仿真授課的過程中，VR軟件能對學(xué)生的操作流程進(jìn)行跟蹤記錄，教師會有針對性的對學(xué)生易犯錯的地方進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，并有針對性的提出教學(xué)改進(jìn)方案，這樣使得理論教學(xué)更有目的性。同時，VR軟件的使用也給教師在課堂管理、學(xué)生平時表現(xiàn)的記錄上提供了一種簡單便捷的途徑。

2. 在汽車維修專業(yè)實訓(xùn)授課中的應(yīng)用

汽修專業(yè)中的實訓(xùn)授課是教學(xué)工作的重中之重，VR軟件在實訓(xùn)教學(xué)中可以替代昂貴的實訓(xùn)設(shè)備，也可以完成不方便操作的實訓(xùn)項目，節(jié)約了時間和經(jīng)費。下面介紹幾種典型的汽修相關(guān)實訓(xùn)課程中的VR應(yīng)用案例。

（1）汽車維護(hù)保養(yǎng)中的應(yīng)用

利用VR技術(shù)開發(fā)一款軟件，其中軟件包含發(fā)動機(jī)維護(hù)、底盤維護(hù)、車身維護(hù)以及電氣設(shè)備維護(hù)四大模塊總成，同時含有工單考評和資料查詢功能。學(xué)生可以通過軟件選擇任意一個總成進(jìn)行維護(hù)實訓(xùn)的虛擬操作，比如對發(fā)動機(jī)更換機(jī)油和三濾、進(jìn)行車輛輪胎動平衡試驗等，完成操作后填寫電子工單，軟件對操作過的項目進(jìn)行時間記錄并對過程進(jìn)行考評，對該項目的操作熟練程度和流程準(zhǔn)確性及時反饋，方便學(xué)生及時糾錯。通過資料查詢功能，使學(xué)生對不熟練或者不會的維護(hù)項目及時查閱或觀看視頻，反復(fù)進(jìn)行操作直至掌握該項目的維護(hù)流程[5]。

（2）駕駛培訓(xùn)中的應(yīng)用

模擬駕駛實習(xí)的核心是要和真車的駕駛感一致，相比傳統(tǒng)駕駛模擬器的顯示器式交互模式，VR頭顯式模擬器具有更好的沉浸感，而且駕駛訓(xùn)練不受時間、天氣等外界因素的影響，目前已有駕校引入基于VR的駕駛模擬器并投入使用，并取得良好的教學(xué)效果。VR的應(yīng)用亦可推廣到高校汽修專業(yè)的駕駛實習(xí)中，使用過程中通過對VR軟件的設(shè)置，視頻顯示系統(tǒng)模擬天氣、光線、行人、路面等不同路況，但油門、剎車、離合器、方向盤、檔位操作、燈光儀表操作等均與實車一致，這樣營造一種真實的實車訓(xùn)練情境。VR的使用不僅降低了學(xué)校駕駛培訓(xùn)的費用投入、降低了能源消耗、避免了環(huán)境污染，而且可以節(jié)約培訓(xùn)學(xué)時，提高學(xué)生駕駛的熟練程度?？梢灶A(yù)測，未來VR技術(shù)的應(yīng)用甚至可以取代實車考試，完全顛覆了學(xué)校中的駕駛實習(xí)考試模式，這也大大節(jié)約了學(xué)校車輛購置的費用。

（3）汽車綜合故障診斷中的應(yīng)用

利用VR軟件進(jìn)行汽車故障虛擬設(shè)定，從而進(jìn)行綜合故障診斷教學(xué)與考核也是虛擬現(xiàn)實在汽車維修上的重要應(yīng)用方式之一。例如講授“汽車發(fā)動機(jī)起動困難故障診斷排除”這一知識點時，利用開發(fā)的VR軟件模擬整車的起動工況，并設(shè)置故障點，通過穿戴設(shè)備了解并掌握發(fā)動機(jī)起動過程中油路、氣路、電路、點火等各系統(tǒng)的工作過程，分析各環(huán)節(jié)對于起動過程的影響，并通過虛擬軟件記錄預(yù)判的故障點，這樣可以強(qiáng)化知識的預(yù)習(xí)過程，然后配合教師的多媒體講解及分析，進(jìn)一步加深學(xué)生對于知識點的掌握程度。實訓(xùn)過程中教師可以操作軟件設(shè)置任意故障如切斷油路、拔掉空氣流量計、起動機(jī)不轉(zhuǎn)等，學(xué)生通過之前的預(yù)習(xí)以及聽課過程能獨立操作軟件完成故障的排除，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)虛擬狀態(tài)下正常起動。

以上僅僅為VR技術(shù)在故障診斷應(yīng)用中的一例，諸如發(fā)動機(jī)潤滑不良、變速器故障、制動失效、轉(zhuǎn)向不靈等故障診斷中亦可以使用以上方法完成理論和實訓(xùn)教學(xué)過程。通過以上學(xué)習(xí)方法，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，并可進(jìn)行一些探索性操作，從而熟練掌握維修技能，提高學(xué)生的創(chuàng)造力，同時，在虛擬操作過程中可以避免整車維修的危險性和拆裝過程中的無效操作，將有效的課堂學(xué)時用在汽車故障診斷排除這一教學(xué)核心上。

（4）汽車試驗中的應(yīng)用

VR技術(shù)軟件能完成汽車道路試驗、碰撞試驗、側(cè)滑及轉(zhuǎn)向試驗、動力及底盤性能試驗等各種工況的模擬，學(xué)生在軟件中選定汽車模型，輸入試驗所需的各種可變參數(shù)如車重、軸距、車輪定位參數(shù)等，配合人機(jī)交互及穿戴設(shè)備模擬整車的試驗工況，計算機(jī)根據(jù)各參數(shù)計算分析整車的動力學(xué)與運動學(xué)等方面的性能，并將試驗結(jié)果反饋到輸出設(shè)備，給出駕駛者直接的感官體驗，讓學(xué)生對于汽車的各種性能有立體化的感受。同時，對汽車試驗各參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)行重復(fù)性操作，可以針對不同的試驗參數(shù)評價不同工況下汽車的性能，最終獲得汽車在何種參數(shù)及工況下性能最佳，有效降低了試驗損耗。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)存在的問題

1. VR技術(shù)本身的不足

VR技術(shù)終歸是關(guān)于計算機(jī)和人之間的通信互聯(lián)技術(shù)，只能對教學(xué)活動起到輔助作用，不能完全取代傳統(tǒng)的教學(xué)方式，模擬情境與真實情境之間總是存在一定的差異，例如VR技術(shù)無法提供汽修過程中的拆裝手感、駕駛學(xué)習(xí)中的路面對汽車的沖擊晃動感覺，嗅覺、聽覺、觸覺經(jīng)驗在汽修中所起的作用也是VR技術(shù)無法實現(xiàn)的。另外，虛擬操作雖然可以避免安全事故發(fā)生，但無法培養(yǎng)學(xué)生操作過程中的“安全手感”，不能讓學(xué)生養(yǎng)成遵守操作規(guī)范的習(xí)慣，不利于未來職業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成。因此，要正確處理虛擬教學(xué)與真實教學(xué)的關(guān)系，以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，輔以現(xiàn)代的科技手段，讓汽修專業(yè)教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果[6]。

2. 對汽修專業(yè)教師要求更高

VR技術(shù)是一種更高層次的多媒體技術(shù)，因此對汽修專業(yè)課老師的計算機(jī)水平有著較高的要求，而目前多數(shù)高職院校的現(xiàn)狀是有汽修經(jīng)驗的老教師教學(xué)信息化水平較低，而新引進(jìn)的青年教師實訓(xùn)經(jīng)驗又不足，因此需要建立“以老帶新”、“新老幫扶”，并輔以新多媒體技術(shù)軟件開發(fā)及應(yīng)用的職業(yè)技能培訓(xùn)體系。VR技術(shù)走進(jìn)課堂更是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的一種“顛覆”，而“一只粉筆一本書”的教學(xué)方法已在高校教師中根深蒂固，突然變革教學(xué)方式，如何讓教師接受并平穩(wěn)過渡也是教學(xué)改革的問題之一。

3. 學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間過大，課堂管理難度加大

基于穿戴設(shè)備的使用方式和局限性特點，授課方式往往以學(xué)生探索性自主學(xué)習(xí)為主，教師只能起到輔助作用，但由于學(xué)生對于新知識的無認(rèn)知性，導(dǎo)致其在自主學(xué)習(xí)時有較大的盲目性，容易與授課重點相背離，學(xué)習(xí)效果也大打折扣。另外，高職學(xué)生的自控能力較差，面對較為新潮的教學(xué)設(shè)備和教學(xué)方式，容易出現(xiàn)關(guān)注點不在學(xué)習(xí)而在新奇事物上，影響學(xué)習(xí)效率。而且學(xué)生不是在教師視線下學(xué)習(xí)，教師無法及時制止學(xué)生精力不集中或做與上課無關(guān)的事[7]。

4. 設(shè)備購置及后期維護(hù)問題

前期購置VR教學(xué)設(shè)備費用較為昂貴，一套沉浸式VR裝置包括計算機(jī)、工作站、穿戴設(shè)備等大概需要30萬元，目前高職院校辦學(xué)經(jīng)費普遍較低，無力承擔(dān)多套實訓(xùn)設(shè)備的購置費用，而且后續(xù)的升級、維護(hù)工作也需要大量的經(jīng)費支持。目前普遍存在高校對設(shè)備管理維護(hù)不到位導(dǎo)致部分教學(xué)工作無法開展，實訓(xùn)設(shè)備利用率低的問題，投入大量資金購買的VR設(shè)備如何能保證持續(xù)有效地投入到課堂當(dāng)中，也是提高教學(xué)質(zhì)量的問題之一。

五、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然在教育方面的應(yīng)用處于起步階段，但是在高校教育尤其是汽修實訓(xùn)教學(xué)中體現(xiàn)出的優(yōu)勢較為明顯，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中遇到的教學(xué)資源緊張、安全性等難題，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新性以及團(tuán)隊協(xié)助能力，將枯燥的實車維修實訓(xùn)變?yōu)榛?、啟發(fā)、探索學(xué)習(xí)型實訓(xùn)，使計算機(jī)變成實訓(xùn)臺架，互聯(lián)網(wǎng)變成實訓(xùn)室，完成傳統(tǒng)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型升級。同時，虛擬技術(shù)的特點也決定了其存在缺陷，因此需要將傳統(tǒng)教學(xué)方式與之相結(jié)合，使兩者相輔相成。在未來的高校汽修專業(yè)教學(xué)中，信息化手段多樣化成為必然趨勢，VR技術(shù)作為信息化手段之一，它的應(yīng)用前景也將非常廣闊。

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