汽車維修虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)與策略

劉超平

摘 要：將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車維修教學(xué)工作中，不僅能給教學(xué)帶來(lái)更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而且可以解決技術(shù)學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺、設(shè)備更新緩慢等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。這有利于實(shí)現(xiàn)交互教學(xué)，提高教學(xué)的有效性，對(duì)改變傳統(tǒng)的汽車維修專業(yè)的教學(xué)模式有著很大的幫助。

關(guān)鍵詞：汽車維修 虛擬仿真教學(xué) 教學(xué)設(shè)計(jì)

一、引言

目前，我國(guó)業(yè)已成為世界上汽車生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)著行業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等國(guó)家戰(zhàn)略的提出和汽車產(chǎn)業(yè)的繁榮，也對(duì)汽車維修技術(shù)人才提出了更高的要求。新時(shí)期汽車維修行業(yè)需要大批觀念新穎，技術(shù)進(jìn)步的專業(yè)維修技術(shù)人員。因此，技術(shù)學(xué)校與時(shí)俱進(jìn)不斷提高教學(xué)質(zhì)量，才能為社會(huì)輸出適合本地經(jīng)濟(jì)的新型技術(shù)技能人才。

隨著電控、網(wǎng)絡(luò)和新能源技術(shù)的發(fā)展，汽修行業(yè)的技術(shù)水平發(fā)生了較大的變化，因此，汽車維修教學(xué)也需要不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬世界的電腦應(yīng)用技術(shù)。它利用一些輸入輸出設(shè)備，讓使用者與虛擬環(huán)境的對(duì)象進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)體驗(yàn)和移動(dòng)虛擬世界中的物體，讓人身臨其境。隨著三維虛擬技術(shù)的不斷完善，在汽車維修教學(xué)中加入三維虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性；又可以讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中身臨其境反復(fù)操作，不用擔(dān)心消耗器材成本，是當(dāng)前理想的教學(xué)方式。教學(xué)設(shè)計(jì)是在教學(xué)理論與實(shí)踐之間起著橋梁的作用，決定著教學(xué)活動(dòng)的方向和質(zhì)量。做好汽車維修虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)與策略是實(shí)現(xiàn)維修教學(xué)實(shí)效性的前提和保障。

二、汽車維修學(xué)習(xí)者的特征與需求

汽車維修技術(shù)專業(yè)學(xué)生較高職和高校學(xué)生而言，存在一定的學(xué)習(xí)惰性和厭學(xué)情緒。學(xué)習(xí)觀念淡漠，缺乏自信心和主動(dòng)性。又學(xué)生大多文化基礎(chǔ)薄弱，年齡大多15、16歲，學(xué)習(xí)行為習(xí)慣較差。

汽車維修專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求存在于對(duì)學(xué)習(xí)狀況的期望與現(xiàn)狀之間的差距。通過(guò)調(diào)研了解到學(xué)生對(duì)虛擬仿真教學(xué)的需求，歸納出以下仿真教學(xué)系統(tǒng)需求指標(biāo)體系：（1）教學(xué)內(nèi)容方面，知識(shí)點(diǎn)明確突出，鏈接的其他學(xué)科知識(shí)自然而有連續(xù)性；（2）教學(xué)設(shè)計(jì)方面，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)清晰準(zhǔn)確和規(guī)范，符合學(xué)生的認(rèn)知水平；教學(xué)策略設(shè)計(jì)先進(jìn)應(yīng)用得當(dāng)，能發(fā)揮教學(xué)應(yīng)用軟件的作用；教學(xué)交互性好，且操作簡(jiǎn)便、有趣、效果好；（3）仿真效果方面，模型逼真、只做效果具有吸引力，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們的創(chuàng)新思維；（4）技術(shù)應(yīng)用方面，操作簡(jiǎn)便、布局合理，容錯(cuò)性強(qiáng)，無(wú)“死機(jī)”現(xiàn)象，符合視覺心理。

三、汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與策略

汽車維修虛擬仿真教學(xué)體統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了開發(fā)工具、開發(fā)流程以及系統(tǒng)總體框架及其功能等幾個(gè)主要方面的內(nèi)容。

1、開發(fā)工具

三維虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師基于C3D-VLE.SDK虛擬仿真引擎技術(shù)、使用C++語(yǔ)言和VC6.0進(jìn)行二次開發(fā)。構(gòu)建汽車維修三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合了OpenGL技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的操作界面。

2、開發(fā)原則和流程

汽車維修虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循兼顧“直觀性、交互性和共享性”的三大原則。開發(fā)流程主要包括了資料收集、創(chuàng)建3D模型以及交互功能的實(shí)現(xiàn)等三個(gè)階段。以齒輪條式轉(zhuǎn)向器教學(xué)為例：虛擬教學(xué)系統(tǒng)的搭建具體做法：首先使用照相機(jī)拍下系統(tǒng)部件照片為建模內(nèi)容尋找基本素材，豐富虛擬模型資源庫(kù)。然后，運(yùn)用三維圖形技術(shù)，如使用 3Dsmax 三維造型軟件，構(gòu)建高逼真的汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)各組成部分實(shí)體的三維模型，并結(jié)合平面圖形軟件如 Photoshop CS6 制作模型貼圖材質(zhì)。3D模型創(chuàng)建界面和貼圖界面分別如下圖1，2所示：

根據(jù)現(xiàn)實(shí)中汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器零部件實(shí)物制作的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的虛擬三維模型構(gòu)包括：齒輪，齒條，防塵罩，左右橫拉桿，內(nèi)外球頭，壓緊裝置，控制閥等內(nèi)容。而教學(xué)資源系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包含三維模型展示、對(duì)總成部件的拆卸組裝以及相關(guān)零配件的分解和組裝過(guò)程。鼠標(biāo)可以影響物體的位移和旋轉(zhuǎn)。3D模型創(chuàng)建完成以后需根據(jù)實(shí)際需求導(dǎo)出模型，為實(shí)現(xiàn)下一步的交互功能奠定基礎(chǔ)。在汽車維修虛擬教學(xué)系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)交互功能，利用 Visual C++和Open GL 來(lái)開發(fā)程序。通過(guò)鼠標(biāo)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)交互功能。

在對(duì)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器教學(xué)過(guò)程中，需要對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行多方位的呈現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)、平移，以及放大和縮小等在設(shè)計(jì)中換成了齊次坐標(biāo)系下的矩陣控制，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的交互操作。實(shí)際開發(fā)的汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以在 Windows 7，windows8 等操作系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行，也可以在學(xué)校機(jī)房的系統(tǒng)和校園網(wǎng)中運(yùn)行。仿真技術(shù)在汽車維修虛擬教學(xué)平臺(tái)、3D虛擬學(xué)習(xí)引擎、網(wǎng)絡(luò)通信引擎（TCP/IP協(xié)議：CST體系結(jié)構(gòu)）、以及實(shí)訓(xùn)教育資源庫(kù)中雙向應(yīng)用，能使學(xué)生更好的掌握齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的知識(shí)。

3、課程教學(xué)設(shè)計(jì)

開展以學(xué)習(xí)活動(dòng)為中心的課程教學(xué)設(shè)計(jì)。具體包括以下幾個(gè)部分（以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為例）：

教學(xué)任務(wù)：通過(guò)一系列的教學(xué)工具的使用，說(shuō)出齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的作用、組成、功能和工作原理；會(huì)拆裝齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。

教學(xué)活動(dòng)：首先，教師準(zhǔn)備教學(xué)材料、資料、課件和工具，然后清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)檢查儀表，接著采用情景教學(xué)法、互動(dòng)法、講授法等方法通過(guò)列舉汽車轉(zhuǎn)向器的作用和小故事的引領(lǐng)激發(fā)學(xué)生對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系的興趣，進(jìn)而穿插介紹其構(gòu)造原理、組成元素、功能等（約20分鐘）引導(dǎo)學(xué)生去思考問(wèn)題，從而開始認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)向器。然后實(shí)施虛擬仿真教學(xué)依據(jù)以下步驟操作（1） 在電腦桌面上找到“汽車維修虛擬教學(xué)教學(xué)系統(tǒng)”（2）雙擊打開系統(tǒng)（3） 在左欄選擇要移動(dòng)的模型（4）移動(dòng)觀察模型（5）操作組裝（嘗試不同的組裝順序）寫出組合順序，學(xué)生根據(jù)所寫出的組合順序，制定出齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的拆裝等（約45分鐘）。之后，運(yùn)用實(shí)物轉(zhuǎn)向器拆裝（180分鐘）學(xué)生分組進(jìn)行齒輪齒條轉(zhuǎn)向器拆裝練習(xí)，促其掌握正確拆裝步驟，正確選用工具匯報(bào)拆裝過(guò)程、心得，并進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)并指定該組匯報(bào)人進(jìn)行匯報(bào)。

教學(xué)模式：教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)先通過(guò)上機(jī)操作，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，當(dāng)他們有了一定的認(rèn)知后，再回到實(shí)訓(xùn)車間拆裝實(shí)物。采用這種先虛擬后實(shí)操的教學(xué)模式，不但能減少零部件的損耗，而且能提高學(xué)習(xí)效率。

教學(xué)資源：汽車維修三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，文本、音頻或視頻動(dòng)畫等基本素材以及理論試題庫(kù)構(gòu)成了豐富的虛擬仿真教學(xué)資源。

教學(xué)評(píng)價(jià)：每位同學(xué)獨(dú)立操作拆裝齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（限時(shí)15 分鐘）五位同學(xué)同時(shí)進(jìn)行，其余同學(xué)在旁邊觀看。采用小組成員自評(píng)；（占10%）組間成員互評(píng)。（占10%）老師給分評(píng)定。（占50%）

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真教系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越普及。利用三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修專業(yè)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，這樣完全可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)習(xí)效果自然會(huì)好，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到發(fā)揮。同時(shí)，教學(xué)要圍繞技工院校汽車維修專業(yè)課程的要求來(lái)組織內(nèi)容，采用自主學(xué)習(xí)和游戲激趣等策略，才能積極引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器各組成器件之間的關(guān)系和組裝結(jié)構(gòu)，掌握相應(yīng)知識(shí)，提高動(dòng)手能力和安全意識(shí)。

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