基于虛擬仿真技術(shù)在高校汽車類專業(yè)教學(xué)實(shí)踐的探索

馬馴

摘 要：本文舉例了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)于我國(guó)高校汽車專業(yè)在教學(xué)實(shí)踐存在的問題進(jìn)行分析研究，闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于國(guó)內(nèi)汽車專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生實(shí)踐能力的所產(chǎn)生的作用，從而論證虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高校汽車專業(yè)教學(xué)緊密結(jié)合，將對(duì)于解決高校汽車專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)狀和問題具有重大意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；高校汽車專業(yè)教學(xué)；節(jié)約高效安全

一.我國(guó)高校眼下汽車專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)狀及問題

汽車被稱為是“改變世界的機(jī)器”和推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)向前發(fā)展的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，汽車產(chǎn)業(yè)深入涉及社會(huì)各方面領(lǐng)域，并帶動(dòng)了鋼鐵、塑料、玻璃、器械等諸多相關(guān)聯(lián)上下游產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)業(yè)能否穩(wěn)定快速的發(fā)展對(duì)于中國(guó)制造業(yè)乃至全社會(huì)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行有著直接關(guān)系。我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展和起步時(shí)間都較晚，直到2010年國(guó)內(nèi)開始普及汽車，逐年呈井噴式增長(zhǎng)。行業(yè)的發(fā)展離不開人才，如何盡快解決國(guó)內(nèi)汽車專業(yè)人才緊缺的問題迫在眉睫。

我國(guó)汽車類專業(yè)發(fā)展較晚，現(xiàn)開設(shè)汽車類專業(yè)教育的一類院校達(dá)到52所，二類院校200余所，而每年汽車類院校新增近20所，每年為汽車行業(yè)企業(yè)提供從業(yè)人數(shù)大約為2萬多人次，按發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于汽車行業(yè)發(fā)展需要的人才儲(chǔ)備情況分析，我國(guó)近幾年對(duì)汽車從業(yè)人數(shù)的需求總量大約為35萬人。汽車類專業(yè)教學(xué)具有實(shí)踐性、程序性、協(xié)作性等特點(diǎn)。實(shí)踐性需要學(xué)生有較強(qiáng)的動(dòng)手能力、程序性需要嚴(yán)格按照步驟進(jìn)行操作、協(xié)作性需要團(tuán)隊(duì)合作。據(jù)走訪了解，汽車類專業(yè)院校在日常教學(xué)和教學(xué)管理中存在些許問題：

第一、教學(xué)資源浪費(fèi)

汽車類專業(yè)教學(xué)會(huì)針對(duì)不同的課程在實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)準(zhǔn)備不同的汽車器械。大量的汽車器械不僅占用了教學(xué)場(chǎng)地，增加了教師管理的難度，并且較大型的器械無法做到人手一個(gè)。器械需要平時(shí)日常的維護(hù)和保養(yǎng)，部分零件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的拆裝會(huì)磨損、變形、老化，學(xué)生如果違規(guī)操作，很多零件當(dāng)場(chǎng)報(bào)廢，不能投入到日后的實(shí)踐教學(xué)中，每次課程結(jié)束都有零件丟失的現(xiàn)象，如果無法補(bǔ)齊，做為廢件打入“冷宮”。院校每學(xué)期都需要盡快更替報(bào)廢的器具零件，增加了學(xué)院開支，大量的浪費(fèi)不利于專業(yè)建設(shè)，學(xué)生很有機(jī)會(huì)難接觸到大型的器具，降低了教學(xué)效果。

第二、實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)督

汽車拆裝需要遵循嚴(yán)格的程序步驟。教師經(jīng)過理論講解和組裝示范后，學(xué)生開始進(jìn)行拆裝實(shí)踐，繁瑣的拆裝過程無法保證每個(gè)學(xué)生都熟練掌握，有限的師資力量無法點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的監(jiān)督每個(gè)學(xué)生的拆裝過程，縱然教師反復(fù)提醒關(guān)鍵要點(diǎn)，學(xué)生在拆裝過程中也會(huì)粗心犯錯(cuò)，直接導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)結(jié)果的差強(qiáng)人意。課后教師還需將零件還原，以供下批學(xué)生的使用，浪費(fèi)教師大量時(shí)間。學(xué)生課后，沒有器具無法進(jìn)行實(shí)踐練習(xí)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第三、教學(xué)安全隱患

實(shí)訓(xùn)過程中注意安全是每位教師在實(shí)訓(xùn)課程中反復(fù)強(qiáng)調(diào)，違規(guī)操作是明令禁止的。但實(shí)訓(xùn)過程中即使教師再保護(hù)得當(dāng)，學(xué)生難免會(huì)在的實(shí)訓(xùn)過程中，不小心被各類器械割傷。任課教師上課提心吊膽，生怕發(fā)生教學(xué)事故，如何在實(shí)訓(xùn)過程中既安全，又高效的給學(xué)生傳達(dá)正確完整的操作演示的方法是需要迫切解決的。

第四、教學(xué)場(chǎng)地約束

學(xué)生需要實(shí)訓(xùn)練習(xí)必須在制定的實(shí)訓(xùn)教室，隨著汽車類專業(yè)生源的擴(kuò)招，部分院校的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地存在滯后現(xiàn)象。有限的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地?zé)o法滿足學(xué)生的實(shí)訓(xùn)訴求和教師的科研場(chǎng)所。汽車類專業(yè)的學(xué)生將來從業(yè)崗位大部分都是一線的操作型人才，需要大量的實(shí)戰(zhàn)練習(xí)增加熟練度，當(dāng)務(wù)之急是如何解決師生實(shí)訓(xùn)課程中教學(xué)場(chǎng)地約束的問題。

二.虛擬仿真在汽車類專業(yè)教學(xué)中的作用

2016年是VR元年Unity3D所實(shí)現(xiàn)的交互式可操作動(dòng)畫。Unity3D是UnityTechnologies開發(fā)的一個(gè)讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、時(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。

第一、教學(xué)零件成本

教學(xué)方面應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以為汽車專業(yè)節(jié)約成本，減少對(duì)于器械方面的資金投放，可以將省下的資金用來增強(qiáng)師資力量、優(yōu)化教學(xué)環(huán)境等方面的教學(xué)，同時(shí)減少學(xué)校對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控教學(xué)器械的質(zhì)量以及對(duì)教學(xué)器械進(jìn)行采購的時(shí)間，學(xué)生也可以對(duì)于器械零件更加仔細(xì)的進(jìn)行觀察，而不會(huì)因?yàn)樽痪嚯x的遠(yuǎn)近或者投影的像素問題而造成學(xué)習(xí)上的不便。

第二、教師課堂的管理與學(xué)生知識(shí)的掌握

虛擬仿真技術(shù)的操作過程可以直接模擬呈現(xiàn)，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的手動(dòng)操作高效，可以節(jié)省不少找零件或應(yīng)對(duì)一些突發(fā)狀況的時(shí)間，同時(shí)還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過配合教師的指導(dǎo)理論可以讓學(xué)生更加直觀地觀察零件的樣貌與組合，從而配合教師的教學(xué)進(jìn)度，即使是在課堂上對(duì)于器械的組裝任有疑問，在課余的時(shí)間，也可以通過電腦觀看交互動(dòng)畫進(jìn)行即使的復(fù)習(xí)，在親自實(shí)際操作的過程中也能更加順利的進(jìn)行。

第三、教學(xué)安全隱患

虛擬仿真可以讓教師一邊進(jìn)行講解，一邊做動(dòng)畫演示及器械零件的介紹，防止學(xué)生有時(shí)候會(huì)因?yàn)闉榱烁辖處煹牟僮鞫置δ_亂造成被器械零件割傷，或是導(dǎo)致他人受傷的狀況。

三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)和項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)

1、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

第一、項(xiàng)目選材

本次項(xiàng)目經(jīng)調(diào)研討論后決定選取了高校汽車類專業(yè)教學(xué)中常用的19個(gè)汽車部件，這些零件結(jié)構(gòu)往往是學(xué)生難以理解，授課過程中較難闡述，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

第二、調(diào)研學(xué)習(xí)

在調(diào)研學(xué)習(xí)階段，需要了解每種汽車部件的結(jié)構(gòu)、造型、工作原理、材質(zhì)屬性、拆裝順序等知識(shí)點(diǎn)。調(diào)研學(xué)習(xí)需翻閱大量資料，必要時(shí)需汽車專業(yè)教師親自面授。

例如：盤式制動(dòng)器主要組成

A制動(dòng)盤

1.制動(dòng)盤直徑

制動(dòng)盤直徑D應(yīng)盡可能取大些，這時(shí)制動(dòng)盤的有效半徑得到增加，可以降低制動(dòng)鉗的夾緊力，減少襯塊的單位壓力和工作溫度。受輪輞直徑的限制，制動(dòng)盤的直徑通常選擇為輪輞直徑的70%一79%?？傎|(zhì)量大于2t的汽車應(yīng)取上限。

2.制動(dòng)盤厚度

制動(dòng)盤厚度對(duì)制動(dòng)盤質(zhì)量和工作時(shí)的溫升有影響。為使質(zhì)量小些，制動(dòng)盤厚度不宜取得很大；為了降低溫度，制動(dòng)盤厚度又不宜取得過小。制動(dòng)盤可以做成實(shí)心的，或者為了散熱通風(fēng)的需要在制動(dòng)盤中間鑄出通風(fēng)孔道。一般實(shí)心制動(dòng)盤厚度可取為10—20mm，通風(fēng)式制動(dòng)盤厚度取為20～50mm，采用較多的是20—30mm。在高速運(yùn)動(dòng)下緊急制動(dòng)，制動(dòng)盤會(huì)形成熱變形，產(chǎn)生顫抖。為提高制動(dòng)盤摩擦面的散熱性能，大多把制動(dòng)盤做成中間空洞的通風(fēng)式制動(dòng)盤，這樣可使制動(dòng)盤溫度降低20 %～30%。

B摩擦襯塊

摩擦襯塊是指鉗夾活塞推動(dòng)擠壓在制動(dòng)盤上的摩擦材料。摩擦襯塊分為摩擦材料和底板，兩者直接壓嵌在一起。

摩擦襯塊外半徑只與內(nèi)半徑及推薦摩擦襯塊外半徑與內(nèi)半徑的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作時(shí)襯塊的外緣與內(nèi)側(cè)圓周速度相差較多，磨損不均勻，接觸面積減少，最終導(dǎo)致制動(dòng)力矩變化大。

對(duì)于盤式制動(dòng)器襯塊工作面積A，推薦根據(jù)制動(dòng)襯塊單位面積占有的汽車質(zhì)量在1.6～3.5（千克╱平方厘米）范圍內(nèi)選用。

制動(dòng)盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。分泵固定在制動(dòng)器的底板上固定不動(dòng)，制動(dòng)鉗上的兩個(gè)摩擦片分別裝在制動(dòng)盤的兩側(cè)，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動(dòng)摩擦片壓向制動(dòng)盤發(fā)生摩擦制動(dòng)，動(dòng)作起來就好像用鉗子鉗住旋轉(zhuǎn)中的盤子，迫使它停下來一樣。

第三、測(cè)量制圖

經(jīng)歷過調(diào)研和學(xué)習(xí)階段后，正式進(jìn)入項(xiàng)目制作階段，測(cè)量產(chǎn)品是第一步，項(xiàng)目采用了工業(yè)級(jí)的手持式激光三維掃描儀對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行測(cè)量，通過635nm的紅色激光II級(jí)光對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多方位掃描，每秒2000點(diǎn)高精度采樣點(diǎn)，導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用Capture模塊對(duì)掃描完成的點(diǎn)云進(jìn)行處理，再利用Wrap模塊進(jìn)行點(diǎn)和點(diǎn)之間的鏈接，形成三角網(wǎng)格面處理，處理過的模型可根據(jù)最后翻模的對(duì)象進(jìn)行Shape模塊的NURBS曲面處理或者在Fashion模塊進(jìn)行CAD曲面處理，最后達(dá)到千分之一誤差的高精度三維模型，相較于傳統(tǒng)測(cè)量方式，節(jié)約了大量的測(cè)量時(shí)間，做到了準(zhǔn)確無誤。

第四、模型制作

三維模型制作階段考慮到Unity3D虛擬仿真的模型承載量，最后需要發(fā)布的平臺(tái)性能的差異，決定利用低面數(shù)的多邊形和法線貼圖的三維技術(shù)進(jìn)行模型制作，單個(gè)模型的最高多邊形數(shù)不能超過10萬個(gè)多邊形，三維貼圖的大小不能超過1024*1024像素。建模的基礎(chǔ)在三維掃描設(shè)備生成的高精度模型上進(jìn)行翻模，三維掃描生成的模型精確度較高，工業(yè)級(jí)別，但是模型面數(shù)過多，虛擬仿真平臺(tái)無法承受，動(dòng)輒單個(gè)模型幾百萬面數(shù)是不是一般虛擬仿真平臺(tái)能承受的，所以翻模成符合需求的低精度模型勢(shì)在必行。

2、項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)

第一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目硬件要求描述

用戶硬件配置要求（如主頻、內(nèi)存、顯存、存儲(chǔ)容量等）

1.計(jì)算機(jī)硬件配置要求

PC端：Intel Core i7-8700K，16 GB內(nèi)存DDR4內(nèi)存，硬盤至少留有2 GB存儲(chǔ)空間，1080TI 11G/GTX1080 8G顯存的獨(dú)立顯卡。

移動(dòng)客戶端：高通驍龍（Qualcomm Snapdragon）、蘋果（Apple）、海思麒麟（HiSilicon Kirin）等ARM構(gòu)架雙核處理器，主頻1.6 GHz，2 GB RAM，至少保留2 GB ROM存儲(chǔ)空間。

2.其他計(jì)算終端硬件配置要求

Intel Xeon E3/E5四核八線程處理器×2，8 GB×2 ECC RAM，2 TB Serial Attached SCSI（SAS）10 krpm硬盤及磁盤陣列系統(tǒng)，千兆網(wǎng)絡(luò)接口，冗余電源。

用戶特殊外置硬件要求（如可穿戴設(shè)備等）

計(jì)算機(jī)特殊外置硬件要求

HTC Vive Pro專業(yè)版頭顯，智能VR眼鏡 PCVR 3D頭盔，屏幕為2個(gè)3.5英寸AMOLED顯示屏，分辨率單眼分辨率1440*1600像素，雙眼分辨率3K（2880*1600），刷新率90Hz，視場(chǎng)角110度，音頻輸出Hi-Res Audio人證頭戴式設(shè)備，Hi-Res Audio人證耳機(jī)（可拆卸式），支持高阻抗耳機(jī)，音頻輸入為內(nèi)置麥克風(fēng)，連接口為USB-C3.0，DP1.2、藍(lán)牙。

第二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目技術(shù)架構(gòu)及主要研發(fā)技術(shù)

第三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟要求

1.實(shí)驗(yàn)方法描述

用戶借助電腦、平板、智能手機(jī)、VR設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，訪問《汽車零件拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》教學(xué)系統(tǒng)就可對(duì)《汽車零件拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》開展在線虛擬觀摩、仿真操作學(xué)習(xí)。

2.學(xué)生交互性操作步驟說明

按照菜單提示步驟，從渦輪增壓（含6個(gè)零件，12步操作）、內(nèi)平衡閥式膨脹閥機(jī)構(gòu)（含9個(gè)零件，18步操作）、盤式制動(dòng)器（含9個(gè)零件，18步操作）、活塞連桿組（含13個(gè)零件，26步操作）、外平衡閥式膨脹閥機(jī)構(gòu)（含9個(gè)零件，18步操作）、交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)（含12個(gè)零件，24步操作）、機(jī)體組（含4個(gè)零件，8步操作）、vvt里的控制閥（含7個(gè)零件，14步操作）、配氣機(jī)構(gòu)（含6個(gè)零件，12步操作）、曲軸飛輪組（含16個(gè)零件，32步操作）、柴油機(jī)噴油器（含5個(gè)零件，10步操作）、電磁離合器（含3個(gè)零件，6步操作）、搖板式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)（含12個(gè)零件，24步操作作）、液壓助力控制閥（含5個(gè)零件，10步操作）、斜盤式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)（含11個(gè)零件，22步操作）、鼓式制動(dòng)器（含7個(gè)零件，14步操作）、啟動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)（含6個(gè)零件，12步操作）、鎖環(huán)式同步器（含6個(gè)零件，12步操作）、柴油機(jī)高壓油泵（含27個(gè)零件，54步操作）等，完成汽車拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。

四、項(xiàng)目效果

項(xiàng)目考核

學(xué)生通過PC、平板、智能手機(jī)登錄《汽車零件拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》教學(xué)系統(tǒng)，在3D系統(tǒng)中，點(diǎn)擊“虛擬考核”模塊，完成對(duì)汽車拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程的“規(guī)范性”、從形態(tài)上“識(shí)別”汽車部件、各零件在汽車的“空間分布位置”的考核。在線考核成績(jī)由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)判。

通過在線考核，只有達(dá)到一定成績(jī)的“合格者”才能取得進(jìn)入拆裝實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)拆裝操作的資格，在線考核成績(jī)計(jì)入學(xué)生總成績(jī)。

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（作者單位：江蘇原力動(dòng)畫制作股份有限公司）