基于虛擬仿真技術(shù)在高校汽車類專業(yè)教學(xué)實踐的探索

馬馴

摘 要：本文舉例了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，對于我國高校汽車專業(yè)在教學(xué)實踐存在的問題進行分析研究，闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于國內(nèi)汽車專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生實踐能力的所產(chǎn)生的作用，從而論證虛擬現(xiàn)實技術(shù)與高校汽車專業(yè)教學(xué)緊密結(jié)合，將對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)實技術(shù)；高校汽車專業(yè)教學(xué)；節(jié)約高效安全

一.我國高校眼下汽車專業(yè)教學(xué)的現(xiàn)狀及問題

汽車被稱為是“改變世界的機器”和推進國民經(jīng)濟向前發(fā)展的“發(fā)動機”，汽車產(chǎn)業(yè)深入涉及社會各方面領(lǐng)域，并帶動了鋼鐵、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)展對于中國制造業(yè)乃至全社會經(jīng)濟的平穩(wěn)運行有著直接關(guān)系。我國汽車行業(yè)發(fā)展和起步時間都較晚，直到2010年國內(nèi)開始普及汽車，逐年呈井噴式增長。行業(yè)的發(fā)展離不開人才，如何盡快解決國內(nèi)汽車專業(yè)人才緊缺的問題迫在眉睫。

我國汽車類專業(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)達國家對于汽車行業(yè)發(fā)展需要的人才儲備情況分析，我國近幾年對汽車從業(yè)人數(shù)的需求總量大約為35萬人。汽車類專業(yè)教學(xué)具有實踐性、程序性、協(xié)作性等特點。實踐性需要學(xué)生有較強的動手能力、程序性需要嚴(yán)格按照步驟進行操作、協(xié)作性需要團隊合作。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

汽車類專業(yè)教學(xué)會針對不同的課程在實踐動手環(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。器械需要平時日常的維護和保養(yǎng)，部分零件經(jīng)過長時間的拆裝會磨損、變形、老化，學(xué)生如果違規(guī)操作，很多零件當(dāng)場報廢，不能投入到日后的實踐教學(xué)中，每次課程結(jié)束都有零件丟失的現(xiàn)象，如果無法補齊，做為廢件打入“冷宮”。院校每學(xué)期都需要盡快更替報廢的器具零件，增加了學(xué)院開支，大量的浪費不利于專業(yè)建設(shè)，學(xué)生很有機會難接觸到大型的器具，降低了教學(xué)效果。

第二、實驗過程監(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)生開始進行拆裝實踐，繁瑣的拆裝過程無法保證每個學(xué)生都熟練掌握，有限的師資力量無法點對點的監(jiān)督每個學(xué)生的拆裝過程，縱然教師反復(fù)提醒關(guān)鍵要點，學(xué)生在拆裝過程中也會粗心犯錯，直接導(dǎo)致實訓(xùn)結(jié)果的差強人意。課后教師還需將零件還原，以供下批學(xué)生的使用，浪費教師大量時間。學(xué)生課后，沒有器具無法進行實踐練習(xí)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

第三、教學(xué)安全隱患

實訓(xùn)過程中注意安全是每位教師在實訓(xùn)課程中反復(fù)強調(diào)，違規(guī)操作是明令禁止的。但實訓(xùn)過程中即使教師再保護得當(dāng)，學(xué)生難免會在的實訓(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，如何在實訓(xùn)過程中既安全，又高效的給學(xué)生傳達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)場地約束

學(xué)生需要實訓(xùn)練習(xí)必須在制定的實訓(xùn)教室，隨著汽車類專業(yè)生源的擴招，部分院校的實訓(xùn)場地存在滯后現(xiàn)象。有限的實訓(xùn)場地?zé)o法滿足學(xué)生的實訓(xùn)訴求和教師的科研場所。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，需要大量的實戰(zhàn)練習(xí)增加熟練度，當(dāng)務(wù)之急是如何解決師生實訓(xùn)課程中教學(xué)場地約束的問題。

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所實現(xiàn)的交互式可操作動畫。Unity3D是UnityTechnologies開發(fā)的一個讓用戶輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、時時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(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，減少對于器械方面的資金投放，可以將省下的資金用來增強師資力量、優(yōu)化教學(xué)環(huán)境等方面的教學(xué)，同時減少學(xué)校對于實時監(jiān)控教學(xué)器械的質(zhì)量以及對教學(xué)器械進行采購的時間，學(xué)生也可以對于器械零件更加仔細(xì)的進行觀察，而不會因為座位距離的遠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)，遠比傳統(tǒng)的手動操作高效，可以節(jié)省不少找零件或應(yīng)對一些突發(fā)狀況的時間，同時還能提高學(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)進度，即使是在課堂上對于器械的組裝任有疑問，在課余的時間，也可以通過電腦觀看交互動畫進行即使的復(fù)習(xí)，在親自實際操作的過程中也能更加順利的進行。

第三、教學(xué)安全隱患

虛擬仿真可以讓教師一邊進行講解，一邊做動畫演示及器械零件的介紹，防止學(xué)生有時候會因為為了跟上教師的操作而手忙腳亂造成被器械零件割傷，或是導(dǎo)致他人受傷的狀況。

三、項目設(shè)計和項目標(biāo)準(zhǔn)

1、項目設(shè)計

第一、項目選材

本次項目經(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、拆裝順序等知識點。調(diào)研學(xué)習(xí)需翻閱大量資料，必要時需汽車專業(yè)教師親自面授。

例如：盤式制動器主要組成

A制動盤

1.制動盤直徑

制動盤直徑D應(yīng)盡可能取大些，這時制動盤的有效半徑得到增加，可以降低制動鉗的夾緊力，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.制動盤厚度

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

B摩擦襯塊

摩擦襯塊是指鉗夾活塞推動擠壓在制動盤上的摩擦材料。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)致制動力矩變化大。

對于盤式制動器襯塊工作面積A，推薦根據(jù)制動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。

制動盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動。分泵固定在制動器的底板上固定不動，制動鉗上的兩個摩擦片分別裝在制動盤的兩側(cè)，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動摩擦片壓向制動盤發(fā)生摩擦制動，動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、測量制圖

經(jīng)歷過調(diào)研和學(xué)習(xí)階段后，正式進入項目制作階段，測量產(chǎn)品是第一步，項目采用了工業(yè)級的手持式激光三維掃描儀對實體模型進行測量，通過635nm的紅色激光II級光對產(chǎn)品進行多方位掃描，每秒2000點高精度采樣點，導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，再利用Capture模塊對掃描完成的點云進行處理，再利用Wrap模塊進行點和點之間的鏈接，形成三角網(wǎng)格面處理，處理過的模型可根據(jù)最后翻模的對象進行Shape模塊的NURBS曲面處理或者在Fashion模塊進行CAD曲面處理，最后達到千分之一誤差的高精度三維模型，相較于傳統(tǒng)測量方式，節(jié)約了大量的測量時間，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)進行模型制作，單個模型的最高多邊形數(shù)不能超過10萬個多邊形，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行翻模，三維掃描生成的模型精確度較高，工業(yè)級別，但是模型面數(shù)過多，虛擬仿真平臺無法承受，動輒單個模型幾百萬面數(shù)是不是一般虛擬仿真平臺能承受的，所以翻模成符合需求的低精度模型勢在必行。

2、項目標(biāo)準(zhǔn)

第一、實驗教學(xué)項目硬件要求描述

用戶硬件配置要求（如主頻、內(nèi)存、顯存、存儲容量等）

1.計算機硬件配置要求

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

移動客戶端：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存儲空間。

2.其他計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）

計算機特殊外置硬件要求

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（可拆卸式），支持高阻抗耳機，音頻輸入為內(nèi)置麥克風(fēng)，連接口為USB-C3.0，DP1.2、藍牙。

第二、實驗教學(xué)項目技術(shù)架構(gòu)及主要研發(fā)技術(shù)

第三、實驗方法與步驟要求

1.實驗方法描述

用戶借助電腦、平板、智能手機、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驗》教學(xué)系統(tǒng)就可對《汽車零件拆裝虛擬仿真實驗》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個零件，12步操作）、內(nèi)平衡閥式膨脹閥機構(gòu)（含9個零件，18步操作）、盤式制動器（含9個零件，18步操作）、活塞連桿組（含13個零件，26步操作）、外平衡閥式膨脹閥機構(gòu)（含9個零件，18步操作）、交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)（含12個零件，24步操作）、機體組（含4個零件，8步操作）、vvt里的控制閥（含7個零件，14步操作）、配氣機構(gòu)（含6個零件，12步操作）、曲軸飛輪組（含16個零件，32步操作）、柴油機噴油器（含5個零件，10步操作）、電磁離合器（含3個零件，6步操作）、搖板式壓縮機結(jié)構(gòu)（含12個零件，24步操作作）、液壓助力控制閥（含5個零件，10步操作）、斜盤式壓縮機結(jié)構(gòu)（含11個零件，22步操作）、鼓式制動器（含7個零件，14步操作）、啟動機結(jié)構(gòu)（含6個零件，12步操作）、鎖環(huán)式同步器（含6個零件，12步操作）、柴油機高壓油泵（含27個零件，54步操作）等，完成汽車拆裝虛擬仿真實驗操作。

四、項目效果

項目考核

學(xué)生通過PC、平板、智能手機登錄《汽車零件拆裝虛擬仿真實驗》教學(xué)系統(tǒng)，在3D系統(tǒng)中，點擊“虛擬考核”模塊，完成對汽車拆裝虛擬仿真實驗流程的“規(guī)范性”、從形態(tài)上“識別”汽車部件、各零件在汽車的“空間分布位置”的考核。在線考核成績由系統(tǒng)自動評判。

通過在線考核，只有達到一定成績的“合格者”才能取得進入拆裝實驗室開展相關(guān)拆裝操作的資格，在線考核成績計入學(xué)生總成績。

參考文獻

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（作者單位：江蘇原力動畫制作股份有限公司）