虛擬現(xiàn)實技術應用于發(fā)動機拆裝實訓的探索與實踐
——以北京汽車技師學院為例

北京汽車技師學院 楊遠滿

在產(chǎn)教融合的大背景下，我校與北京奔馳有限公司合作辦學，設立了奔馳定向班，在培養(yǎng)奔馳定向班學生的過程中注重奔馳發(fā)動機裝配的訓練，以便更快適應工作崗位。在我國技工類院校或中高職類院校，發(fā)動機拆裝實訓是汽車維修專業(yè)或汽車制造與裝配等相關汽車類專業(yè)的必修課。目前，我國各類院校用于發(fā)動機拆裝實訓的多是汽油發(fā)動機，零件眾多，結構復雜。采用虛擬現(xiàn)實技術，可以將發(fā)動機拆裝過程構建為一個虛擬拆裝系統(tǒng)。學生可以先通過該虛擬系統(tǒng)學習和練習拆裝過程，再拆裝發(fā)動機實物。將虛擬現(xiàn)實技術應用到教學領域，是對教學模式的一種改革，不僅可以提升教學質量，還可以提高學生的學習積極性，降低事故隱患。

1 虛擬發(fā)動機拆裝平臺建設背景

1.1 發(fā)動機拆裝實訓中存在的問題

（1）拆裝設備數(shù)量少，難以滿足學生實操需求。以北京汽車技師學院為例，學校用于拆裝實訓的發(fā)動機只有40余臺SAAB發(fā)動機，奔馳生產(chǎn)線上奔馳發(fā)動機20余臺。相對于在汽車系參加發(fā)動機實訓的學生人數(shù)和培訓部組織的社會人員的數(shù)量，發(fā)動機的數(shù)量不能滿足需求。

（2）拆裝設備丟失、損壞率高。由于學生缺少足夠的實操技術，拆裝實訓過程中發(fā)動機零件和拆裝工具丟失、損壞率高。據(jù)北京汽車技師學院2018年全年不完全統(tǒng)計，汽車系實訓和培訓期間，發(fā)動機螺栓丟失、損壞現(xiàn)象嚴重，氣缸墊和氣環(huán)也有丟失、損壞的情況。拆裝工具中的套筒和活塞環(huán)拆裝器也出現(xiàn)了丟失和損壞。

（3）拆裝過程缺少有效監(jiān)控，實訓效果難以保障。部分學生為了完成教師的作業(yè)要求被動拆裝實訓，存在應付心理，積極性不高，拆裝任務有時難以有效完成。例如，分小組練習拆裝發(fā)動機氣缸蓋時，存在拆卸時有的學生不拆氣缸墊，或者在裝配時漏裝氣缸墊。

（4）汽油發(fā)動機結構復雜，存在裝配不符合要求的現(xiàn)象。為了保證汽油機的正常工作，零件在拆卸和安裝的過程中有特殊要求。例如，進氣歧管和排氣歧管的安裝需要滿足平面度的要求，在拆卸和安裝時，進氣和排氣歧管上的固定螺栓都需要分2次～3次按正確順序拆卸和安裝。在實訓前，教師會跟學生詳細講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務工單，讓學生嚴格按要求拆裝，但是在實際拆裝過程中仍然會出現(xiàn)“偷工減料”現(xiàn)象，學生不按步驟操作，拆裝步驟不符合規(guī)程，損壞工具或螺栓的現(xiàn)象時有發(fā)生。而汽油發(fā)動機上的零件數(shù)量都是成套配置的，如果在拆裝的過程中造成零件的丟失或損壞，就會造成發(fā)動機不能正常使用，導致實訓設備的浪費。所以讓學生養(yǎng)成良好的拆裝習慣尤為重要。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術在課堂教學中應用的可行性

基于虛擬現(xiàn)實技術的模擬仿真教學具有獨有的浸沒感、交互性和想象性。虛擬現(xiàn)實技術早已成功應用于課堂教學，如卡羅萊納州立大學建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室；清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，可以檢測發(fā)動機的基本運行參數(shù)；西北工業(yè)大學開發(fā)了航空發(fā)動機虛擬教學實驗系統(tǒng)；山東理工大學的車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心面向車輛工程、交通運輸和熱能與動力工程等專業(yè)的學生開設虛擬仿真實驗項目。

汽油發(fā)動機由2個機構5個系統(tǒng)組成，如圖1所示，發(fā)動機結構復雜，零件繁多，適合采用虛擬現(xiàn)實技術將發(fā)動機拆裝過程可視化、立體化、體驗化。

2 虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝中的應用

2.1 虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝實訓教學中的應用

北京汽車技師學院以奔馳M274發(fā)動機為原型，制作了發(fā)動機拆裝與檢測虛擬現(xiàn)實教學中心（圖2）。該軟件按奔馳發(fā)動機的結構分為多個獨立的學習模塊，包括冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、配氣機構、增壓系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、曲柄連桿機構、潤滑系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和點火系統(tǒng)等。

圖2 發(fā)動機拆裝與檢測虛擬現(xiàn)實教學中心（截屏）

學生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發(fā)動機軟件后進入發(fā)動機拆裝虛擬環(huán)境。然后點擊待學習的機構或系統(tǒng)，進入到相應的學習模塊，觀察相關設備的具體結構，并按照設定的操作規(guī)程分步進行拆裝。我們以點火系統(tǒng)里的點火線圈的拆裝為例，研究虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝中的應用。

用VR手柄點擊點火系統(tǒng)，在彈出的面板中選擇火花塞的拆卸，進入火花塞的拆卸場景。場景中隨即出現(xiàn)一個提示板，給出拆卸火花塞的提示，同時場景中還有工具車、工具箱和工具，如圖3所示。

學生手持VR手柄，靠近氣缸蓋，氣缸蓋上的4個火花塞其中一個會相應變成紅色，將VR手柄靠近紅色的火花塞并按下手柄，火花塞被取出。轉動VR手柄，可以觀察火花塞的各個面的結構。然后，按既定的正確順序依次取出其他各缸的火花塞，并將取出的火花塞整齊地擺放在旁邊的桌面上，如圖4所示。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝學生競賽中的應用

圖3 虛擬場景中的工具箱和工具

圖4 取出火花塞并將火花塞擺放在桌面上

目前，學院采用虛擬現(xiàn)實技術進行發(fā)動機拆裝已經(jīng)應用于在校學生競賽中。競賽分為兩種形式，一是虛擬現(xiàn)實操作競賽，即學生使用虛擬現(xiàn)實設備，虛擬現(xiàn)實中的一個模塊或多個模塊為比賽內容，教師根據(jù)學生完成比賽內容用時長短來評判，用時最短者獲勝；二是通過虛擬現(xiàn)實拆裝系統(tǒng)中發(fā)動機的某個模塊與發(fā)動機實物某個模塊的拆裝相結合，比賽分為虛擬現(xiàn)實操作和實物拆裝操作兩部分，學生按要求進行操作并計時，教師根據(jù)學生完成任務質量和用時長短來進行評判，最終以兩項成績最優(yōu)者獲勝，如圖5所示。通過競賽，教師可以了解學生對發(fā)動機拆裝技術的掌握程度和熟練度。

圖5 學生參加發(fā)動機拆裝競賽

3 虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝中的應用價值

3.1 提高學生學習興趣，解決教學中“觀”與“摹”的問題

中高職院校或技工院校的學生處于青少年時期，喜歡虛擬現(xiàn)實技術帶來的全新的體驗感，能激發(fā)學生的好奇心和求知欲，提高學生學習興趣。同時虛擬現(xiàn)實還解決了職業(yè)院校師生比例偏小、學生人數(shù)偏多帶來的學生觀看教師操作困難、模擬操作不方便等問題。教師在虛擬現(xiàn)實中操作演示時，學生可以通過電子屏同視角觀看教師的操作，這樣學生更容易理解學習內容，更容易領會拆裝要領。教師操作演示完之后，會安排學生進行輪流操作（圖6），每個學生的操作過程都會被班里其他同學同視角看到，在這個循環(huán)往復的過程中，每一位學生都操作了一遍觀看了若干遍，學生在操作過程中出現(xiàn)的問題也會暴露在所有同學的視野中，其他同學可以幫助該學生解決問題。

3.2 提升學習效果，強化規(guī)范操作

虛擬現(xiàn)實中的環(huán)境是根據(jù)學校的實訓場地并模擬企業(yè)的工作環(huán)境科學設計的，學生可以在虛擬操作的過程中熟悉以后的工作環(huán)境。虛擬環(huán)境中除了有實操環(huán)境中配備的設施設備和拆裝工具，還配備了提示板，提示板會給出關鍵步驟的操作提示，初學者在提示板的幫助下可以獲得很好的自學效果。學生在不同學習模塊的練習過程中，可以發(fā)現(xiàn)自己的薄弱部分，有的放矢地進行針對性學習和訓練，從而提高學習效果。

圖6 學生在課堂上練習虛擬現(xiàn)實操作要領

在虛擬現(xiàn)實中拆裝發(fā)動機時，很多關鍵環(huán)節(jié)的拆卸或安裝順序是系統(tǒng)預先設置的，例如，氣缸蓋上的緊固螺栓、進氣和排氣歧管上的緊固螺栓、點火系統(tǒng)等。學生必須按照正確的提示步驟進行拆卸，否則操作將無法繼續(xù)進行，在這樣的訓練模式下會強化學生的規(guī)范拆裝思維和肌肉記憶，使學生在潛移默化中掌握正確的操作流程，形成良好的操作習慣，提高知識留存率。

3.2 降低了實訓設備損壞率

學生通過虛擬現(xiàn)實的實訓后，掌握了正確的拆裝方法和拆裝注意事項，再進行發(fā)動機各個模塊實體拆裝時，會大大降低因沒有掌握拆裝要領而導致實訓設備設施損壞的現(xiàn)象，從而可以有效降低發(fā)動機零部件的丟失和損壞率，提高實訓設備的使用效率。

3.3 對技工類專業(yè)具有較大的推廣價值

虛擬現(xiàn)實技術適用于機械類拆裝實訓的教學。不同型號發(fā)動機的基本結構類似，基于這一點，數(shù)字化資源可以在大多數(shù)技工類學校不同專業(yè)的課堂教學中適用。同時軟件資源可復制，傳播方便，還可以不斷完善升級，是學校的一筆無形資產(chǎn)，對提升學校的信息化教學水平和技術競爭力大有裨益。另外，虛擬現(xiàn)實技術在發(fā)動機拆裝中的應用使發(fā)動機實物拆裝的頻率降低，相對于購置造價高昂的發(fā)動機，可以在一定程度上降低教學成本。