虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝教學(xué)中的研究與應(yīng)用

鄭華磊

摘 要：隨著信息技術(shù)的全球化，數(shù)字化資源運(yùn)用越來(lái)越廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其真實(shí)的代入感，給現(xiàn)階段職業(yè)教育帶來(lái)改善的可能性新變化。本文以汽車維修專業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝任務(wù)中的進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝為載體，以“工學(xué)結(jié)合，校企合作”為基礎(chǔ)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及對(duì)職業(yè)教育的價(jià)值進(jìn)行介紹，對(duì)該任務(wù)的教學(xué)進(jìn)行軟件開發(fā);并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)軟件開發(fā)、對(duì)課程進(jìn)行改善設(shè)計(jì)、教學(xué)計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用，通過(guò)數(shù)據(jù)分析總結(jié)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力和非職業(yè)能力，對(duì)改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果等方面進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝 職業(yè)能力 非職業(yè)能力

虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的圖形、仿真等軟件技術(shù)與傳感器、顯示等硬件技術(shù)，通過(guò)虛擬環(huán)境的交互操作，使操作者產(chǎn)生真實(shí)的沉浸感。它有三個(gè)方面的特征，分別是：沉浸感、交互性、構(gòu)想性。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)職業(yè)教育教學(xué)的作用

1.建立高效的學(xué)習(xí)途徑

學(xué)習(xí)途徑主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：“視覺(jué)、聽覺(jué)、動(dòng)覺(jué)”。傳統(tǒng)的課程通過(guò)圖片、色彩、講授、學(xué)生討論、角色扮演、實(shí)車實(shí)習(xí)等方法讓學(xué)生通過(guò)這三種途徑進(jìn)行學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是在數(shù)字化資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的升級(jí)，在使用過(guò)程中能同時(shí)伴有三種學(xué)習(xí)途徑，有利于改善學(xué)習(xí)效果。

2.解決教學(xué)“觀”與“摹”的實(shí)際問(wèn)題

根據(jù)人社部《一體化課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)技術(shù)規(guī)程》的要求，各個(gè)職業(yè)院校教學(xué)普遍按照資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查控制、評(píng)估的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行。筆者根據(jù)《規(guī)程》的要求結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于教學(xué)環(huán)節(jié)過(guò)程進(jìn)行了細(xì)分。教學(xué)環(huán)節(jié)分為七個(gè)過(guò)程要素：確立典型工作任務(wù)、進(jìn)行案例導(dǎo)入、知識(shí)學(xué)習(xí)、觀看教師的操作過(guò)程、臨摹操作過(guò)程、教師給予問(wèn)題的解釋、實(shí)操（計(jì)劃，決策，實(shí)施）、總結(jié)評(píng)價(jià)，即“導(dǎo)、研、觀、摹、解、練、評(píng)”。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決了職業(yè)院校授課師生比（1：20）偏小、學(xué)生人數(shù)偏多帶來(lái)的學(xué)生觀看教師操作困難，模擬操作不方便等問(wèn)題。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)針對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝課程的資源開發(fā)

1.進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝的課程任務(wù)定位

研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)職業(yè)教育學(xué)生能力提升的問(wèn)題，需要有課程任務(wù)作為研究載體，因此筆者選取了適合采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)的汽車維修拆裝課程，將進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝這一任務(wù)作為本論文的研究載體。

2.工學(xué)結(jié)合的虛擬資源開發(fā)過(guò)程

（1）正確建立任務(wù)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)流程。在研究過(guò)程中，制作過(guò)程首先要分為5個(gè)團(tuán)隊(duì)：企業(yè)團(tuán)隊(duì)、課程團(tuán)隊(duì)（專業(yè)教師）、視頻團(tuán)隊(duì)、程序團(tuán)隊(duì)、模型團(tuán)隊(duì)。另外需要完成幾個(gè)任務(wù)：視頻制作、模型（Maya）制作、程序（Unity 3D）制作與調(diào)試。模型制作和視頻制作需要同時(shí)進(jìn)行，程序員可以先熟悉拆裝過(guò)程，等待模型和視頻都結(jié)束后，進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試。

（2）工學(xué)結(jié)合的視頻開發(fā)過(guò)程。在真正的工作過(guò)程中，對(duì)于實(shí)際拆裝設(shè)備奔馳M274發(fā)動(dòng)機(jī)了解程度不足，有些腳本需要在視頻拍攝過(guò)程中編寫。

（3）工學(xué)結(jié)合的模型開發(fā)過(guò)程。模型開發(fā)過(guò)程中，相關(guān)參與學(xué)生將企業(yè)技師拆卸的零部件遞交給模型團(tuán)隊(duì)，并告訴模型團(tuán)隊(duì)零部件的名稱。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)。在視頻拍攝時(shí)，教師告訴場(chǎng)記的操作記錄里也可以找到名稱，因此學(xué)生完全可以勝任工作，并且加深了對(duì)零部件認(rèn)識(shí)的了解。

（4）工學(xué)結(jié)合的交互程序開發(fā)過(guò)程與調(diào)試。為了真正培養(yǎng)出復(fù)合型高技能人才，通過(guò)制作模型的Maya軟件，編程的Unity 3D，組織學(xué)生進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，通過(guò)興趣班的形式進(jìn)行課程孵化。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.課程設(shè)計(jì)

（1）研究思路。為了研究該課程對(duì)學(xué)生綜合能力的提升，筆者對(duì)該任務(wù)設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)組，未改善的傳統(tǒng)班級(jí)和虛擬現(xiàn)實(shí)改善班級(jí)進(jìn)行相同時(shí)間的任務(wù)教學(xué)。筆者選擇了為同一名教師上課，并且選取成績(jī)接近的兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）學(xué)情分析。學(xué)習(xí)情境分五個(gè)方面，可以用因果圖進(jìn)行展示。

學(xué)生層次：第一學(xué)年第二學(xué)期、20人、分四個(gè)小組每組5人。

學(xué)生特征：態(tài)度積極、自信、可以進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作、具備學(xué)習(xí)能力。

職業(yè)能力：已學(xué)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)課程、熟悉虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

非職業(yè)能力：語(yǔ)言表達(dá)能力欠缺、創(chuàng)新能力差。

應(yīng)對(duì)方法：多給學(xué)生展示機(jī)會(huì)、數(shù)字化資源輔助教學(xué)、提交作業(yè)及時(shí)反饋。

（3）學(xué)習(xí)目標(biāo)確立。課前目標(biāo)：通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)課程的回顧寫出進(jìn)氣系統(tǒng)各零部件名稱及作用。課中目標(biāo)：寫出奔馳M274發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的拆裝流程;能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成進(jìn)氣系統(tǒng)的拆裝，并能解決拆裝過(guò)程的問(wèn)題;能夠規(guī)范地進(jìn)行拆裝操作。課后目標(biāo)：能夠正確敘述奔馳M274發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的拆裝流程。

2.學(xué)習(xí)內(nèi)容確定

學(xué)習(xí)內(nèi)容主要是進(jìn)氣系統(tǒng)理論、進(jìn)氣系統(tǒng)拆裝流程、拆裝規(guī)范和解決問(wèn)題的能力，其中拆裝流程是重點(diǎn)，拆裝規(guī)范和解決問(wèn)題能力是課程的難點(diǎn)。

3.學(xué)習(xí)資源準(zhǔn)備

場(chǎng)地：數(shù)字化教學(xué)與VR實(shí)訓(xùn)中心：可以容納20名學(xué)生，20臺(tái)學(xué)生電腦，1臺(tái)教師電腦，1個(gè)智慧黑板，4個(gè)一體機(jī)顯示器。

VR設(shè)備：HTC Vive。

發(fā)動(dòng)機(jī)：奔馳M274發(fā)動(dòng)機(jī)。

其他課程資源、視頻及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件資源。

4.課程改善分析

普通教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)改善的教學(xué)區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面是展示的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在教師模擬操作的過(guò)程中，面向所有的學(xué)生進(jìn)行展示，而普通課程教師操作展示的時(shí)候，需要分組進(jìn)行。這樣不僅浪費(fèi)了時(shí)間，而且很多學(xué)生不能看清教師的操作。

5.學(xué)習(xí)實(shí)施方案

見表1。

6.課程評(píng)價(jià)

對(duì)學(xué)生職業(yè)能力和非職業(yè)能力進(jìn)行SMART評(píng)價(jià)，采用一級(jí)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行互評(píng)、自評(píng)、他評(píng)（教師評(píng)價(jià)）的評(píng)價(jià)體系。為了真實(shí)有效地進(jìn)行評(píng)價(jià)，自評(píng)和互評(píng)只記錄而不占權(quán)重，學(xué)習(xí)任務(wù)的過(guò)程性評(píng)價(jià)取決于教師評(píng)價(jià)。

教師在教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中輸入評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)及權(quán)重。課程結(jié)束后，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)能力（包括拆裝規(guī)范、拆裝節(jié)拍、6S、理論知識(shí)、知識(shí)歸納）和非職業(yè)能力（態(tài)度語(yǔ)言、創(chuàng)造性、獨(dú)立學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作）各5個(gè)維度的評(píng)價(jià)，根據(jù)重要程度設(shè)定各維度的評(píng)價(jià)，最終將學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)定制化評(píng)價(jià)（包括學(xué)生信息、職業(yè)能力雷達(dá)圖、非職業(yè)能力雷達(dá)圖、學(xué)生評(píng)價(jià)），為企業(yè)定制化選擇合適員工帶來(lái)了依據(jù)。

7.課程實(shí)施中評(píng)價(jià)的要求

筆者首先對(duì)于試驗(yàn)樣本中普通班級(jí)的學(xué)生進(jìn)行授課，并對(duì)其職業(yè)能力和非職業(yè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，其次對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善后的班級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了研究的具體和準(zhǔn)確，需要采集職業(yè)能力的權(quán)重分?jǐn)?shù)，非職業(yè)能力的權(quán)重分?jǐn)?shù)，以及職業(yè)能力和非職業(yè)能力每個(gè)維度的平均分?jǐn)?shù)，在此基礎(chǔ)上為了反映學(xué)習(xí)效果，將對(duì)試驗(yàn)組采集3個(gè)月后進(jìn)行職業(yè)能力的重新測(cè)評(píng)。

四、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善教學(xué)的效果

1.改善后的評(píng)價(jià)分析

（1）職業(yè)能力。普通班級(jí)職業(yè)能力的權(quán)重成績(jī)（78.85分）比虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善班級(jí)的分?jǐn)?shù)（83.40分）低4.55分，其中拆裝規(guī)范和拆裝的節(jié)拍要高于普通班級(jí)5分以上，工作過(guò)程6S、理論知識(shí)、歸納能力相差不大。這反映了改善后對(duì)于學(xué)生職業(yè)能力是有提升的。學(xué)生工作的時(shí)候速度快，規(guī)范性好，反映了學(xué)生熟練程度不同，說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的改善對(duì)學(xué)生的職業(yè)能力提升起到了明顯效果。

（2）非職業(yè)能力。普通班級(jí)非職業(yè)能力的權(quán)重成績(jī)（83.40分）比虛擬現(xiàn)實(shí)改善班級(jí)的分?jǐn)?shù)（83.80分）低0.50分，相差很小，權(quán)重指標(biāo)非常接近。改善后學(xué)生提高最明顯的是學(xué)習(xí)態(tài)度。這是因?yàn)閷W(xué)習(xí)積極性提高的結(jié)果，說(shuō)明對(duì)改善后學(xué)生非職業(yè)能力有單項(xiàng)維度的提高。

（3）職業(yè)能力存留率。普通班級(jí)職業(yè)能力的權(quán)重成績(jī)（79.60分）比虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善班級(jí)的分?jǐn)?shù)（82.90分）低3.30分。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善的班級(jí)在拆裝規(guī)范以及拆裝節(jié)拍方面依然要高于普通班級(jí)，說(shuō)明普通班級(jí)經(jīng)過(guò)了一次實(shí)訓(xùn)后熟練程度有了提高，但是從學(xué)習(xí)效果來(lái)講，三個(gè)月后工作的效果還是不如采用虛擬教學(xué)的班級(jí)好。工作過(guò)程6S和理論知識(shí)數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明改善后效果并不明顯，然而知識(shí)歸納水平拉開了差距，說(shuō)明對(duì)于任務(wù)的理解程度已經(jīng)不同。這不僅有利于知識(shí)和技能的留存，更有利于新知識(shí)的學(xué)習(xí)的遷移。

2.數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

通過(guò)數(shù)據(jù)的分析，可以看出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于學(xué)生職業(yè)能力的提高更為明顯，尤其實(shí)際操作方面，學(xué)生不管是規(guī)范性還是工作節(jié)拍都有顯著的提高，并且間隔一段時(shí)間后，依然保持這樣的學(xué)習(xí)效果。這說(shuō)明學(xué)生能夠?qū)τ趯?shí)際操作有更深刻的了解。筆者也統(tǒng)計(jì)了個(gè)人方面，改善后的班級(jí)優(yōu)秀率和普通班級(jí)基本相同，但是整體平均分?jǐn)?shù)高，說(shuō)明改善對(duì)于成績(jī)中等和成績(jī)較差的學(xué)生效果更為明顯。另外，對(duì)于非職業(yè)能力方面，改善主要是影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，尤其是學(xué)習(xí)中等和學(xué)習(xí)較差的學(xué)生的積極性，學(xué)習(xí)態(tài)度這一維度有了提高，其他的非能力目標(biāo)并未有明顯提高。

五、小結(jié)

本文是針對(duì)汽車維修課程進(jìn)行的一次改革嘗試，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改善教學(xué)流程，從而研究學(xué)生學(xué)習(xí)能力的改善效果，具有一定的開創(chuàng)意義。研究在真實(shí)的教學(xué)中進(jìn)行，研究數(shù)據(jù)包括學(xué)生的職業(yè)能力、非職業(yè)能力，也有學(xué)習(xí)效果的留存率，得到了該實(shí)驗(yàn)的研究成果，并對(duì)今后的教學(xué)起到積極的借鑒意義。

本研究仍有可挖掘的方向，比如學(xué)生職業(yè)能力與非職業(yè)能力每個(gè)維度的正向分布，判斷對(duì)不同水平的學(xué)生的改善情況和變化規(guī)律，另外可以進(jìn)行追蹤研究、如何更有效地改善學(xué)習(xí)效果留存率問(wèn)題、如何進(jìn)行非職業(yè)能力提高等都可以進(jìn)行研究。

另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，也可以考慮逆向教學(xué)，也就是展示錯(cuò)誤結(jié)果，在現(xiàn)實(shí)中錯(cuò)誤操作會(huì)帶來(lái)設(shè)備的損壞，成本的增加，操作人員的安全問(wèn)題。這也是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境里可以研究的問(wèn)題。

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（作者單位：北京汽車技師學(xué)院）