汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)研究

崔麗

摘 要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程中的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)作為一個(gè)方便學(xué)生了解發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)理論知識(shí)的具體途徑對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)原理而言是尤為重要的。文章在對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)的不足之處進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，闡述了利用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝的優(yōu)勢(shì)，另外還對(duì)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)需要達(dá)到的功能以及要完成相應(yīng)要求需具備的模塊和系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而促進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn) 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

Research on Virtual Simulation Teaching System of Automobile Engine Principle Course

Cui Li

Abstract：The engine disassembly and assembly training in the course of automobile engine principle is a convenient way for students to understand the engine structure， and the specific way to use engine theory knowledge is particularly important for students to learn engine principles. Based on the discussion of the shortcomings of the traditional engine disassembly and assembly training， the article explains the advantages of using the virtual simulation teaching system for engine disassembly and assembly， and the functions and requirements of the virtual simulation teaching system to be achieved. The required modules and systems are studied to promote the development of virtual simulation teaching of automobile engine principle courses.

Key words：automobile engine principle course， engine disassembly and assembly training， virtual simulation teaching system

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)多領(lǐng)域集成性的技術(shù)也在不斷完善，日趨成熟。虛擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)情景或者虛構(gòu)情景的呈現(xiàn)，讓使用者通過視覺、聽覺或觸覺來達(dá)到與虛擬情景的交互。該技術(shù)依靠其互動(dòng)性、便捷性和真實(shí)性應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、數(shù)字化校園、娛樂、藝術(shù)以及工業(yè)等。在教育領(lǐng)域虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以更好的地構(gòu)建數(shù)字化校園，也可以對(duì)課程內(nèi)容和教授方式產(chǎn)生影響，帶來革新。本文以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程為對(duì)象，研究虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在該課程中的作用。

2 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境或者想象事物進(jìn)行構(gòu)建的一種技術(shù)，通過傳感裝置來完成用戶與系統(tǒng)之間的交互，給用戶真實(shí)的體驗(yàn)。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)即利用虛擬仿真技術(shù)搭建以教學(xué)內(nèi)容為主要框架的教學(xué)平臺(tái)，通過平臺(tái)各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的教學(xué)任務(wù)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程是以發(fā)動(dòng)機(jī)性能為主要研究對(duì)象的一門課程。該課程介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本理論和結(jié)構(gòu)、工作原理與工作特點(diǎn)、影響因素、性能指標(biāo)以及發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的前沿技術(shù)[1]。該課程不僅要求學(xué)生熟知發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論，還要求學(xué)生能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作中，獨(dú)立地完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝。

3 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)的不足

發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝是發(fā)動(dòng)機(jī)原理課程中重要的組成部分，是學(xué)生實(shí)踐理論知識(shí)的關(guān)鍵途徑。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)主要由老師帶領(lǐng)學(xué)生去專門的場(chǎng)地利用實(shí)物來進(jìn)行拆裝訓(xùn)練。但是傳統(tǒng)的拆裝方式有很多不足。首先傳統(tǒng)的拆裝容易受到場(chǎng)地、設(shè)備和人數(shù)的制約，因?yàn)樵O(shè)備是有限的，所以只能將學(xué)生分組進(jìn)行拆裝，而一位老師不可能事無巨細(xì)地盯著每一個(gè)小組的拆裝過程，這就導(dǎo)致拆裝中會(huì)存在個(gè)別學(xué)生隨意操作，糊弄了事甚至消極怠工的情況;其次汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部分，是由許多零件組成的復(fù)雜裝置，交給剛剛學(xué)完發(fā)動(dòng)機(jī)原理的學(xué)生來拆裝無疑是極具難度和挑戰(zhàn)性的，學(xué)生可能做不到系統(tǒng)地、準(zhǔn)確地完成拆裝，致使零件丟失或零件接合不當(dāng)，對(duì)設(shè)備造成損傷[2]。而且學(xué)生僅僅只能在一堂課的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)手操作，由于人數(shù)和時(shí)間的限制，往往沒有多余的練習(xí)時(shí)間，無法更好地了解拆裝過程和發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

4 利用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝過程的不足，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開始被廣泛的應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝實(shí)訓(xùn)。利用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝，可以有效降低場(chǎng)地和設(shè)備成本，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在人為拆裝過程中的損耗，解決高校資源不足、設(shè)備老舊等問題[3]。其次該系統(tǒng)還可以提高教學(xué)的效率和質(zhì)量，每位學(xué)生都可以在系統(tǒng)中進(jìn)行自己的拆裝，從而提高其獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，并且老師可以根據(jù)系統(tǒng)的反饋了解學(xué)生拆裝的進(jìn)度，最后依據(jù)結(jié)果給出公正的評(píng)分。由于系統(tǒng)的便捷性，學(xué)生也可以在課余時(shí)間進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝，通過多次練習(xí)更好地掌握書本上的理論知識(shí)。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用虛擬的數(shù)據(jù)，在安全性方面要遠(yuǎn)勝于使用實(shí)物進(jìn)行拆裝，同時(shí)作為一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)和新穎的教學(xué)方式也能更好地激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

5 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的功能要求

5.1 基于理論知識(shí)的完備的零件庫

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)要完成對(duì)于整個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的還原，需要有完備的零件庫作為支撐。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理的理論知識(shí)教授中給出的范例可能是某些基礎(chǔ)的、較為老舊的發(fā)動(dòng)機(jī)，而在虛擬仿真系統(tǒng)中則需要構(gòu)建多種發(fā)動(dòng)機(jī)的零件庫，讓學(xué)生通過對(duì)比加深對(duì)各類零件的認(rèn)識(shí)，而且系統(tǒng)零件庫中的模型不僅要與實(shí)際一致，在學(xué)生需要使用或者想了解某個(gè)零件時(shí)還要能顯示具體的數(shù)據(jù)。

5.2 易于上手的交互系統(tǒng)

利用虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝時(shí)，系統(tǒng)與人的交互應(yīng)該是簡(jiǎn)單的、易于上手的。學(xué)習(xí)者需要能夠通過鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)顯示的零件進(jìn)行多角度的旋轉(zhuǎn)和大小的縮放，以便對(duì)零件有全面的認(rèn)識(shí);同時(shí)還要能夠通過簡(jiǎn)單的指令對(duì)零件進(jìn)行拼接，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。另外，在學(xué)生拖拽過程中，零件還需有足夠的空間和自由度方便學(xué)生從各個(gè)角度和位置進(jìn)行組裝。易于上手的人機(jī)交互系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化學(xué)生在實(shí)際拆裝中要完成的操作，節(jié)省了學(xué)生的時(shí)間成本和體力成本。

5.3 完整的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬

系統(tǒng)在得到相應(yīng)命令后要能完成對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，換氣過程、燃燒過程、增壓過程以及尾氣排放和控制過程的模擬和呈現(xiàn)[4]。在工作過程模擬階段，學(xué)生可以按照自己需求進(jìn)行暫停，方便學(xué)生細(xì)致地觀察某一階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中具體零件結(jié)構(gòu)的動(dòng)作。另外，在一個(gè)過程模擬完成后還應(yīng)當(dāng)有細(xì)致的講解來為學(xué)生鞏固理論知識(shí)，幫助學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)際過程更好的結(jié)合起來。

5.4 提供拆裝指導(dǎo)和結(jié)果反饋

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在使用時(shí)要能給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和提示，對(duì)于裝配過程中的連接應(yīng)當(dāng)有和現(xiàn)實(shí)裝配中同樣的約束關(guān)系，比如零件的位置、裝配的順序等，同樣在學(xué)生操作失誤時(shí)也要能予以提醒和糾正。在學(xué)生完成發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝練習(xí)后，虛擬仿真系統(tǒng)需要給學(xué)生提供結(jié)果反饋和完成度的評(píng)價(jià)，以便于學(xué)生對(duì)于自我能力有更清晰的認(rèn)識(shí)。

6 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的搭建

6.1 功能模塊設(shè)置

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)擬定設(shè)置四個(gè)功能模塊：零件庫模塊、裝配模塊、反饋模塊和檢測(cè)模塊。零件庫模塊顧名思義就是存放零件模型和零件信息的模塊。通過軟件和零件的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)零件進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)，已有的標(biāo)準(zhǔn)型零件可以直接從軟件的庫里獲取，節(jié)省時(shí)間和人力。設(shè)計(jì)好的零件模型標(biāo)好零件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，比如零件的名稱、長(zhǎng)度、厚度和硬度等信息，存放于零件庫模塊中。裝配模塊是對(duì)零件進(jìn)行裝配的模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配模塊主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)所決定，主要分為機(jī)軸裝配模塊、氣缸裝配模塊和整機(jī)裝配模塊。每個(gè)裝配模塊在裝配過程中都會(huì)有結(jié)構(gòu)連接方式和自由度的提示，完成裝配后會(huì)有清晰的動(dòng)畫演示。學(xué)生在裝配過程中可以方便簡(jiǎn)潔地使用鼠標(biāo)將零件拖動(dòng)到正確位置便可完成相應(yīng)結(jié)構(gòu)的組裝[5]。反饋模塊是一個(gè)輔助模塊，主要功能是在學(xué)生拆裝過程中提供合理的信息幫助、及時(shí)的錯(cuò)誤糾正以及拆裝過程的結(jié)果反饋，同時(shí)還具備記錄功能，可以記錄下學(xué)習(xí)者的拆裝過程，在學(xué)習(xí)者需要時(shí)提供過程回放，方便學(xué)習(xí)者自查自糾。檢測(cè)模塊是拆裝過程的延伸拓展，教師可以在檢測(cè)模塊設(shè)置實(shí)際拆裝過程中會(huì)遇到的具體問題，比如零件的磨損，連接部位老化等問題，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

6.2 平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

虛擬仿真系統(tǒng)的平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)原理和拆裝實(shí)際過程來綜合設(shè)計(jì)。首先利用三維建模軟件對(duì)拆裝過程中需要用到的發(fā)動(dòng)機(jī)零件進(jìn)行建模，為零件庫模塊提供基礎(chǔ)的素材，之后使用3DSMAX軟件對(duì)模型進(jìn)行渲染、修改、附材質(zhì)等操作，令軟件模型更加接近實(shí)際零件。然后通過unity3d軟件來設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)，依靠程序的編輯以圖像、聲音、文字等形式實(shí)現(xiàn)操作內(nèi)容的展示[6]。隨后利用零件庫的零件模型組合出基本結(jié)構(gòu)，再將基本結(jié)構(gòu)拼裝成完整的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。之后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的拼裝過程進(jìn)行動(dòng)畫制作，并收集對(duì)應(yīng)的實(shí)際中的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝視頻作為參考數(shù)據(jù)，通過C#腳本代碼將參考樣本賦予系統(tǒng)中，作為拆裝實(shí)訓(xùn)前的視頻資料供學(xué)生學(xué)習(xí)借鑒。拆裝的實(shí)際操作指令仍然是依靠unity3d軟件，通過鼠標(biāo)拖拽零件，將零件拖動(dòng)到指定位置后進(jìn)行位置判定，隨后反饋給學(xué)生操作正確或是錯(cuò)誤的提示[7]。

7 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)作為一種利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成三維世界的技術(shù)，可以借助交互系統(tǒng)給使用者真實(shí)而新奇的體驗(yàn)。隨著虛擬仿真技術(shù)被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，教育工作者們也應(yīng)該注意到該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，將技術(shù)與課程進(jìn)行結(jié)合。通過上文可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝實(shí)訓(xùn)中，利用好虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)不僅能提高教學(xué)的效率和質(zhì)量，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)和練習(xí)，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生全方位地投入其中。

課題項(xiàng)目：四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年一般項(xiàng)目《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究》（編號(hào)：2020KC10）。

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