虛擬仿真技術(shù)在“汽車制造技術(shù)”課程中的應(yīng)用

摘 要：虛擬仿真技術(shù)具有真實性、多感知性、自主性和交互性等特點，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于虛擬仿真技術(shù)能夠立體形象及高度還原現(xiàn)實場景，將它應(yīng)用于制造類課程教學(xué)過程中，能更好地突出理論結(jié)合實踐的課程特點及要求，豐富教學(xué)資源，提升學(xué)習(xí)沉浸感，不斷提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;汽車制造;課程教學(xué)

1? ?傳統(tǒng)“汽車制造技術(shù)”教學(xué)現(xiàn)狀

“汽車制造技術(shù)”在車輛工程系的專業(yè)課程中占據(jù)非常重要的位置，內(nèi)容包括汽車及其零部件的制造工藝流程、機(jī)械加工和裝配方面等內(nèi)容。該門課程的主要目的是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代化汽車制造過程，把學(xué)生培養(yǎng)成面向汽車制造過程中整車裝配與零部生產(chǎn)和管理的新型人才。“汽車制造技術(shù)”是車輛工程專業(yè)的必修課程，在課程培養(yǎng)方案中占據(jù)重要一環(huán)。對于車輛工程的大部分學(xué)生而言，畢業(yè)之后就是到汽車整車廠或其子公司從事技術(shù)和管理工作，因為他們在工程項目實踐中需要詳細(xì)了解汽車生產(chǎn)制造的工藝流程，并且熟練掌握零件機(jī)械加工工藝整體規(guī)程及基本知識，能夠根據(jù)實際需求具備初步設(shè)計工藝規(guī)程的初步能力[1-2]。因此“汽車制造技術(shù)”的教學(xué)質(zhì)量在很大程度上影響著學(xué)生的就業(yè)以及在從業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，是保障學(xué)生學(xué)有所成的一把利劍。

目前，根據(jù)上海理工大學(xué)車輛工程專業(yè)的最新培養(yǎng)方案規(guī)定，“汽車制造技術(shù)”課程根據(jù)實際教學(xué)任務(wù)需求總共安排48個學(xué)時，學(xué)分總數(shù)為3個學(xué)分。根據(jù)任課教師在教學(xué)過程中遇到的各種突出問題，以及學(xué)生通過課堂反饋的問題，在現(xiàn)行教學(xué)方式依然存在很多難啃的“硬骨頭”。

首先，“汽車制造技術(shù)”這門課具有自身的特點，例如所覆蓋的知識點眾多，結(jié)構(gòu)具有多樣性，原理十分復(fù)雜，知識點之間的聯(lián)系不夠緊密，實踐條件要求較高，課堂缺少相關(guān)實物模塊展示等。由于以上諸多問題，就對老師在課程講解過程中提出了一些挑戰(zhàn)，如果不能合理安排課程內(nèi)容把控課堂節(jié)奏，就很容易使學(xué)生逐漸產(chǎn)生疲勞或厭倦情緒。其次，由于課程的學(xué)時限制，就使得任課教師為了完成教學(xué)任務(wù)，不得不把課堂內(nèi)容安排得非常緊湊，這也導(dǎo)致老師產(chǎn)生比較大的教學(xué)壓力，所以在課堂上只能通過填鴨式的教學(xué)模式把知識硬生生地塞給學(xué)生，也無暇顧及學(xué)生是否真正對所學(xué)知識有所領(lǐng)悟。

其次，由于傳統(tǒng)教學(xué)模式的上課場地受到限制導(dǎo)致理論教學(xué)與學(xué)生實踐不同步。造成學(xué)生在進(jìn)行實踐操作時不能聯(lián)想到課堂上老師傳授的知識，學(xué)生雖有實物操作但仍難以理解某些結(jié)構(gòu)組成的原理，導(dǎo)致教學(xué)和實踐不能連貫，無法達(dá)到學(xué)以致用相輔相成的效果。這種以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式在多數(shù)情況下難以實質(zhì)性的提高教學(xué)質(zhì)量。因此，必須將實踐操作環(huán)節(jié)融入教學(xué)模式中去，這種教學(xué)方式具有非常強(qiáng)的應(yīng)用性和實踐性。車輛工程專業(yè)的學(xué)生不能局限于學(xué)習(xí)該課堂內(nèi)容的基礎(chǔ)知識，必須通過動手實踐加深理解，才能開拓創(chuàng)新。因此，虛擬仿真技術(shù)融合進(jìn)入課程授課為教學(xué)改革提供了新的發(fā)展方向，具有很強(qiáng)現(xiàn)實意義。

2? ?虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)合

一般認(rèn)為虛擬仿真是一種模擬技術(shù)即對現(xiàn)實世界真實系統(tǒng)的模擬，具體涵蓋視覺生理學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、視覺心理學(xué)、仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)語音識別與合成技術(shù)、軟件工程、人機(jī)接口技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種高新技術(shù)[3]。由于虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、多感知性、自主性和交互性的顯著特點，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在教育領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)可以將二維知識和圖片三維立體化，建造出自主感知的教學(xué)模式，改善刻板的教育方式，增強(qiáng)實踐教育手段，極大地提升教學(xué)質(zhì)量。

實現(xiàn)虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，可以對車輛工程專業(yè)的建設(shè)發(fā)展、課程體系重塑、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)和課堂教學(xué)改革都將起到很好的推動作用。目前，根據(jù)虛擬仿真技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合的方式，可將其可以劃分為以下四類：桌面式、分布式、增強(qiáng)式、和沉浸式虛擬等虛擬仿真系統(tǒng)[4]。在具體實施過程中，授課教師可以通過制作虛擬仿真的課件，或者利用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)相關(guān)教學(xué)軟件。因為虛擬技術(shù)具有沉浸式特點，可以使學(xué)生能夠有身處生產(chǎn)現(xiàn)場的感覺，將學(xué)生從課堂上的觀看者轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)現(xiàn)場的探索者，這樣可以極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力[1]。

3? ? 虛擬仿真技術(shù)在汽車制造技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

上海理工大學(xué)已經(jīng)建立一個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，利用現(xiàn)有的虛擬仿真平臺，能夠利用虛擬仿真技術(shù)模擬“汽車制造技術(shù)”課程的某些制造工藝，以及機(jī)床切削加工過程的虛擬仿真，實現(xiàn)真正將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到該課程的教學(xué)中。根據(jù)課程設(shè)計及工程實際進(jìn)程，將課程劃分為不同的模塊，針對不同模塊再具體利用虛擬仿真技術(shù)，如對機(jī)床加工過程進(jìn)行模擬仿真，模擬現(xiàn)實機(jī)床的裝夾過程，切削過程，以及上料、下料等，可以高度還原實際的操作場景，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到更多工程知識的細(xì)節(jié)。實現(xiàn)實踐中間過程的可視化，提升整體形象感，提升學(xué)生實踐學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生主動感知實踐的意義和開展實踐內(nèi)容。

積極依托學(xué)校虛擬仿真實驗室，在教學(xué)中逐步結(jié)合實驗平臺開發(fā)虛擬仿真軟件與教學(xué)課件，積極開展實質(zhì)性工作。以實際的車間為例進(jìn)行虛擬仿真，通過對虛擬車間的設(shè)計，模擬整個車間的布置、物料運動、操作仿真和人機(jī)交互等。讓學(xué)生看到從物料運輸?shù)搅慵庸こ尚偷娜^程，對整個工藝流程有清晰直觀的認(rèn)知，且可以通過人機(jī)交互讓學(xué)生自己操作機(jī)床空轉(zhuǎn)、進(jìn)給、切削等過程。這樣使得學(xué)生不僅只是旁觀者更是參與者，使得學(xué)習(xí)更加生動有趣，避免了現(xiàn)場操作可能會帶來的諸多危險因素，最大限度的保障了學(xué)生的人身安全。不僅如此，學(xué)生可以通過該虛擬仿真教學(xué)平臺自主學(xué)習(xí)、熟練使用及掌握同一類實踐項目的設(shè)計思想、操作流程及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，進(jìn)而達(dá)到舉一反三，融會貫通的目的。由此可見，虛擬仿真實驗平臺的規(guī)劃、開發(fā)、管理，對于學(xué)生的認(rèn)知起到積極推動作用，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

4? ? 在教學(xué)改革過程中會面臨的問題

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的確實能在很大程度上提升教學(xué)質(zhì)量，但同時存在著一些不可忽視的問題。實現(xiàn)虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)的完美結(jié)合，需要完整且無漏洞的虛擬仿真軟件，以及諸多硬件的支持。所以想要達(dá)到較好的效果就需要投入大量資金，就不可避免地會占用學(xué)校資源，讓部分學(xué)校原本就不充足的教育資源“雪上加霜”。假如強(qiáng)制推行下去，容易造成粗制濫造浪費資源的現(xiàn)象，同時耗費師生精力。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)無論是從時間還是資金上都需要大量投入，這對于獨立承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的老師是一個巨大的挑戰(zhàn)，且要求老師能夠熟練掌握授課、自學(xué)自講、教學(xué)實踐這三者之間相互關(guān)系，使它們之間能夠環(huán)環(huán)相扣、相輔相成。但對于面臨著巨大教學(xué)任務(wù)量的老師把龐雜的問題結(jié)合起來并推陳出新是十分困難的。就目前的狀況來看，虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于教學(xué)過程仍然需要更多教育者的努力與探索，同時更加注重教師團(tuán)隊建設(shè)，共同開發(fā)制作虛擬技術(shù)相關(guān)教學(xué)資源。

5? ? 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)是可以實現(xiàn)人體和模擬環(huán)境交互的新型科技，把不可感知的抽象空間轉(zhuǎn)化為立體可見的三維空間仿真模型，使人身臨其境，極大增強(qiáng)了體驗感，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，高校需要深入研究虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，并且熟練掌握虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合，培養(yǎng)高技術(shù)、有創(chuàng)新精神的人才。但由于教師的精力有限，不同學(xué)校又面臨虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用中的實際問題，虛擬仿真技術(shù)依然具有較大發(fā)展空間，必將給制造類課程教學(xué)帶來更大的實際價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄒全樂，張?zhí)煺\，劉瑩.基于虛擬仿真技術(shù)的安全評價教學(xué)改革途徑[J].高教學(xué)刊，2020（29）：114-117.

[2]周萍，孫躍東，鄭岳久，劉銀華.“汽車制造技術(shù)”課程考核評價的研究與實踐[J].高教學(xué)刊，2018（2）：59-61.

[3]王婷，齊慶會，岳川云.虛擬仿真技術(shù)在土木工程測量教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2020（27）：112-115.

[4]肖田園，韓向利，張林鍹.虛擬制造內(nèi)涵及應(yīng)用研究[J].機(jī)械仿真學(xué)報，2001（1）：118-123.

（編輯 姚 鑫）