基于虛擬仿真技術(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝課程教學(xué)方法探討

袁永偉 劉江濤 王磊 馬志凱

摘要：隨著全球汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，汽車行業(yè)已經(jīng)成為高薪企業(yè)，高校也順應(yīng)社會(huì)發(fā)展，開設(shè)了汽車相關(guān)專業(yè)，在傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)中，工程師對(duì)汽車構(gòu)造的了解需要非常熟悉，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝成為學(xué)生最為直觀了解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的方式，但是教學(xué)過程中存在人多設(shè)備少，以及拆裝安全等問題，不利于實(shí)踐教學(xué)的進(jìn)行，本文通過調(diào)研汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方式，開展線上線下相結(jié)合的教學(xué)方法，建立多元化的考核評(píng)價(jià)體系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;發(fā)動(dòng)機(jī);教學(xué)方法;教學(xué)改革

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，VR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)是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面。與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征是：操作者能夠真正進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的交互式三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，與之產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流。通過參與者與虛擬仿真環(huán)境的相互作用，并借助人本身對(duì)所接觸事物的感知和認(rèn)知能力，幫助啟發(fā)參與者的思維，以全方位地獲取虛擬環(huán)境所蘊(yùn)涵的各種空間信息和邏輯信息。 沉浸/臨場(chǎng)感和實(shí)時(shí)交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)質(zhì)性特征，對(duì)時(shí)空環(huán)境的現(xiàn)實(shí)構(gòu)想（即啟發(fā)思維，獲取信息的過程）是虛擬現(xiàn)實(shí)的最終目的。目前虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)療、建筑和教育事業(yè)等方方面面。本文以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝課程為對(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)的作用

虛擬仿真應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育技術(shù)未來的一個(gè)重要發(fā)展需求。它能夠營(yíng)造“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都非常真實(shí)，達(dá)到讓學(xué)生感到身歷其境的目的由。傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式。同時(shí)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課堂可切實(shí)提高學(xué)校教育教學(xué)水平、教學(xué)信息化能力及科研水平。

3.目前存在的問題

目前，學(xué)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)方式完成發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝的幾個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在如下主要問題：拆裝過程繁瑣，學(xué)生較多，不能夠提高試驗(yàn)的拆裝效率，重復(fù)性工作較多;個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)元件無法完成徹底拆裝，需要借助解剖后的原件進(jìn)行了解;演示工作原理不直觀，不能明確反映出元件的工作狀態(tài)，造成液壓實(shí)驗(yàn)多數(shù)學(xué)生不易理解，沒有深刻了解相關(guān)內(nèi)容，印象不深刻。本項(xiàng)目開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)將形象地展示教學(xué)模型以及真實(shí)的三維實(shí)驗(yàn)設(shè)備，方便教師講解;同時(shí)學(xué)生可以動(dòng)手從不同方位觀察模型、儀器，而且可以使用虛擬儀器進(jìn)行拆裝實(shí)驗(yàn)，加深了印象，彌補(bǔ)了學(xué)生普遍存在的抽象思維能力不足，從而提升課程教學(xué)效果。

項(xiàng)目側(cè)重點(diǎn)在模型，開發(fā)的所有虛擬模型學(xué)生都可以動(dòng)手進(jìn)行分解，觀察不同部位的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)原理，進(jìn)行充分的課前預(yù)習(xí)。通過這些學(xué)習(xí)，將極大促進(jìn)學(xué)生在真實(shí)的課堂上的動(dòng)手操作，也有助于教師開展不同形式的課堂互動(dòng)，提高教學(xué)效率。

4.基于虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

4.1虛擬仿真技術(shù)變革了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式。

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的限制，使每一位學(xué)習(xí)者都可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，在自己方便的時(shí)間通過計(jì)算機(jī)自由地選擇適合的學(xué)習(xí)訓(xùn)練內(nèi)容，按照適合于自己的方式和速度進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，能夠讓學(xué)生以更加直觀深刻的方式學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種探索性的學(xué)習(xí)模擬訓(xùn)練有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使學(xué)習(xí)者在具體情境中通過主動(dòng)的探索獲得知識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)者的動(dòng)力。虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境大大增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了效率，減少了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的耗材及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的危險(xiǎn)性。

4.2節(jié)約了有限的教育成本。

虛擬各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過程，使大多數(shù)課程可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大多數(shù)的技能可以在虛擬實(shí)驗(yàn)車間中進(jìn)行訓(xùn)練，從而不必購(gòu)置昂貴的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。可以在節(jié)約大量昂貴的儀器設(shè)備費(fèi)用的前提下，解決在教學(xué)中因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因而無法進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，虛擬訓(xùn)練又可避免實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練材料的消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。同時(shí)，可以在較少資源環(huán)境下滿足多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)要求，提高學(xué)習(xí)效率，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，營(yíng)造高效、便捷的課堂氛圍。

5.線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝以課堂教學(xué)為主，為了改變這種單一的教學(xué)模式，學(xué)校依托雨課堂、學(xué)習(xí)通、騰訊課堂等平臺(tái)和工具開展線上教學(xué)，課前通過雨課堂發(fā)送和課程相關(guān)的教學(xué)視頻，方便學(xué)生自學(xué)，課上使用雨課堂簽到功能，督促學(xué)生及時(shí)上課學(xué)習(xí)，課堂上加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，可以通過雨課堂發(fā)送課堂小測(cè)的問題，學(xué)生通過雨課堂的學(xué)生端操作回答問題，教師能夠在后臺(tái)查看學(xué)生的答題情況。另一方面，教師可以找到具有代表性的回答，讓學(xué)生在課堂直接回答，方便同學(xué)討論，通過線上線下相結(jié)合的方法，既可以活躍課堂，又可以及時(shí)了解學(xué)生掌握知識(shí)的程度。

6.結(jié)論

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。通過線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式培養(yǎng)符合行業(yè)企業(yè)需求的高素質(zhì)人才，打造師生學(xué)習(xí)實(shí)踐、鍛煉、研發(fā)平臺(tái)，促進(jìn)學(xué)校教研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，創(chuàng)建區(qū)域乃至全國(guó)示范性特色品牌，最終實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)向虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生能夠在虛擬過程中也能學(xué)習(xí)到實(shí)際操作中的必備技能，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才。

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基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目：202101078024。