虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柴油機(jī)維修訓(xùn)練中的應(yīng)用

劉 斌 王 宇 周建釗 褚偉俊 何曉暉

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210000）

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和交通設(shè)備領(lǐng)域[1]。為培訓(xùn)高水平的柴油機(jī)維修保障人員，延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命，提高柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，節(jié)約行業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，各個(gè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)紛紛開(kāi)設(shè)培訓(xùn)課程。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐教學(xué)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)教育中十分關(guān)鍵的教育環(huán)節(jié)，主要包括理論授課、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)及課程考核等。但是，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的動(dòng)力部件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件多等特點(diǎn)[2]。當(dāng)前機(jī)械專(zhuān)業(yè)職業(yè)教育存在教學(xué)方式單調(diào)、教材教具缺乏等問(wèn)題，因此教學(xué)效果不盡如人意。面對(duì)新形勢(shì)下工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化和信息化發(fā)展趨勢(shì)，需提高柴油機(jī)操作人員的技術(shù)素養(yǎng)，提高教育培訓(xùn)行業(yè)對(duì)現(xiàn)代化技術(shù)學(xué)習(xí)的重視程度，迫切需要改革柴油機(jī)應(yīng)用課程。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）作為近年來(lái)發(fā)展的一種綜合性信息技術(shù)，在教育行業(yè)應(yīng)用廣泛，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式影響重大[3]。目前，大多數(shù)科研工作者仍處于建立虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合教學(xué)體系和對(duì)具體課程應(yīng)用建立完整理論體系的階段。文章以實(shí)際案例情境為基礎(chǔ)，從實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)及實(shí)操3個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)出發(fā)，提出構(gòu)建互動(dòng)體驗(yàn)更佳的教學(xué)模式，以適應(yīng)柴油機(jī)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)提出了實(shí)踐課程科學(xué)評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。構(gòu)建科學(xué)、合理、高效的交互式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，可助力實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)教育實(shí)踐課程的改革與創(chuàng)新。

1 體驗(yàn)式教學(xué)模式改革

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種能夠建立和感知虛擬世界的電子信息仿真技術(shù)。施訓(xùn)者通過(guò)創(chuàng)建虛擬課堂教學(xué)系統(tǒng)，模擬三維真實(shí)工程環(huán)境，改變通過(guò)教材和黑板書(shū)寫(xiě)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)員通過(guò)使用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)與教學(xué)內(nèi)容的互動(dòng)，創(chuàng)造體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)員通過(guò)視聽(tīng)感受、接收器振動(dòng)反饋等方式，在虛擬世界中學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)技能[4]，解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式單一的問(wèn)題。為了更好地提高實(shí)踐教學(xué)效率，必須使實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)實(shí)操課程中的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)及實(shí)訓(xùn)模式3大板塊。

1.1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容改革

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)包括結(jié)構(gòu)展示、拆裝訓(xùn)練和常見(jiàn)故障排除。其中，結(jié)構(gòu)展示主要依據(jù)現(xiàn)實(shí)工程環(huán)境創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景，并加入具體機(jī)械結(jié)構(gòu)，如進(jìn)排氣系統(tǒng)和曲軸連桿機(jī)構(gòu)。施訓(xùn)者可以在課前將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容發(fā)布于平臺(tái)供受訓(xùn)者預(yù)習(xí)，以提高受訓(xùn)者對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)和維護(hù)保養(yǎng)工作的重視程度，同時(shí)提高正式課堂的學(xué)習(xí)效率。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝訓(xùn)練和常見(jiàn)故障排除要求受訓(xùn)者具備很強(qiáng)的三維空間感，科學(xué)分類(lèi)受訓(xùn)者發(fā)現(xiàn)的具體現(xiàn)象，快速判斷問(wèn)題故障產(chǎn)生的原因，并結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)深入分析，制定精準(zhǔn)檢查、調(diào)整、修理的方案進(jìn)行合理操作。在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，拆裝和常見(jiàn)故障排除等訓(xùn)練不僅存在占用場(chǎng)地面積大、設(shè)備投入大、人員視聽(tīng)效果不佳問(wèn)題，而且在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中可能會(huì)存在人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)[5]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)地教學(xué)的不足，而且可以通過(guò)模擬三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程和交互操作提高教學(xué)效率。為了提高虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用效率，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于拆裝和故障排除訓(xùn)練，相關(guān)人員需要通過(guò)解釋實(shí)驗(yàn)操作步驟，增加受訓(xùn)者交互性操作講解，以保證每個(gè)受訓(xùn)者都能掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，受訓(xùn)者若有不明白的地方，可以隨時(shí)進(jìn)行回放學(xué)習(xí)。

1.2 實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)改革

實(shí)踐訓(xùn)練是對(duì)理論教學(xué)的補(bǔ)充，因此實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)必須加強(qiáng)理論與實(shí)踐聯(lián)系。為適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)需求，適配現(xiàn)代化教學(xué)模式，緊跟國(guó)家現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，必須強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)員掌握專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，不斷更新操作要領(lǐng)，以滿(mǎn)足新時(shí)代現(xiàn)實(shí)裝備的發(fā)展要求。設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須以實(shí)際操作場(chǎng)景為背景。根據(jù)當(dāng)前學(xué)員信息技術(shù)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，在搭建虛擬教育平臺(tái)時(shí)，教師可以接收部分學(xué)員的反饋，并根據(jù)受訓(xùn)者日常操作情況，探索柴油機(jī)維護(hù)維修的優(yōu)化方向，從而更新柴油機(jī)維護(hù)維修技能。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，教師更多地充當(dāng)設(shè)計(jì)和建模的角色，把新型教育理念落實(shí)到實(shí)踐中。具體工作中，學(xué)員積極參與不僅有利于培養(yǎng)學(xué)員腳踏實(shí)地做事的能力，增強(qiáng)因參與教育過(guò)程而引發(fā)的自豪感和成就感，而且能夠培養(yǎng)學(xué)員的責(zé)任意識(shí)，提高理論與實(shí)踐能力、教學(xué)效果和日后工作的積極性。記錄和展示學(xué)習(xí)成果時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以將教科書(shū)或操作手冊(cè)轉(zhuǎn)化為三維動(dòng)畫(huà)和語(yǔ)音，使學(xué)員以小組為單位，通過(guò)合作練習(xí)，在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中完成各項(xiàng)任務(wù)的動(dòng)作步驟，待操作完畢后保存操作流程動(dòng)畫(huà)并上傳自己的作業(yè)。這種教學(xué)方式有助于在傳統(tǒng)教育模式下擺脫書(shū)籍范例，鼓勵(lì)學(xué)員在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行獨(dú)立全面的思考，進(jìn)而提高受訓(xùn)者對(duì)知識(shí)的理解。

1.3 實(shí)操模式改革

實(shí)操教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)員實(shí)踐技能的重要途徑，是理論到實(shí)踐的過(guò)渡。一般教育培訓(xùn)可以安排的實(shí)際操作時(shí)間有限，而柴油機(jī)的操作教學(xué)練習(xí)過(guò)程較復(fù)雜。例如，拆卸和組裝需要幾個(gè)小時(shí)，且實(shí)地教學(xué)體驗(yàn)較差，容易出現(xiàn)教學(xué)效果不佳的情況。針對(duì)以上情況，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立柴油機(jī)虛擬訓(xùn)練平臺(tái)，選取柴油機(jī)主要部件作為觀測(cè)對(duì)象，可以通過(guò)透視、剖分等方式進(jìn)行觀測(cè)，且在觀測(cè)過(guò)程中可選擇主要部件中的具體零部件，然后將該零件突出顯示，方便相關(guān)人員觀測(cè)，同時(shí)可伴隨語(yǔ)音介紹和文字說(shuō)明。柴油機(jī)自身工作原理復(fù)雜，理解難度大，發(fā)生異?；蛘吖收系钠鹨蚨喾N多樣，因此需詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)際使用場(chǎng)景中柴油機(jī)的各項(xiàng)拆裝、保養(yǎng)、維修等。在虛擬環(huán)境中，運(yùn)用聲音、圖像、儀表指示以及操作失敗等方式，提示受訓(xùn)者柴油機(jī)組成部分出現(xiàn)故障，以便針對(duì)相應(yīng)的故障現(xiàn)象選擇正確的故障診斷方法進(jìn)行故障排除。例如，當(dāng)機(jī)油不足、冷卻液不足、柴油壓力不足時(shí)，都會(huì)發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常、機(jī)身抖動(dòng)或者難以啟動(dòng)的情況；柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣的顏色不同可以表明柴油機(jī)的發(fā)生故障部位及其嚴(yán)重程度，由此判斷機(jī)體是否漏油、漏氣以及漏水，實(shí)操流程如圖2所示。受訓(xùn)者在課堂上既可以學(xué)習(xí)理論知識(shí)，又可以參與實(shí)際操作，學(xué)習(xí)效果佳，又可節(jié)約訓(xùn)練時(shí)間。

2 實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系改革

課程評(píng)價(jià)體系是溝通教學(xué)過(guò)程與培訓(xùn)成果的重要橋梁，是由大量相互聯(lián)系、相互依存的評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的一個(gè)復(fù)雜、完整系統(tǒng)。虛擬訓(xùn)練從訓(xùn)練準(zhǔn)備到訓(xùn)練進(jìn)行，到最終的任務(wù)結(jié)束，每個(gè)環(huán)節(jié)都直接影響訓(xùn)練效果。訓(xùn)練效果又直觀反映虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的使用價(jià)值，直接影響受訓(xùn)者查缺補(bǔ)漏和課程設(shè)計(jì)。因此，需要尋找一種科學(xué)有效的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，既符合訓(xùn)練需要，又對(duì)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)有強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的考核體系對(duì)學(xué)員的實(shí)際操作難度大，消耗了大量時(shí)間精力。文章在介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種面向課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新技能評(píng)估體系，如圖3所示。首先，在受訓(xùn)者每一訓(xùn)練階段，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的操作任務(wù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)自主選擇結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。與練習(xí)時(shí)相比，去掉拆裝步驟提示，解除機(jī)械約束，可以自由操作但需要限時(shí)完成。核實(shí)對(duì)受訓(xùn)者對(duì)應(yīng)的操作步驟是否正確，每個(gè)動(dòng)作設(shè)置相應(yīng)分?jǐn)?shù)，操作錯(cuò)誤則扣分，并根據(jù)操作動(dòng)作完成情況和完成時(shí)間按點(diǎn)打分，給出成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，查看學(xué)員的掌握程度，錄制并提交操作流程動(dòng)畫(huà)。其次，在實(shí)踐教學(xué)結(jié)束后，利用約一個(gè)課時(shí)的時(shí)間，通過(guò)理論考核方式檢驗(yàn)受訓(xùn)者理論知識(shí)的接受程度。試題結(jié)構(gòu)以選擇題、問(wèn)答題為主，內(nèi)容主要包括零件及維修工具名稱(chēng)，以及拆裝、保養(yǎng)、維修等各類(lèi)操作步驟等。最后，整理提交操作過(guò)程的虛擬動(dòng)畫(huà)，并組織受訓(xùn)者以匯報(bào)的形式分析操作中遇到的問(wèn)題和相應(yīng)的解決方式。其中，匯報(bào)內(nèi)容必須包括分析故障發(fā)生的核心原因和關(guān)鍵操作步驟，還有針對(duì)此故障事后需進(jìn)行相應(yīng)保養(yǎng)重點(diǎn)、保養(yǎng)頻率時(shí)長(zhǎng)的計(jì)劃。該評(píng)價(jià)體系的主要特點(diǎn)是考查受訓(xùn)者的理論基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐操作能力及敘述總結(jié)能力。通過(guò)該評(píng)價(jià)體系模擬受訓(xùn)者在真實(shí)場(chǎng)景中需要面對(duì)的環(huán)境和條件，檢查理論操作和實(shí)際操作的缺陷，并有針對(duì)性地提高受訓(xùn)者能力來(lái)完成整個(gè)任務(wù)的操作，掌握柴油機(jī)常見(jiàn)的保養(yǎng)和故障處理策略，有效解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為背景，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐操作為教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，針對(duì)現(xiàn)階段教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)中柴油機(jī)實(shí)踐課程教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足，結(jié)合操作手冊(cè)和工程保障訓(xùn)練實(shí)際，提出利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，靈活利用培訓(xùn)體系平臺(tái)資源，改進(jìn)教育教學(xué)模式內(nèi)容。從結(jié)構(gòu)展示、拆裝訓(xùn)練、考核評(píng)價(jià)等出發(fā)，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)、訓(xùn)練模式3個(gè)方面對(duì)柴油機(jī)實(shí)踐教學(xué)和評(píng)價(jià)體系進(jìn)行改革，并為制作科目設(shè)置全面、內(nèi)容規(guī)劃合理的柴油機(jī)虛擬訓(xùn)練教學(xué)提供建議，幫助受訓(xùn)者更好地掌握柴油機(jī)的性能參數(shù)，熟悉柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，掌握柴油機(jī)的調(diào)整保養(yǎng)維修手段等訓(xùn)練內(nèi)容，從而提高教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的教育水平，培養(yǎng)具有更高素質(zhì)的柴油機(jī)維護(hù)維修人才隊(duì)伍。