虛擬仿真教學(xué)在職技高師“汽車構(gòu)造”教學(xué)中的應(yīng)用探究

王宏志

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長春 130052）

近年來，伴隨著科技的飛速發(fā)展，我國的汽車工業(yè)也步入了高速發(fā)展期。2016年，我國汽車產(chǎn)銷總量創(chuàng)歷史新高［1］。目前，我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)是使我國由汽車制造大國逐步轉(zhuǎn)為汽車制造強國［2］，而實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素是培養(yǎng)出具有較強創(chuàng)新意識和專業(yè)實踐能力的專業(yè)技能型人才。高等職業(yè)師范院校（職技高師）作為培養(yǎng)職教師資人才的主陣地，承擔(dān)著“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才”［3］以及“培養(yǎng)能夠勝任中等職業(yè)學(xué)校教育教學(xué)和管理工作的高素質(zhì)‘雙師型’職教師資”等重任。

為了培養(yǎng)出汽車相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用型高技能人才，職技高師的車輛工程和汽車服務(wù)工程等專業(yè)以“汽車構(gòu)造”課程為起點，培養(yǎng)能夠勝任汽車產(chǎn)品及零部件的設(shè)計、制造、裝配、操作和調(diào)試等崗位的專業(yè)人才。由于車輛工程和汽車服務(wù)工程等相關(guān)專業(yè)可進(jìn)入的行業(yè)范圍廣，涉及的汽車種類眾多，這就要求汽車類相關(guān)專業(yè)學(xué)生需掌握的相關(guān)技能也很多，如正在大力推行的1＋X證書考核機制。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生很難掌握所有的知識點，尤其是實踐操作技能的學(xué)習(xí)，所以專業(yè)課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革勢在必行。

一、“汽車構(gòu)造”課程教學(xué)現(xiàn)狀

作為車輛工程與汽車服務(wù)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，“汽車構(gòu)造”課程極其重要。學(xué)生對該課程的掌握程度直接影響本專業(yè)學(xué)生對后續(xù)課程及實踐技能的學(xué)習(xí)和掌握［4］。

“汽車構(gòu)造”課程具有以下特點：一是課程內(nèi)容豐富，知識點眾多?！捌嚇?gòu)造”的主要內(nèi)容包含了發(fā)動機的兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)、底盤的四大系統(tǒng)以及車身結(jié)構(gòu)、儀表、照明等附屬裝置，最新版本的教材還融入了新能源汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車與車載網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。二是汽車各機構(gòu)（系統(tǒng)）的工作原理不盡相同，無形中就增加了學(xué)生理解和掌握的難度。例如，凸輪機構(gòu)和四桿機構(gòu)分別為配氣機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)的工作原理；而對于底盤的傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)而言，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型眾多，各個系統(tǒng)或總成部件的結(jié)構(gòu)形式不盡相同，所依據(jù)的工作原理亦各不同，有效的教學(xué)是力求學(xué)生能夠深入而系統(tǒng)地掌握汽車結(jié)構(gòu)的一般規(guī)律，以取得舉一反三、觸類旁通的效果，這就增加了教師授課的難度，同時增加了學(xué)生對“汽車構(gòu)造”這門課程的學(xué)習(xí)難度。三是汽車整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成汽車的零部件繁多。無論是何品牌的汽車，都是由成千上萬個具有不同功能和不同尺寸的零部件組成的，從而導(dǎo)致汽車各個機構(gòu)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。以發(fā)動機的點火系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的點火系統(tǒng)主要由電源（蓄電池和發(fā)電機）、點火開關(guān)、點火線圈、附加電阻、電容器、斷電器、配電器、高壓導(dǎo)線、高壓阻尼電阻和火花塞等組成；而電子點火系統(tǒng)又在此基礎(chǔ)上增加了晶體管、傳感器、控制器等；微機控制點火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)則更為復(fù)雜，僅對于有分電器的微機控制點火系統(tǒng)的三大組成部分中的信號發(fā)生器（傳感器）來說，其組成機構(gòu)就高達(dá)八種之多，此外還有微機控制器（ECU）和點火執(zhí)行器等，結(jié)構(gòu)也頗為繁多。

由于“汽車構(gòu)造”課程的特殊性，導(dǎo)致其實踐課需要開設(shè)的項目也較多，這就增加了實踐課程的難度。由于汽車品牌繁多，不同品牌或是同一品牌不同型號的汽車零部件存在很多的差異，所以需要為實踐課準(zhǔn)備的教學(xué)設(shè)備較多，價格昂貴，大大增加了教學(xué)成本；實驗教師缺乏，演示性的實踐設(shè)備短缺，每次實踐課、容納的學(xué)生人數(shù)有限，這都增加了實踐教學(xué)的難度、影響了實踐教學(xué)的效果；由于受教學(xué)設(shè)備數(shù)量的限制，“汽車構(gòu)造”課程開設(shè)的綜合性實驗也很難達(dá)到預(yù)期的效果，難于滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，不能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

作為汽車專業(yè)的基礎(chǔ)理論知識與實操作能力之間連接紐帶的“汽車構(gòu)造拆裝”實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要，實訓(xùn)的效果會直接影響學(xué)生對汽車的結(jié)構(gòu)、組裝及維修等內(nèi)容的理解與掌握。在實訓(xùn)過程中，由于受設(shè)備數(shù)量及場地等因素的限制，也很難達(dá)到預(yù)期的效果。在對汽車零部件的拆卸及組裝過程中，由于實訓(xùn)教師的缺乏以及學(xué)生動手能力的參差不齊會在不同程度上導(dǎo)致教學(xué)設(shè)備的損壞，從而影響實訓(xùn)效果，并導(dǎo)致設(shè)備破損率的增加，造成一定的經(jīng)濟損失。

“汽車構(gòu)造”理實一體化教學(xué)的宗旨就是為了使學(xué)生能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識與實踐操作技能相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的效果，如果教學(xué)效果不好，勢必會影響對學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)。

二、虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢

虛擬仿真教學(xué)是通過計算機來運行仿真軟件，將真實的教學(xué)場景在計算機中展現(xiàn)出來，使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)過程。這種教學(xué)方法能夠生動形象地模擬真實的教學(xué)場景，使學(xué)生有身臨其境的真實感，能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能夠更加形象且深刻地掌握相關(guān)的知識，充分發(fā)揮自身的創(chuàng)造力［5］。

將三維虛擬仿真技術(shù)與理論教學(xué)、實驗教學(xué)以及實訓(xùn)教學(xué)有機結(jié)合，能夠有效彌補教學(xué)過程中設(shè)備短缺的問題，并且能夠提高教學(xué)過程的直觀性和可操作性，降低教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量。

理實一體課程中引入虛擬仿真教學(xué)，能夠通過計算機軟件對各種汽車零部件進(jìn)行三維模擬操作，從而彌補教學(xué)條件的不足，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，使教師能夠出色地完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)，還可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，保證教學(xué)質(zhì)量。

三、虛擬仿真教學(xué)在“汽車構(gòu)造”課程中的探索

在“汽車構(gòu)造”課程的教學(xué)過程中，虛擬仿真技術(shù)可以通過計算機軟件對各種模型及運動進(jìn)行模擬操作（如構(gòu)件的拆裝等），使學(xué)生先在虛擬的環(huán)境中完成實踐技能的演練學(xué)習(xí)，之后在條件允許的情況下再對實物或教學(xué)設(shè)備進(jìn)行拆裝等，可以收到事半功倍的效果。

第一，為了將虛擬仿真教學(xué)與“汽車構(gòu)造”課程進(jìn)行更好的結(jié)合，需要從職技高師車輛工程、汽車服務(wù)工程等專業(yè)的教學(xué)實際情況出發(fā)，通過對“汽車構(gòu)造”課程的分析與研究，尋找適合本校相關(guān)專業(yè)的仿真軟件，根據(jù)人才培養(yǎng)方案及教學(xué)大綱的內(nèi)容建立“汽車構(gòu)造”課程中主要車型、主要零部件的虛擬仿真動畫及視頻，制定虛擬仿真教學(xué)的具體方案，探尋出適合本校相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)方案。

第二，在“汽車構(gòu)造”課程中，如汽車發(fā)動機中的連桿、曲軸機構(gòu)以及傳動系統(tǒng)等內(nèi)容都是比較難于理解和掌握的內(nèi)容，為了提高教學(xué)效果、提升學(xué)生的實操能力，就可以通過虛擬仿真教學(xué)軟件對相關(guān)車型、相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行運動和裝配的仿真訓(xùn)練，以提高教學(xué)效果、改善教學(xué)條件、降低教學(xué)成本、減少耗材的使用。以汽車制動系統(tǒng)中的鼓式制動器為例，可以讓學(xué)生在虛擬仿真軟件平臺上建立三維實體模型并進(jìn)行裝配，同時，學(xué)生也可以在相應(yīng)的仿真軟件平臺上對鼓式制動器進(jìn)行分解和拆卸，使學(xué)生能夠更加直觀地了解并掌握鼓式制動器的制動底板、摩擦襯片、制動蹄、制動鼓等各零部件之間的相對位置及運動方式。

第三，在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，僅僅通過板書及PPT課件演示講解汽車上各個機構(gòu)、各個系統(tǒng)中的各個部件的工作原理及運動方法，學(xué)生在理解和掌握上存在一定的困難，會影響學(xué)習(xí)效果及學(xué)習(xí)興趣?？梢酝ㄟ^虛擬仿真教學(xué)，利用虛擬仿真軟件對汽車零部件的工作原理及運動方式進(jìn)行模擬，將其在三維空間中展現(xiàn)出來，使學(xué)生更容易理解。如以汽車發(fā)動機為例，可以通過虛擬仿真平臺對發(fā)動機的兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)的各個部件建立三維模型后對其進(jìn)行裝配、拆裝仿真模擬訓(xùn)練，在學(xué)生掌握了相關(guān)的知識及技能后，再到臺架上進(jìn)行實訓(xùn)，能使學(xué)生克服“不會干、不想干”的意識，而變得“想要干、想干好”，取得了很好的教學(xué)效果，大大提高了學(xué)生的動手能力，從而使學(xué)生牢固地掌握了相關(guān)知識。

四、在“汽車構(gòu)造”課程中引入虛擬仿真教學(xué)的意義

（一）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力

通過“汽車構(gòu)造”理論教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)的有機結(jié)合，授課教師可以根據(jù)已有的實物教具結(jié)合虛擬仿真軟件完成汽車各零部件的結(jié)構(gòu)及其工作原理的相關(guān)教學(xué)。在教學(xué)過程中，既有原始的理論教學(xué)的基礎(chǔ)概念教學(xué)，又有直觀形象的汽車零部件結(jié)構(gòu)和工作原理的教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強了學(xué)生對基本概念及汽車零部件結(jié)構(gòu)及工作原理的理解和掌握，能使學(xué)生具有強烈的學(xué)習(xí)動力。

（二）提高教學(xué)過程的有效性

現(xiàn)有的實驗教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)、理實一體化教學(xué)都可與虛擬仿真教學(xué)相互補充、緊密關(guān)聯(lián)，經(jīng)濟高效。

第一，在實驗、實訓(xùn)、理實一體化教學(xué)過程中，對于已有教具的教學(xué)，學(xué)生一方面可以通過對教具的認(rèn)真觀察來理解其結(jié)構(gòu)及工作原理，另一方面，學(xué)生可以通過虛擬仿真教學(xué)對理論課和實驗課中的內(nèi)容進(jìn)行補充，使學(xué)生能夠?qū)︻愃茩C構(gòu)（系統(tǒng)）中的零部件進(jìn)行深入探究。

第二，在“汽車構(gòu)造”課程的拆裝實訓(xùn)及綜合設(shè)計性試驗教學(xué)過程中，學(xué)生可以通過虛擬仿真軟件進(jìn)行汽車零部件的虛擬拆裝及綜合性設(shè)計實驗，并且可以對此過程進(jìn)行反復(fù)操作，從而提高學(xué)生的實際操作能力。另外，虛擬仿真實驗還可以避免由于學(xué)生對操作過程不熟而造成的汽車零部件的損壞、丟失及安裝錯誤等問題，從而降低了教學(xué)成本。

第三，虛擬仿真教學(xué)不受時間、地點和場地等客觀因素的限制。在實驗過程中，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，在寢室、教室等地點即可完成相關(guān)的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，而不必非得去實驗（實訓(xùn)）室；學(xué)生還可以根據(jù)自己的學(xué)時時間的安排，進(jìn)行反復(fù)的練習(xí)而不受實驗（實訓(xùn)）室開放時間的限制。虛擬仿真教學(xué)在很大程度上解決了理論教學(xué)中時間及場地限制等問題，在提高學(xué)生完成實驗、實訓(xùn)的準(zhǔn)確性、速度和完成度的同時提高了教學(xué)效果。從長遠(yuǎn)角度看，虛擬仿真教學(xué)不僅可以提高學(xué)生的實操水平，還可以節(jié)約實驗（實訓(xùn)）的資金投入［6］。

（三）提升教學(xué)管理的科學(xué)性

在虛擬仿真教學(xué)過程中，授課教師不僅可以對學(xué)生、班級進(jìn)行管理，還可以對整個虛擬仿真實驗進(jìn)行整體控制；授課教師在虛擬仿真實驗過程中，可以任意添加或刪除視頻、案例、學(xué)生及訓(xùn)練題目；授課教師還可以通過相關(guān)模塊對整個實驗進(jìn)行控制并能夠直觀地看到學(xué)生對實驗的完成程度及相關(guān)得分。

五、結(jié)語

“汽車構(gòu)造”課程的理論教學(xué)，能使學(xué)生掌握汽車各個機構(gòu)（系統(tǒng)）的基礎(chǔ)知識，虛擬仿真訓(xùn)練后再加實物臺架的實操過程，能使學(xué)生通過實驗、實訓(xùn)及理實一體化教學(xué)來提高動手能力。這一教學(xué)進(jìn)程，使學(xué)生能夠把理論知識和實操知識相互結(jié)合與貫通，學(xué)生通過掌握的理論知識進(jìn)行實踐操作的同時，亦通過實踐操作加強了對理論知識的理解與掌握。

學(xué)生在完成實驗、實訓(xùn)及理實一體化學(xué)習(xí)前，先通過虛擬仿真實驗來完成汽車各零部件的結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)；通過虛擬仿真軟件對汽車各總成、各部件的動態(tài)演示來完成對汽車零部件工作原理的學(xué)習(xí)；學(xué)生還可以通過虛擬仿真軟件的模擬操作來完成對汽車零部件的拆卸及組裝。虛擬仿真訓(xùn)練大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠有效地將“汽車構(gòu)造”課程的理論教學(xué)與實踐教學(xué)進(jìn)行有機結(jié)合。將虛擬仿真教學(xué)引入到職技高師“汽車構(gòu)造”教學(xué)過程中，改善了傳統(tǒng)的教學(xué)手段，提高了教學(xué)質(zhì)量，同時加強了培養(yǎng)高技能型人才及“雙師型”職教師資的“質(zhì)”的保證。