信息化技術(shù)在高職汽車類專業(yè)教學中的應(yīng)用

王康俊，楊 騰

(山西水利職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城 044000)

0 引言

以山西水利職業(yè)技術(shù)學院新能源汽車檢測與維修技術(shù)專業(yè)教學為研究對象，該專業(yè)人才培養(yǎng)目標是為新能源汽車制造、售后服務(wù)行業(yè)培養(yǎng)具備扎實理論知識和實踐技能的應(yīng)用型技術(shù)技能型人才。在校期間實踐技能的掌握程度直接影響學生能否順利步入工作崗位，因此如何在現(xiàn)有教學條件下提升實踐教學效果和質(zhì)量變得至關(guān)重要。本文將分析信息化手段尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實訓(xùn)教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用實施及對課堂效果的提升和經(jīng)驗總結(jié)。

1 專業(yè)教學分析

山西水利職業(yè)技術(shù)學院新能源汽車檢測與維修技術(shù)專業(yè)自成立以來，連續(xù)兩年共招生200余人，對兩年來專業(yè)教學過程實施情況及不足分析總結(jié)如下。

1.1 師資分析

目前學院配備專職專業(yè)教師4名，只有1名為車輛工程專業(yè)，其余教師均為相近專業(yè)轉(zhuǎn)行教師。新能源汽車作為新興的綜合性產(chǎn)業(yè)，不僅要求教師具備傳統(tǒng)的機械車輛理論基礎(chǔ)知識，而且對電工電子、通訊、電池、控制學等學科要有認識和了解，因此對教師提出了更高的要求，教師都是通過自學或參加專業(yè)培訓(xùn)的方式來提高自身在新能源汽車專業(yè)方面的認知和水平，目前可基本滿足于理論教學。而實踐技能的提升渠道及條件則相對缺乏，實訓(xùn)教師的數(shù)量及實際操作能力已然成為短板，潛在影響學生技能培養(yǎng)。

1.2 學情分析

對學生在課堂活動中的表現(xiàn)等情況進行分析，第一學年在汽車機械基礎(chǔ)、新能源汽車概論、新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理等基礎(chǔ)課程中初始學習興趣濃厚，課堂氛圍相對活躍，隨著課堂教學的不斷深入，學生逐步脫離課堂，參與度明顯下降，教學質(zhì)量很難保證。第二學年專業(yè)核心課程新能源汽車驅(qū)動電機技術(shù)、動力電池管理及維護技術(shù)、純電動汽車故障與診斷教學中，學生對于理論知識的探索和需求的主動性直線下滑，分析原因是理論知識苦澀難于理解、高職學生的理論學習能力相對薄弱。相反，高職學生對于實踐教學環(huán)節(jié)更容易產(chǎn)生持久的興趣和學習動力，通常表現(xiàn)為積極踴躍進行實操練習，通過自身努力及團隊合作完成任務(wù)后具有獲得感和成就感，特別是在未知領(lǐng)域則會表現(xiàn)出強烈的求知和探索欲望。通常情況下學生會結(jié)合任務(wù)實施過程及經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)自身理論知識的欠缺，從而激發(fā)學習動力。

1.3 教學資源分析

教學資源方面主要分為軟資源和實訓(xùn)資源兩大類，軟資源包括教師的教學課件、動畫及微課等，軟資源可以滿足日常理論教學需求。實訓(xùn)資源配置一方面受限于場地，另一方面受限于高昂的設(shè)備費用，而且設(shè)備的更新?lián)Q代周期日益縮短，主要配置了電機拆卸臺架、高壓安全管理實驗臺、比亞迪E5純電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)調(diào)臺架各一套，實訓(xùn)室占地面積不足100 m2，只能滿足教學演示需求[1]。

1.4 教學現(xiàn)狀分析

基于以上師資、學情、教學資源配置等現(xiàn)狀，目前仍達不到理實一體化教學模式，并且在專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)凸顯出一系列問題。1)設(shè)備數(shù)量與學生比很低，45名學生的班級只有一套實訓(xùn)設(shè)備，每項任務(wù)最多需要3名同學配合完成，即15個小組輪流進行實踐操作將會消耗大量的時間，導(dǎo)致整個學期所能完成的任務(wù)很少；2)未配置實訓(xùn)指導(dǎo)教師，新能源汽車實操任務(wù)相比于傳統(tǒng)汽車危險系數(shù)高，實訓(xùn)教師需全程指導(dǎo)和監(jiān)督，避免安全事故發(fā)生，目前僅依靠一名教師管理和指導(dǎo)實踐環(huán)節(jié)，效率不高；3)在教學演示環(huán)節(jié)，受場地和設(shè)備數(shù)量限制，學生不能夠清晰獲取教師的講解和實操技能，導(dǎo)致同樣的案例需教師重復(fù)數(shù)次，無形中增加了教師的勞動強度；4)實訓(xùn)設(shè)備技術(shù)狀況落后于行業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致學生在校內(nèi)所學所見無法直接應(yīng)用于工作中，達不到從學校到工作崗位的無縫銜接。

綜合上述現(xiàn)實情況，學院目前教學方式及達成的效果距離人才培養(yǎng)目標仍有較大差距，新能源及汽修專業(yè)實訓(xùn)課程教學過程中需要提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生自主學習的習慣，強化學生技能操作能力，達到專業(yè)人才培養(yǎng)方案的目標，同時又要降低教師的工作負荷，減少安全隱患，提高課堂的整體效率。因此，引入先進的信息化教學手段刻不容緩。本文借鑒汽車研發(fā)過程中最常用到的三維模型及虛擬仿真技術(shù)，探索將其運用至實踐教學環(huán)節(jié)來改善課堂效果，彌補實訓(xùn)資源不足帶來的問題，從而使學生掌握更多的實操技能。

2 虛擬仿真技術(shù)教學實踐

虛擬仿真技術(shù)自20世紀80年代發(fā)展至今，憑借其實時的三維空間表現(xiàn)能力及人機交互的操作便攜性等特點應(yīng)被廣泛應(yīng)用于汽車研發(fā)、制造、服務(wù)等領(lǐng)域[2]。在高職汽修專業(yè)教學中也逐步出現(xiàn)了虛擬仿真的運用案例[3]，根據(jù)新能源汽修專業(yè)課程體系及培養(yǎng)需求，以純電動汽車動力系統(tǒng)故障診斷課程為載體，申請某公司開發(fā)的云立方虛擬實訓(xùn)軟件為工具，將其運用至實踐課教學環(huán)節(jié)進行教學改革研究[4]。

2.1 實施過程

該虛擬實訓(xùn)平臺中配置了純電動汽車動力系統(tǒng)虛擬故障診斷車(比亞迪E5)，適用于新能源汽車故障診斷實訓(xùn)教學，可對純電動汽車動力電池管理系統(tǒng)、交流充電系統(tǒng)、高壓互鎖、CAN通訊、驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)變壓器、主接觸器等進行故障設(shè)置，并匹配了診斷流程、電路圖及維修手冊等學習資料?；谔摂M實訓(xùn)平臺，教師可開展教學演示、任務(wù)管理及成績查看，學生主要完成教師發(fā)布的練習及考核任務(wù)，同時可以查看已完成任務(wù)的得分及扣分項目。

在教學實踐過程中，將虛擬實訓(xùn)平臺軟件安裝至學校公共機房電腦上，可以保證學生每人一臺電腦。首先由教師利用20 min在虛擬實訓(xùn)平臺中教學演示中講解純電動汽車故障診斷任務(wù)實施流程(圖1)：1)準備工作；2)部件位置；3)結(jié)構(gòu)認知；4)電路圖分析；5)診斷流程；6)收尾工作。

圖1 維修工單

其次，教師在任務(wù)管理中，選擇故障現(xiàn)象或故障點發(fā)布練習任務(wù)并設(shè)定時長30 min，由學生在各自電腦上進行故障診斷及排除練習，在練習任務(wù)中，學生可根據(jù)診斷需求切換視角，快速定位至零件視角、常用視角及駕駛室視角等。同時配備故障診斷儀(圖2)、萬用表及示波器等設(shè)備，學生可參考維修手冊及診斷流程按照維修工單完成故障診斷與排除。

圖2 虛擬故障診斷界面

遇到困惑時可請教教師或點擊軟件中的提示按鈕輔助其完成整個任務(wù)；學生練習完成后由教師發(fā)布考核任務(wù)并設(shè)定時長30 min，在考核任務(wù)中學生將不能參考診斷流程，須按照維修工單完成任務(wù)并提交；最后教師利用10 min時間總結(jié)學生在考核任務(wù)中的得分情況，重點強調(diào)易錯環(huán)節(jié)。整個教學實施過程既涵蓋了理論知識的講解，又將課堂主體轉(zhuǎn)移至學生，讓學生充分參與到課堂活動當中，實現(xiàn)了學生“學、練、考”與教師“教、評”的有機結(jié)合，同時學生可利用課后時間在虛擬實訓(xùn)平臺中進行練習和鞏固，為學生獲取知識和技能提供更多便捷性[5]。

2.2 效果分析

1)利用虛擬實訓(xùn)平臺能將純電動汽車動力系統(tǒng)故障診斷場景仿真與還原，學生在平臺中運用維修工具及設(shè)備，按照規(guī)范的診斷流程實施任務(wù)，彌補了實訓(xùn)設(shè)備配備不足的現(xiàn)狀，解決了以往10多名學生面對一臺實訓(xùn)設(shè)備的窘境。使學生真正變成實踐課堂的主角，有效提高了學生的課堂參與度。

2)虛擬實訓(xùn)平臺具備立體三維視圖效果，學生可任意切換至車輛各個視角，有助于查找零部件的安裝位置，同時通過操縱點火開關(guān)、制動及加速踏板，學生可模擬啟動和駕駛車輛，正是由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)最突出的交互性特點，使學生能沉浸在模擬的汽修環(huán)境中，增加了學生身臨其境的感受，從而激發(fā)學生的學習興趣，進而提升獲取知識和技能的主動性。

3)分析純電動汽車動力系統(tǒng)故障診斷的特點，在不破壞原車線束的情況下實際故障設(shè)置點以保險、繼電器為主，故障相對單調(diào)，而利用虛擬實訓(xùn)平臺不僅可以擴大故障設(shè)置范圍，包括保險、繼電器、線路及元器件，例如，單體電池欠壓導(dǎo)致車輛無法高壓上電的故障，而且故障設(shè)置便捷，不會對車輛造成影響。通過設(shè)置多樣化的故障點使學生體驗不同的故障現(xiàn)象，從而增加學生對不同故障的認知、積累豐富的診斷經(jīng)驗。

4)學生在進行新能源汽車故障診斷排查實操時，往往會出現(xiàn)因操作不當、工具設(shè)備使用錯誤引發(fā)的安全事故及車輛受損。而在虛擬實訓(xùn)平臺中可以有效規(guī)避此類現(xiàn)象發(fā)生，如學生未按規(guī)范操作，系統(tǒng)將會給出錯誤警告和提示。對于同一個故障，學生可反復(fù)多次進行操作和練習，以提升操作熟練性。同時配置了診斷流程、電路圖及維修手冊(圖3)可供學生參考，從而提高學生操作的安全性和效率。

圖3 維修手冊

5)在評價反饋方面，學生提交任務(wù)后虛擬實訓(xùn)平臺均可根據(jù)學生的操作情況及工單記錄自動進行評分，并以報告的方式展現(xiàn)。學生可查閱得分并發(fā)現(xiàn)自身操作不當?shù)木唧w項目，以便后續(xù)加強練習，如存在困惑問題可隨時通過虛擬平臺信息系統(tǒng)向教師請教，課后也可通過回看平臺上保留的操作視頻再次溫故知新；虛擬平臺可對學生的操作步驟進行記錄分析并反饋至學生，每個任務(wù)結(jié)束后給出得分，教師根據(jù)報表得分可直觀分析學生對任務(wù)的掌握情況，反思教學設(shè)計中重難點布置的合理性，為后續(xù)的教學研究提供數(shù)據(jù)支持。授課班級成績統(tǒng)計(表1)，學生個人任務(wù)成績統(tǒng)計(表2)。

表1 班級成績統(tǒng)計

表2 任務(wù)成績統(tǒng)計(個人)

6)將虛擬實訓(xùn)平臺應(yīng)用于專業(yè)課程實訓(xùn)教學中，經(jīng)對比平臺購置費用明顯低于實訓(xùn)車輛及設(shè)備費用且無需投入實訓(xùn)耗材，不僅能節(jié)約學院的經(jīng)費支出，而且減少了因車型更新?lián)Q代技術(shù)落后導(dǎo)致的二次費用投入，在平臺中進行車型升級即可[6]。

3 結(jié)語

學院在現(xiàn)有師資力量、設(shè)備經(jīng)費、實訓(xùn)條件及教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，防止人才培養(yǎng)與社會行業(yè)需求相脫節(jié)，隨著信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用至新能源汽修專業(yè)課程實訓(xùn)教學，正是推進職業(yè)院校“三教”改革的重要路徑之一，以專業(yè)人才培養(yǎng)目標為主線，旨在提升人才培養(yǎng)質(zhì)量、為社會輸入技術(shù)技能型人才。通過實踐研究，切身體會到學生的變化：1)學生由厭學棄學到如今的自主學習；2)教學模式的改革，由教師講授演示轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生自主實操；3)教材的變化，由課本變?yōu)榫S修手冊、工單、實車電路圖等；4)技能提升，在沒有競賽車輛的條件下指導(dǎo)學生獲得山西省十五屆職業(yè)院校技能競賽新能源汽車技術(shù)與服務(wù)賽項團體三等獎兩項。

總之，虛擬實訓(xùn)平臺的運用不僅改善了學生課堂參與度、豐富學生職業(yè)場景體驗感受、提升學生職業(yè)技能，而且能降低學院開支、保證實訓(xùn)教學活動的安全性及課堂效率，可以有效縮短教學時間并提高教學效率。促進教師更直觀、清晰地操作示范，輔助學生模擬操作降低實操失誤率，方便學生復(fù)盤操作流程，極大地提升課堂效率。同時又能協(xié)助教師對每個學生形成過程性評價，實時監(jiān)控學生在各學習階段的情況。未來學院將繼續(xù)探索，依據(jù)人才培養(yǎng)方案、課程標準將現(xiàn)有課程內(nèi)容和信息化教學手段有機融合，打造效率更高的課堂，推廣虛擬仿真技術(shù)在汽車拆裝、結(jié)構(gòu)認知等課程中的應(yīng)用，不斷拓展和改革教學模式，尋求有效提升學生實踐操作能力及教學質(zhì)量的方法路徑，為新能源汽車行業(yè)培養(yǎng)后備人才。

(04)