虛擬實驗技術在中職汽修教學中的應用

徐朝松

摘 要：虛擬實驗技術可以提供一種實物和模型的環境，向學習者提供一種最具真實感的學習模式。它讓學習者擁有一個“自主學習”的環境，通過自身與信息環境的相互作用來得到知識和技能。本文通過分析虛擬實驗技術在中職汽修教學中應用的必要性和實際應用效果得出結論：虛擬實驗技術在中職汽修專業教學中的應用，從汽車駕駛、構造、維修、裝配以及汽車檢測等各方面進行模擬，緩解或解決了現行汽修專業教學中實訓設備更新過快，成本過大、場地限制明顯等實際問題。

關鍵詞：虛擬實驗技術 中職汽修 教學 應用

一、國內外研究現狀

從20世紀90年代起，世界上很多高等院校對虛擬實驗技術開展了研究，如美國的麻省理工學院（MIT）建立了一個名叫BOLIO的測試環境，用于進行不同圖形仿真技術的實驗。利用這一環境，MIT建立了一個虛擬環境下的對象運動跟蹤系統；英國的Linda大學醫學中心以數據手套為工具，將手的運動實時地在計算機上用圖形表示出來，還首創了VR兒科治療法；德國的Ruhr大學開發的虛擬自動化實驗室，是一個關于控制工程的學習系統，具有直觀形象的三維實驗場景視覺效果，實現了對虛擬自動化實驗的交互式操作。

我國在虛擬實驗研究方面起步較晚，但是發展速度較快。中國科技大學、同濟大學已經根據自身教學需求建立了虛擬實驗室，并專門構建了虛擬仿真開放共享平臺，以實現教學資源的共享。在汽車相關領域，北京科技大學的虛擬實驗室，成功開發出了純交互式汽車模擬駕駛培訓系統。通過計算機產生汽車行駛過程中的虛擬視景、音響效果和運動仿真，駕駛員沉浸到虛擬駕駛環境中，并有實車駕駛的感覺。

二、汽車專業教學中存在的問題

1.汽修設備更新換代較快、學校難以支撐其換代費用

隨著高科技時代的來臨，汽車的發展日新月異。汽修專業的設備和儀器儀表更新速度加快，使用周期縮短，同時設備和儀器儀表價格不菲，學校經濟層面難以支撐，導致無法及時換代，日積月累實驗實訓的教學設備和實際企業應用的情況脫節，難以跟上時代的步伐。

2.場地限制較為突出、不能大范圍的布置實訓室

汽修實訓設備往往體積較大，占地范圍也同樣如此，且同樣設備由于費用和實際場地條件限制，也不能大范圍地購置。這樣會導致教師在實際示范過程中不能顧及到大部分或全部的學生，教學開展有一定的局限性。

3.對實體實訓設備的不熟悉，常常造成意外危險和設備損壞

在實訓設備初次或前幾次的使用過程中，由于學生乃至教師對設備的了解和熟悉缺乏一定的經驗積累過程，沒有經過必要的“養成訓練”，常常出現學生受到一定的意外傷害或者實訓設備受損害和破壞的情況。

三、運用虛擬實驗技術在汽修教學中應用的必要性

1.促進教學改革，改變教學方式

基于虛擬實驗技術的教學，突破傳統教育的時間和空間限制，使學生擁有自主學習的環境，擴大學生的學習空間，增強學生的想象力；從傳統單一的師生交互環境，轉變到師生、人機、生生多個交互系統的有機環境；教學過程中教師作為引導者與組織者，學生作為主導者與參與者，教師啟發引導、學生自我學習與相互交流討論等教學方式能夠全面體現與實施。

2.激發學生熱情，提高教學效率

基于虛擬實驗技術的教學，擺脫了傳統書本教學和普通多媒體演示的教學模式。它能夠模擬真實場景，讓學生在虛擬環境中身臨其境地進行虛擬訓練，還可以提供各種基于專業知識和技能的教學游戲。這樣可使原本枯燥乏味的理論知識和難于操作的實操變得有趣，有利于學生在人機交互過程中產生強烈的學習欲望，激發學習熱情，提高教學效率。

3.合理配置成本，拓寬教學知識面

傳統汽車實訓室往往需要很大的場地與投資，建立一套虛擬實驗室的投資要小得多；虛擬實驗技術在使用過程中，材料消耗低，設備可靠性高，維修概率小，學生安全性高；還可將一些危險性高、開展難度大的項目采用虛擬實驗技術進行，比如訓練各類檢測設備的操作方法、各種故障診斷與排除的技巧等，既解決了某些現實中無法開展的難題，又保證了安全。

四、虛擬實驗技術與傳統教學的相互關系

1.虛擬實驗技術對傳統教學的影響

傳統的教學以教師講課為主，學生聽課為輔，教師講什么學生學什么，教師主宰整個課堂，導致學生被動地學習。久而久之，學生固定了思維，創新能力無法得到有效提高。虛擬實驗利用先進的計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及傳感器技術等，使它生成的視覺環境是立體的、音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此虛擬實驗技術將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，創造使學生陶醉在流連忘返的學習之中的環境。

2.虛擬實驗技術對教學手段的影響

互動啟發式教學，通過好像身臨其境、自主控制的人和機器的交互，給學生提供諸如視、聽、嗅、觸等各種直觀而又自然的實時感知交互手段、最大限度地方便學生的操作，從而提高學生的學習效率；發現式教學，教師要根據虛擬實驗教學創設適當的問題情境，鼓勵學生發現汽車拆裝與維修的規律和問題解決的途徑，使他們經歷知識形成的過程；協同工作式教學，虛擬實驗教學不受地域和距離的影響，可使不同地域或者區域的師生共處于一個虛擬的網絡空間中，通過師生的共同參與，相互協作來完成汽車拆裝、檢測和維修項目的實操訓練。

3.虛擬實驗仿真軟件與傳統教學的有機結合

虛擬實驗背景下產生的仿真軟件教學是具有綜合作用的教育手段，學生置身于仿真環境中，可以充分調動感覺，運動和思維，極大地提高了學習效率。提倡虛擬實驗教學，并不是完全否定傳統的課堂教學，傳統的課堂教學也有自身的優勢，如知識傳授的完整性、教學過程中的師生互動性等。兩者的有效結合，優勢互補，形成實踐中有效可行的信息化教學。

五、虛擬實驗技術在汽修專業教學中的應用舉例

1.虛擬駕駛是虛擬實驗技術在汽車駕駛員培訓中的應用

虛擬駕駛不僅可以模擬道路環境如各類建筑、橋梁、隧道、水域、植被綠化、車輛、行人、交通標志等，還能模擬各種天氣環境如早晨、中午、黃昏，大霧、下雨、下雪等。虛擬駕駛系統的圖形部分隨著駕駛的過程由計算機不斷實時變化，虛擬駕駛系統的方向盤、油門、離合器、剎車、檔位和真車一致。另外，三維圖、錯擋行駛熄火、方向盤啟動時微震、力回饋和位移等路感信息的模擬，讓駕駛學員有了真車訓練的感覺。用虛擬駕駛系統對學員進行交通、駕駛知識的訓練和駕駛技能的鍛煉能有效減少學員的培訓時間，有效幫助學員提高駕駛熟練程度，有效降低學員駕駛初期的恐懼性，從而減小交通事故發生的概率。

2.虛擬汽車保養是虛擬實驗技術在汽車維護與保養課程中的具體應用

以“豐田4萬公里保養”為例，利用虛擬實驗技術創建一仿真軟件，其主要內容包括舉升位置模塊、記錄工單和資料查詢等。學生可以根據自身情況任意選擇一個模塊進行學習。其中“記錄工單”選項記錄學生操作過的項目，當學生做了一個保養項目，記錄工單就會在相應項目上進行記錄。通過這些記錄，學生可以一目了然地從中知道哪些項目做了，哪些項目沒有做，哪些項目做對了，哪些項目做錯了。另外，“資料查詢”選項是學生進行保養的操作規程和依據。當學生不會某一項保養項目時，他可以點擊“資料查詢”進行相應步驟的學習和查閱。學生通過在虛擬汽車保養的反復訓練，再到實車中進行實踐，能有效解決學生盲目操作、無從下手的問題，提高學生操作的安全性和學習效率。

3.虛擬拆裝是虛擬實驗技術在汽車各總成拆實踐教學中的應用

如進行“AJR發動機汽缸蓋拆裝”實踐操作時，學生在虛擬環境下，首先正確選擇拆裝時所需要的工量具，并放入工具車，然后利用虛擬實驗技術對發動機汽缸蓋的10顆螺栓進行虛擬的拆卸與裝配，最后電腦通過對拆卸和裝配的步驟分析，工藝流程的判斷，形成結果性的評價。學生通過反復虛擬訓練，不斷發現自身存在的問題，針對問題反復改進操作方法，優化拆裝步驟，逐步提高裝配效率，大大降低教學成本。

4.虛擬汽車故障是虛擬實驗技術在汽車故障診斷與排除課程中的應用

如學習“電子控制汽油噴射系統電路故障診斷與排除”內容時，利用虛擬實驗技術開發一逼真的電子控制汽油噴射系統的控制電路并設置故障點。學生在進行故障診斷時，可以根據三維的電路圖，更加直觀地查找故障點，然后根據故障點在虛擬環境中進行故障的診斷與排除，使電子控制汽油噴射系統恢復正常。虛擬實驗技術可以對所有部件的特定部位設置故障點。通過反復練習，學生可獲得豐富的維修經驗。由于虛擬的故障訓練系統無任何危險，學生可以任意進行探索性操作，可提高學生的創造性。

5.汽車虛擬試驗系統是虛擬實驗技術在汽車檢測技術教學中的應用

利用虛擬實驗技術在虛擬的場景或者試驗環境中建立好試驗汽車模型，學生根據試驗模擬的汽車參數輸入相應的指令，計算機對該汽車試驗模型進行運動學、動力學等方面的綜合分析，通過分析在虛擬試驗環境中重現汽車試驗過程，從而得到該車的各項性能參數，進而根據參數進行評價和修正模型參數，以達到理想效果。學生通過不斷重復該過程，最終使汽車獲得最優性能。

六、現實與展望

目前，虛擬實驗技術應用在汽修專業的教學中能有效緩解教學資源緊缺問題，能避免學生在實驗、實操訓練中所帶來的各種危險，有利于啟迪學生思維，豐富學生想象力，有利于學生創新能力、協作能力的培養等。當然，虛擬實驗教學可以作為實物實踐教學的有益補充，但不能完全替代實物實踐教學。汽修專業虛擬實驗教學應根據不同實訓的特點確定虛擬教學實訓系統的設計思想和仿真工具，并在虛擬實驗教學前后加入實物實踐教學，使兩者相輔相成，相互促進。虛擬實驗技術對于教學而言確實非常地有必要，不僅增強了虛擬仿真效果，更讓教學變得生動有趣。相信在未來的虛擬技術教學中，汽車虛擬實驗技術將會運用到所需要的各個領域。

參考文獻：

[1]劉振華.虛擬實驗技術在教育領域的應用研究[J].濱州職業學院學報，2006（8）.

[2]周廷美，吳云.虛擬實驗在汽車外形設計中的實現[J].汽車工程，2001（3）.

[3]李晶晶.以就業為導向構建汽車專業實踐教學體系[J].長江工程職業技術學院學報，2011（2）.

[作者單位：桐鄉技師學院（籌）]