基于虛擬現實技術汽車實訓學習平臺的應用

汪立亮姚東偉

（1.鳳凰出版傳媒集團職教中心，江蘇南京 210009；2.揚州工業職業技術學院，江蘇揚州 225101）

基于虛擬現實技術汽車實訓學習平臺的應用

汪立亮1姚東偉2

（1.鳳凰出版傳媒集團職教中心，江蘇南京 210009；2.揚州工業職業技術學院，江蘇揚州 225101）

通過網絡和計算機技術的虛擬現實技術是教學信息化有效手段，通過該技術能夠實現教學全過程學生身臨其境進行知識學習、技能訓練和技術創新等。汽車實訓操作平臺是基于VR虛擬仿真技術開發的系統，應用于現代汽車職業教育實訓教學具有突出的特點和優勢。通過虛擬演示物體自由落體慢過程，形象直觀的顯示物體重力大小、方向以及速度的變化過程，使學生容易理解地球引力和加速度概念。

虛擬實現技術 職業教育 實訓 應用實踐

運用計算機技術進行教育學習，傳統模式是人和計算機視為兩個獨立的個體，通過界面進行信息交換，就是使用者把設計要求或信息指令輸入計算機，計算機作出動作顯現反饋，而虛擬現實（Virtual Reality）是把現實中存在的或并不存在的事物和場景，通過運用計算機軟件，可以將使用者和計算機虛擬實現一個整體，通過三維立體空間和圖像工具實現信息可視化，把使用者置身于通過三維空間模擬出一個逼真的計算機環境中自由地使用各種指令信息，整個過程由計算機按照仿真軟件進行控制。

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality），涵蓋計算機圖形（CG）應用技術、仿真技術、人機交互技術、顯示技術、傳感器技術、人工智能和網絡運行處理技術等領域內容，通過計算機通過仿真軟件生成逼真的三維空間，可以通過傳感器捕捉到使用者的信息，立即進行高速運算，運算結果轉化成精確的3D世界影像傳出，使用者在虛擬空間實現視、聽、嗅等感官感覺和完成肢體動作，自然地對虛擬世界進行體驗和互動，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。

2 虛擬現實技術在教育中的應用

在現代信息化學習方式和手段中，虛擬現實技術特別是基于網絡的虛擬現實技術（Web3D）有著廣泛的作用和影響，尤其在虛擬教學和仿真實驗，以及信息化平臺等方面的應用具有廣泛性。虛擬現實技術能夠為師生提供生動而逼真的計算機學習環境，師生都可成為虛擬環境中的參與者，并且每個人可以在虛擬環境中扮演不同的角色，這有力的調動參與者的學習積極性和能動性，對學習中的重點和難點容易掌握，并且對培養和訓練技能都將起到積極有效的作用，并且可以降低成本和消耗。

虛擬現實技術在教學過程中主要三個方面的應用。（1）知識學習。知識學習是利用虛擬現實系統學生學習課程知識。其一，虛擬系統可以仿真出實際生活中不容易甚至無法觀察到的自然中事物的變化過程和現象，學生通過虛擬系統可以觀察、感受甚至參與整個生動和逼真過程，學習和了解知識，輕易解決學習中的知識重點難點。譬如：地理課程學習，通過虛擬現實系統，可以學生帶到不同的地理環境，領略那里的自然風光，了解地理變化過程和特點等；物理知識學習，利用虛擬現實技術，可以展現各種物理變化過程，剖析變化原理，比如展示如原子核裂變、磁場感應和光纖傳送信息等物理現象，讓學生在觀察和感受中學習掌握知識等。其二，通過虛擬系統可以使抽象的概念和理論，能夠直觀化和形象化展現給學生，便于學生對抽象概念的理解。例如，學習地球引力重力加速度概念，通過虛擬演示物體自由落體慢過程，形象直觀的顯示物體重力大小、方向以及速度的變化過程，使學生容易理解地球引力和加速度概念。（2）探索學習。虛擬現實技術可以虛擬學生學習過程中所提出的各種假設，通過虛擬系統學生便可直觀逼真地觀察假設所產生的結果產生的過程或效果。譬如：在學習分子鏈時，學生可以創新學習，大膽的按照自己的假設，將不同的分子組合新的物質，通過這種探索式的學習方式，不僅學生可能創新研究出新的物質，而且有利于激發學生的學習的能動性和創造性思維，培養學生的創新能力。（3）虛擬實驗。利用虛擬現實技術，可以建立各種虛擬實驗室或實訓室。譬如：在虛擬的化學實驗室里，可以觀察化學反應的慢過程，模擬做一些具有危險性的燃燒和爆炸等反應現象；在汽車實訓室汽車虛擬4S店里，可以動態體驗學習汽車銷售流程和規范的業務接待，業務辦理等；在醫學解剖實驗實訓室，可以虛擬人體解剖過程，觀察人體局部器官新陳代謝和生理反應等。

3 基于VR虛擬仿真技術的汽車實訓平臺的應用

3.1 平臺建設背景

近年來，國家大力發展職業教育，已成為國家人才發展戰略，近十年來特別是高等職業教育蓬勃發展，規模不斷擴大質量不斷提高，但大多院校也出現辦學資金緊缺，“雙師型”專業老師數量不足，培養模式與手段有待改革和創新等問題，特別是職業教育的實驗實訓條件，是職業教育核心教學現場和條件，需要大力校內建設或是校企合作，這些制約了職業教育內涵建設和轉型發展。一般學校現有的條件下，受到實驗設備投資限制，大型實驗設備的操作實驗不容易實現、裝配工藝流程的教學講解抽象難以理解。即使學校有能力建設這樣的實驗室，其設備維護的費用也相當驚人，利用虛擬現實技術，建設虛擬實驗實訓室，節約建設成本，節約基礎建設空間，降低實驗實訓維護和消耗，提高實驗實訓效果和安全性，有效地解決場地、資金、管理和消耗等在建設實驗實訓中的矛盾。

3.2 汽車虛擬培訓平臺系統

該系統基于VR虛擬仿真技術的汽車實訓平臺的開發以培養汽車維修的優秀人才為目的而研發的汽車實訓操作平臺。

該系統基于“創壹Web3D虛擬現實三維互動教學平臺”運行的網絡虛擬實驗3D環境，采用虛擬現實技術制作汽車主體及其部件，并具有逼真3D互動虛擬實驗、3D動畫演示、聲音與相關原理文字自動同步顯示、3D汽車模型或其部件模型任意方向旋轉及視點變換的功能。能夠實現大量并行用戶快速下載及構建渲染動態3D場景，確保用戶與3D場景互動的即時性，所有部件都可360度全方位觀看，具有直觀立體，真實互動的效果。

該系統的主要功能涵蓋：汽車結構解析、總成和零部件拆裝工藝、總成和系統工作原理動畫實現、虛擬故障現象和診斷排除等，用戶不僅可以動手對汽車產品進行虛擬仿真操作，了解汽車每個細節，熟悉汽車工作原理，而且還可以進入“汽車故障診斷”進行多種情況下不同部件的機械及電路故障排除模擬操作，從而能夠積累實踐經驗，也可為汽車企業減少了不少培訓成本。

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汽車虛擬培訓平臺系統包括了汽車駕駛、汽車結構與拆裝、汽車的修理、汽車故障診斷等，其中包含了大眾（德系）、別克（美系）、豐田（日系）。分為教學、實訓、考核三個模式，通過教學模式學習，就可以在實訓模式進行設備拆卸和虛擬實驗故障排除等各種操作，具有很強自主性；考核模式當教師編輯并派發了考試試卷后，對應學員登錄后就會出現考試內容，并可實時記錄保存，自動評分，使教師輕輕松松便可實現“無紙化”考試管理。

3.3 汽車虛擬培訓平臺系統性能指標

該平臺系統是一套針對高校、職業院?；蚪逃嘤枡C構開發的快捷、可擴展性3D仿真汽修教學平臺，系統采用B/S架構，整合Web3D仿真、Com組件、PHP動態網頁、AJAX輕量交互等最新技術，基于Apache+MySQL高性價比解決方案。

在現在高等教育，逐步向信息化、互動性教學轉型的過程中，該平臺系統已包括以下數據安全與快速響應技術，通過可視化Web3DEditor三維仿真建模軟件，讓高校擺脫其它專業領域技術應用與整合的束縛，專注于自身優勢教學內容改進與擴充，以能快速的構建自己精品課程、仿真互動課程整合平臺，提高新教學內容的使用率及教學方式轉型，突破傳統教學模式的地域限制和時間限制，又不失傳統的教學方式身臨其境的效果。該平臺系統采用C++、PHP、Javascript等主流語言程序開發，最后全部通過打包加密后再利用編譯程序進行系統優化，這樣大大加快了系統整體運行速度。支持的數據庫為：大型的關系型數據庫，如SQL Server， Oracel，MySQL等。本系統在運行過程中學員操作的3D動畫的動作是通過TCP/IP 協議發送給服務器端程序的，而該系統中的 TCP/IP 協議采取的是UDP 用戶數據包模式，這樣就保證了數據不會輕易的丟失與延遲。

（1）3D汽修模型及智能控制動畫，實現智能虛擬互動隨意拆裝，并能自動判斷拆裝操作的正確性；（2）3D模型數據量小運行速度快（如一個發動機包括所有零部件在內的逼真3D模型數據量小于1MB）。（3）3D汽修智能虛擬電路檢測；（4）3D汽修智能虛擬故障排除；（5）在虛擬汽修培訓系統中實現128位隨機加密；（6）動態3D場景傳送；（7）動態場景渲染；（8）分布式3D數據庫自動分區平衡各數據庫負荷技術；（9）能夠實現大量并行用戶快速下載；（10）構建渲染動態3D場景確保用戶與3D場景互動的即時性。

［1］常鶴暉.基于VR虛擬仿真技術的汽車專業課程建設［J］.中國教育信息化，2014（18）.

［2］吳伯英，吳瓊.虛擬現實技術在教育教學中的應用［J］.科技成果縱橫，2007（2）.