汽車維修虛擬仿真教學(xué)設(shè)計與策略

劉超平

摘 要：將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到汽車維修教學(xué)工作中，不僅能給教學(xué)帶來更好的學(xué)習(xí)體驗，而且可以解決技術(shù)學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備短缺、設(shè)備更新緩慢等現(xiàn)實問題。這有利于實現(xiàn)交互教學(xué)，提高教學(xué)的有效性，對改變傳統(tǒng)的汽車維修專業(yè)的教學(xué)模式有著很大的幫助。

關(guān)鍵詞：汽車維修 虛擬仿真教學(xué) 教學(xué)設(shè)計

一、引言

目前，我國業(yè)已成為世界上汽車生產(chǎn)和消費的大國，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動著行業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步。“互聯(lián)網(wǎng)+”和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等國家戰(zhàn)略的提出和汽車產(chǎn)業(yè)的繁榮，也對汽車維修技術(shù)人才提出了更高的要求。新時期汽車維修行業(yè)需要大批觀念新穎，技術(shù)進(jìn)步的專業(yè)維修技術(shù)人員。因此，技術(shù)學(xué)校與時俱進(jìn)不斷提高教學(xué)質(zhì)量，才能為社會輸出適合本地經(jīng)濟(jì)的新型技術(shù)技能人才。

隨著電控、網(wǎng)絡(luò)和新能源技術(shù)的發(fā)展，汽修行業(yè)的技術(shù)水平發(fā)生了較大的變化，因此，汽車維修教學(xué)也需要不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是可以創(chuàng)建一個虛擬世界的電腦應(yīng)用技術(shù)。它利用一些輸入輸出設(shè)備，讓使用者與虛擬環(huán)境的對象進(jìn)行交互，實時體驗和移動虛擬世界中的物體，讓人身臨其境。隨著三維虛擬技術(shù)的不斷完善，在汽車維修教學(xué)中加入三維虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性；又可以讓學(xué)生在實訓(xùn)過程中身臨其境反復(fù)操作，不用擔(dān)心消耗器材成本，是當(dāng)前理想的教學(xué)方式。教學(xué)設(shè)計是在教學(xué)理論與實踐之間起著橋梁的作用，決定著教學(xué)活動的方向和質(zhì)量。做好汽車維修虛擬仿真教學(xué)設(shè)計與策略是實現(xiàn)維修教學(xué)實效性的前提和保障。

二、汽車維修學(xué)習(xí)者的特征與需求

汽車維修技術(shù)專業(yè)學(xué)生較高職和高校學(xué)生而言，存在一定的學(xué)習(xí)惰性和厭學(xué)情緒。學(xué)習(xí)觀念淡漠，缺乏自信心和主動性。又學(xué)生大多文化基礎(chǔ)薄弱，年齡大多15、16歲，學(xué)習(xí)行為習(xí)慣較差。

汽車維修專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求存在于對學(xué)習(xí)狀況的期望與現(xiàn)狀之間的差距。通過調(diào)研了解到學(xué)生對虛擬仿真教學(xué)的需求，歸納出以下仿真教學(xué)系統(tǒng)需求指標(biāo)體系：（1）教學(xué)內(nèi)容方面，知識點明確突出，鏈接的其他學(xué)科知識自然而有連續(xù)性；（2）教學(xué)設(shè)計方面，教學(xué)目標(biāo)應(yīng)清晰準(zhǔn)確和規(guī)范，符合學(xué)生的認(rèn)知水平；教學(xué)策略設(shè)計先進(jìn)應(yīng)用得當(dāng)，能發(fā)揮教學(xué)應(yīng)用軟件的作用；教學(xué)交互性好，且操作簡便、有趣、效果好；（3）仿真效果方面，模型逼真、只做效果具有吸引力，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們的創(chuàng)新思維；（4）技術(shù)應(yīng)用方面，操作簡便、布局合理，容錯性強(qiáng)，無“死機(jī)”現(xiàn)象，符合視覺心理。

三、汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與策略

汽車維修虛擬仿真教學(xué)體統(tǒng)的設(shè)計包含了開發(fā)工具、開發(fā)流程以及系統(tǒng)總體框架及其功能等幾個主要方面的內(nèi)容。

1、開發(fā)工具

三維虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計師基于C3D-VLE.SDK虛擬仿真引擎技術(shù)、使用C++語言和VC6.0進(jìn)行二次開發(fā)。構(gòu)建汽車維修三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)結(jié)合了OpenGL技術(shù)，以實現(xiàn)人機(jī)交互的操作界面。

2、開發(fā)原則和流程

汽車維修虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計遵循兼顧“直觀性、交互性和共享性”的三大原則。開發(fā)流程主要包括了資料收集、創(chuàng)建3D模型以及交互功能的實現(xiàn)等三個階段。以齒輪條式轉(zhuǎn)向器教學(xué)為例：虛擬教學(xué)系統(tǒng)的搭建具體做法：首先使用照相機(jī)拍下系統(tǒng)部件照片為建模內(nèi)容尋找基本素材，豐富虛擬模型資源庫。然后，運用三維圖形技術(shù)，如使用 3Dsmax 三維造型軟件，構(gòu)建高逼真的汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)各組成部分實體的三維模型，并結(jié)合平面圖形軟件如 Photoshop CS6 制作模型貼圖材質(zhì)。3D模型創(chuàng)建界面和貼圖界面分別如下圖1，2所示：

根據(jù)現(xiàn)實中汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器零部件實物制作的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的虛擬三維模型構(gòu)包括：齒輪，齒條，防塵罩，左右橫拉桿，內(nèi)外球頭，壓緊裝置，控制閥等內(nèi)容。而教學(xué)資源系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)包含三維模型展示、對總成部件的拆卸組裝以及相關(guān)零配件的分解和組裝過程。鼠標(biāo)可以影響物體的位移和旋轉(zhuǎn)。3D模型創(chuàng)建完成以后需根據(jù)實際需求導(dǎo)出模型，為實現(xiàn)下一步的交互功能奠定基礎(chǔ)。在汽車維修虛擬教學(xué)系統(tǒng)中為了實現(xiàn)交互功能，利用 Visual C++和Open GL 來開發(fā)程序。通過鼠標(biāo)控制來實現(xiàn)交互功能。

在對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器教學(xué)過程中，需要對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行多方位的呈現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)、平移，以及放大和縮小等在設(shè)計中換成了齊次坐標(biāo)系下的矩陣控制，實現(xiàn)鼠標(biāo)的交互操作。實際開發(fā)的汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以在 Windows 7，windows8 等操作系統(tǒng)環(huán)境中運行，也可以在學(xué)校機(jī)房的系統(tǒng)和校園網(wǎng)中運行。仿真技術(shù)在汽車維修虛擬教學(xué)平臺、3D虛擬學(xué)習(xí)引擎、網(wǎng)絡(luò)通信引擎（TCP/IP協(xié)議：CST體系結(jié)構(gòu)）、以及實訓(xùn)教育資源庫中雙向應(yīng)用，能使學(xué)生更好的掌握齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的知識。

3、課程教學(xué)設(shè)計

開展以學(xué)習(xí)活動為中心的課程教學(xué)設(shè)計。具體包括以下幾個部分（以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器為例）：

教學(xué)任務(wù)：通過一系列的教學(xué)工具的使用，說出齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的作用、組成、功能和工作原理；會拆裝齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。

教學(xué)活動：首先，教師準(zhǔn)備教學(xué)材料、資料、課件和工具，然后清點學(xué)生人數(shù)檢查儀表，接著采用情景教學(xué)法、互動法、講授法等方法通過列舉汽車轉(zhuǎn)向器的作用和小故事的引領(lǐng)激發(fā)學(xué)生對汽車轉(zhuǎn)向系的興趣，進(jìn)而穿插介紹其構(gòu)造原理、組成元素、功能等（約20分鐘）引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，從而開始認(rèn)識轉(zhuǎn)向器。然后實施虛擬仿真教學(xué)依據(jù)以下步驟操作（1） 在電腦桌面上找到“汽車維修虛擬教學(xué)教學(xué)系統(tǒng)”（2）雙擊打開系統(tǒng)（3） 在左欄選擇要移動的模型（4）移動觀察模型（5）操作組裝（嘗試不同的組裝順序）寫出組合順序，學(xué)生根據(jù)所寫出的組合順序，制定出齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的拆裝等（約45分鐘）。之后，運用實物轉(zhuǎn)向器拆裝（180分鐘）學(xué)生分組進(jìn)行齒輪齒條轉(zhuǎn)向器拆裝練習(xí)，促其掌握正確拆裝步驟，正確選用工具匯報拆裝過程、心得，并進(jìn)行獎勵并指定該組匯報人進(jìn)行匯報。

教學(xué)模式：教學(xué)實訓(xùn)課程教學(xué)先通過上機(jī)操作，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，當(dāng)他們有了一定的認(rèn)知后，再回到實訓(xùn)車間拆裝實物。采用這種先虛擬后實操的教學(xué)模式，不但能減少零部件的損耗，而且能提高學(xué)習(xí)效率。

教學(xué)資源：汽車維修三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，文本、音頻或視頻動畫等基本素材以及理論試題庫構(gòu)成了豐富的虛擬仿真教學(xué)資源。

教學(xué)評價：每位同學(xué)獨立操作拆裝齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（限時15 分鐘）五位同學(xué)同時進(jìn)行，其余同學(xué)在旁邊觀看。采用小組成員自評；（占10%）組間成員互評。（占10%）老師給分評定。（占50%）

四、結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真教系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越普及。利用三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修專業(yè)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，這樣完全可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)習(xí)效果自然會好，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性得到發(fā)揮。同時，教學(xué)要圍繞技工院校汽車維修專業(yè)課程的要求來組織內(nèi)容，采用自主學(xué)習(xí)和游戲激趣等策略，才能積極引導(dǎo)學(xué)生獨立思考齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器各組成器件之間的關(guān)系和組裝結(jié)構(gòu)，掌握相應(yīng)知識，提高動手能力和安全意識。

參考文獻(xiàn)

[1]陳元欽.多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在汽車維修中的應(yīng)用探索[J].時代農(nóng)機(jī).2015.

[2]楊文.仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)中的應(yīng)用[J].2010.

[3]鄭軍龍.三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高職教學(xué)的研究[J].電子世界.2012.

[4]李紅波.一種針對汽車三維虛擬仿真系統(tǒng)的多線程渲染優(yōu)化方法.重慶郵電大學(xué)學(xué)報[J]2014.

[5]徐明.三維虛擬實驗教學(xué)資源管理平臺.實驗室研究與探索[J] 2013.endprint