虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程教學(xué)實(shí)踐探索

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車輛工程專業(yè)是培養(yǎng)車輛領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、制造和性能研究的高級(jí)工程技術(shù)人才，需要深入了解車輛總體構(gòu)造、各系統(tǒng)和總成的結(jié)構(gòu)和工作原理。車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類型繁多，各個(gè)系統(tǒng)、總成和部件的結(jié)構(gòu)不同，大體包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和車身及儀表等附屬裝置。“車輛構(gòu)造”課程是理論課與實(shí)驗(yàn)課分開的，教室里借助多媒體進(jìn)行理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)室里借助教學(xué)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，這種理論課與實(shí)驗(yàn)課分開的傳統(tǒng)教學(xué)方法是孤立的，“車輛構(gòu)造”的講解是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分離的，學(xué)生參與度和融入度不高，理解不深入，從而不能系統(tǒng)全面地掌握車輛結(jié)構(gòu)和工作原理。虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程教學(xué)通過(guò)日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的教學(xué)儀器設(shè)備，將理論課與實(shí)驗(yàn)課融為一體，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在靜止、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中深入淺出地闡述車輛各系統(tǒng)、總成和部件的基本構(gòu)造和工作原理，以及整體功能、各系統(tǒng)和組成部件之間結(jié)構(gòu)和功能的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)用性強(qiáng)，有利于學(xué)生全面深入地學(xué)習(xí)車輛基本構(gòu)造和工作原理。

一、虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程的組成

虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程教學(xué)不再將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分開，而是將理論課與實(shí)驗(yàn)課融合為一體，一體化主要包括教學(xué)硬件和軟件一體化，教學(xué)硬件主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、底盤綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、計(jì)算機(jī)和傳感器等硬件設(shè)備，其中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)用來(lái)講解發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造和工作原理，主要包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)等。底盤綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要用來(lái)講解傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造和工作原理。計(jì)算機(jī)包括教師機(jī)和學(xué)生機(jī)，教師機(jī)、學(xué)生機(jī)和各類實(shí)驗(yàn)臺(tái)均具有無(wú)線信號(hào)接收與發(fā)射功能。軟件主要是與上述發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、底盤綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)等硬件設(shè)備通訊與控制的計(jì)算機(jī)程序，以及教師機(jī)和學(xué)生機(jī)上安裝的軟件程序，它可以分層、多級(jí)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)中發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等各系統(tǒng)總成的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行狀態(tài)，并且可以實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等各種實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行。

二、虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程的應(yīng)用

在“車輛構(gòu)造”課程虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化系統(tǒng)中，教師機(jī)的管理層級(jí)高，可以實(shí)時(shí)控制學(xué)生機(jī)各種功能的開放。首先，當(dāng)進(jìn)行“車輛構(gòu)造”教學(xué)時(shí)，開放學(xué)生機(jī)學(xué)習(xí)功能，此時(shí)學(xué)生機(jī)只能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示教師機(jī)的講授內(nèi)容。例如講解發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造里曲柄連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，教師機(jī)與學(xué)生機(jī)同時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)造，教師機(jī)邊講解邊將發(fā)動(dòng)機(jī)由外部到內(nèi)部進(jìn)行逐級(jí)分解，讓學(xué)生既看到曲柄連桿機(jī)構(gòu)整體構(gòu)造，又進(jìn)一步展示了局部細(xì)節(jié)構(gòu)造，如連桿小頭、連桿襯套、活塞銷、活塞的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系等，連桿大頭、軸瓦、曲軸結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系等，多道氣環(huán)、油環(huán)等活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)、安裝缺口位置等與發(fā)動(dòng)機(jī)性能密切相關(guān)的構(gòu)造知識(shí)。其次，整體構(gòu)造與局部細(xì)節(jié)內(nèi)容講過(guò)以后，將學(xué)生機(jī)切換為演示功能，此時(shí)學(xué)生機(jī)只能演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)，不能控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。此功能下，學(xué)生機(jī)上高清顯示與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維立體虛擬模型，并且實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)各總成、部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)等，該三維立體虛擬模型可以進(jìn)行比例放大與縮小，從而更好地動(dòng)態(tài)展示車輛運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各部件的局部細(xì)節(jié)和整體構(gòu)造。例如切換為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)演示功能，講解柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)的組成，首先可以演示機(jī)械控制柴油噴射系統(tǒng)和電控共軌柴油噴射系統(tǒng)的總體構(gòu)成、各組成部件的結(jié)構(gòu)、供油、噴油過(guò)程及其工作原理。當(dāng)計(jì)算機(jī)上改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和三維立體模型的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)改變，噴油泵的轉(zhuǎn)速隨之改變，進(jìn)行比例放大，發(fā)現(xiàn)噴油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的定時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)。在機(jī)械控制柴油噴射系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，噴油泵的供油壓力和噴油器的噴油壓力隨之改變，直接影響燃油的噴射和霧化；在電控共軌柴油噴射系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，噴油器的噴油壓力不發(fā)生改變，燃油噴射與霧化與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)；引發(fā)學(xué)生思考兩種柴油噴射系統(tǒng)的構(gòu)造與性能的異同。最后，將學(xué)生機(jī)切換為實(shí)驗(yàn)臺(tái)順序?qū)嶒?yàn)功能，此時(shí)學(xué)生機(jī)按學(xué)號(hào)順序控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生機(jī)上均呈現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、底盤綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)等三維立體虛擬模型，每一個(gè)學(xué)生按順序依次單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和三維立體模型同時(shí)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)指令，一個(gè)學(xué)生機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他學(xué)生機(jī)實(shí)時(shí)演示他的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)參與度和融入度高。

三、虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程的主要特點(diǎn)

1.課程教學(xué)效果好。它摒棄了傳統(tǒng)“車輛構(gòu)造”實(shí)驗(yàn)課由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地限制，只能分組實(shí)驗(yàn)，部分學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、部分學(xué)生觀望的模式；一體化“車輛構(gòu)造”課程使每一個(gè)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在靜止、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中學(xué)習(xí)車輛總體構(gòu)造、各系統(tǒng)和總成的結(jié)構(gòu)和工作原理，深入理解整體構(gòu)造、具體細(xì)節(jié)、各系統(tǒng)和總成的功能等，學(xué)生即親臨其境觀摩，又避免出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，教師可以針對(duì)每一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo)。

2.安全性好。它采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生坐在控制室即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)時(shí)每一個(gè)學(xué)生按順序單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師和其他學(xué)生都在計(jì)算機(jī)上監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生不安全操作時(shí)，計(jì)算機(jī)程序會(huì)報(bào)警并停止操作。摒棄了傳統(tǒng)“車輛構(gòu)造”實(shí)驗(yàn)課實(shí)行分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師講解完畢后，幾組學(xué)生圍著實(shí)驗(yàn)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模式，杜絕了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中指導(dǎo)教師難以觀察到每個(gè)學(xué)生的實(shí)習(xí)操作的情況，避免了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)混亂，不安全操作和安全事故的發(fā)生。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞小。車輛的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試儀器相對(duì)比較昂貴，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生錯(cuò)誤操作，很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)臺(tái)和測(cè)試儀器的損壞，維修困難且費(fèi)用高。一體化“車輛構(gòu)造”課程實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)出錯(cuò)誤操作指令時(shí)，計(jì)算機(jī)程序能夠報(bào)警并屏蔽該指令，直到學(xué)生修正錯(cuò)誤指令后才執(zhí)行操作，避免直接實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作時(shí)可能發(fā)生的設(shè)備事故和安全事故。

綜上所述，虛擬與現(xiàn)實(shí)一體化“車輛構(gòu)造”課程教學(xué)通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和教學(xué)儀器設(shè)備，將理論課與實(shí)驗(yàn)課融為一體，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度、融入度，使學(xué)生系統(tǒng)全面地掌握車輛總體構(gòu)造、各系統(tǒng)和總成的結(jié)構(gòu)和工作原理，將來(lái)更好地從事車輛產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、制造和性能研究，同時(shí)，也需要在今后的實(shí)際教學(xué)中進(jìn)一步研究、探討和開發(fā)教學(xué)方法，使教學(xué)質(zhì)量進(jìn)一步提升。