虛擬仿真教學環(huán)境的混合式學習探索與實踐
——以“汽車構(gòu)造”課程為例

鄭彬

（攀枝花學院交通與汽車工程學院，四川 攀枝花 617000）

前言

針對強化應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)，以車輛工程專業(yè)的汽車構(gòu)造課程為出發(fā)點，其人才培養(yǎng)的目標是培養(yǎng)出面向生產(chǎn)、設(shè)計和管理等需要的高端應(yīng)用型人才。面向的工作崗位主要有汽車產(chǎn)品及零部件的設(shè)計、制造、裝配、操作和調(diào)試等，車輛工程行業(yè)范圍較大，所涉及的產(chǎn)品種類繁多，需要學生掌握很多技能。采用傳統(tǒng)教學方法，學生難以較好地掌握汽車構(gòu)造的眾多知識點，因此需探索新的教學方法。

郭烈[1]在汽車發(fā)動機原理課程中，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)開發(fā)了一套虛擬仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)了課堂與現(xiàn)場的有機融合、可視化環(huán)境下的師生互動，增加學生主動參與和實踐動手的機會，有效提高教學效果。業(yè)紅玲[2]針對應(yīng)用型本科院校對人才培養(yǎng)的要求，考慮到汽車構(gòu)造教學過程中的不足，采用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計汽車構(gòu)造課程教學系統(tǒng)，為學生提供課堂教學資源，有效地提高課堂教學質(zhì)量。張忠洋[3]根據(jù)新能源車輛工程專業(yè)重視學生的能力培養(yǎng)，運用虛擬仿真技術(shù)使學生深刻掌握理論和實踐操作知識。本文以攀枝花學院車輛工程專業(yè)汽車構(gòu)造課程教學存在的問題為出發(fā)點，詳細介紹了虛擬仿真教學環(huán)境的混合式學習模式的優(yōu)點及實踐方法，以提高車輛工程專業(yè)學生的培養(yǎng)質(zhì)量。

1 汽車構(gòu)造課程教學現(xiàn)狀

汽車構(gòu)造是車輛工程的重要基礎(chǔ)課程之一，學生對汽車構(gòu)造課程的掌握及理解程度，將直接影響后續(xù)專業(yè)課程的學習，如汽車理論、汽車動力裝置和汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)等[4]。汽車構(gòu)造課程主要講解汽車零部件結(jié)構(gòu)和工作原理，所涉及的課程內(nèi)容多而且廣泛。采用傳統(tǒng)的教學方法對汽車構(gòu)造進行課堂講解，學生難以較好地掌握該課程的知識，因此需探索新的教學方法。

汽車構(gòu)造課程具有以下特點。

（1）課程知識點多、內(nèi)容廣泛。車輛工程專業(yè)的汽車構(gòu)造分為汽車構(gòu)造1和汽車構(gòu)造2，其中汽車構(gòu)造1主要包括發(fā)動機工作原理、兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)；汽車構(gòu)造2為汽車底盤的四大系統(tǒng)。因此，汽車構(gòu)造課程的知識點多、內(nèi)容非常廣泛。

（2）工作原理各不相同。汽車構(gòu)造1中的曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)的工作原理分別為機械原理中的四桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)。汽車構(gòu)造2中的傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系又分別為機械原理中的輪系、差動輪系、蝸輪蝸桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)。各系統(tǒng)的組成和工作原理差異很大，增加了課程的學習難度。

（3）零部件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一輛汽車是由成千上萬個零部件組成，而每個零部件又具有不同外形尺寸和功能，因此導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以發(fā)動機的配氣機構(gòu)為例，主要包括凸輪軸、氣缸蓋、氣門、搖臂、推桿和挺柱等部件組成；又如發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主要包括機油泵、集濾器、油底殼、機油濾清器和溢流閥等部件[5]。

2 虛擬仿真教學在汽車構(gòu)造課程中的探索

虛擬仿真是指借助于計算機軟件技術(shù)，建立專業(yè)課程的各類三維模型、運動仿真視頻，讓學生在虛擬的情境下進行探究和學習。虛擬仿真可以和其他先進教學方法相結(jié)合，因此在車輛工程類課程的教學中，將虛擬仿真教學與其他教學方法相結(jié)合有助于提高課程教學效果，而且成本低、效率高，使學生可以不受場地與設(shè)備的限制，掌握更多的技能，在車輛工程類課程的教學中具有重要的意義。

虛擬仿真教學有利于提高學生興趣，使學生在較短時間內(nèi)進入相應(yīng)情境，真實的體驗在現(xiàn)實生活中進行操作的感覺，以達到更快掌握操作技能的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出多種動畫、視頻等，使學生掌握更多的操作技能。如汽車構(gòu)造實踐課程針對不同汽車零部件需要不同的實驗設(shè)備與實驗場地，而且實踐課程必須在實驗室進行。當采用虛擬仿真技術(shù)后，只需在計算機機房中安裝相應(yīng)的軟件，學生即可進行相關(guān)實驗。

基于車輛工程專業(yè)教學中的實際情況，探索出一系列切實可行的計算機虛擬仿真教學方案。通過調(diào)研，建立虛擬仿真教學模式，對汽車構(gòu)造課程的調(diào)查與分析，尋找合適的三維建模及運動仿真軟件，建立課程中重要零部件的動畫、視頻。制定具體的教學方案，通過理論分析和實際的課堂教學，探索出虛擬仿真在專業(yè)課程中的最佳應(yīng)用辦法。

因此，基于虛擬仿真技術(shù)，針對汽車構(gòu)造教材中較難理解內(nèi)容，如汽車曲軸、連桿和制動系統(tǒng)等，以常見車型為基礎(chǔ)，在測繪的基礎(chǔ)上，建立各自的三維模型并進行虛擬裝配和運動仿真。同時，在三維模型的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學生建立二維工程圖，以提高學生動手能力與實踐能力。采用虛擬仿真教學方法，相對傳統(tǒng)教學，有以下優(yōu)勢。

（1）將虛擬仿真技術(shù)與課堂教學更加緊密的結(jié)合起來，可較好地實現(xiàn)“教、學、做”一體化，改善現(xiàn)有課堂教學條件、提高課堂教學效果的同時減少設(shè)備消耗，尤其是耗材的使用量。以鼓式制動器為例，通過SolidWorks建模軟件平臺，建立三維模型并進行裝配，如圖1所示。

圖1 鼓式制動器三維模型

同時，也可以通過建模軟件平臺對裝配后的鼓式制動器進行分解，以使學生更清楚的理解制動鼓、摩擦襯片、制動蹄和制動底板等各零部件之間的相對位置及運動方式，如圖2所示。

（2）通過虛擬仿真，將教材上難以掌握的功能部件的工作原理、運動方式以三維動畫方式進行講解，使學生更容易接受。以汽車發(fā)動機為例，將發(fā)動機的各主要零部件建立三維模型并裝配后，可通過“運動算例”對其進行運行仿真如圖3所示。

圖2 鼓式制動器三維模型爆炸圖

圖3 汽車發(fā)動機運動仿真模型

3 混合式教學在汽車構(gòu)造課程中的實踐

混合式學習是指學生在“適當?shù)摹睍r間，通過“適當”的學習方法及手段與“學習”風格相吻合，從而獲得最優(yōu)化的學習效果的學習方式。我國于2003年引入“混合式教學”，經(jīng)過十余年的發(fā)展，當前已經(jīng)成為高校各類教學研究與教學改革的重要課題。

根據(jù)混合式學習的特點，攀枝花學院交通與汽車工程學院針對車輛工程專業(yè)的汽車構(gòu)造課程開展了混合式教學課程建設(shè)。汽車構(gòu)造屬于車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，主要包括汽車發(fā)動機及底盤兩大部分。而針對某些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，如對稱式錐齒輪差速器的組成較復(fù)雜且工作原理相對抽象，在傳統(tǒng)有限的教學時間內(nèi)可能達不到預(yù)期的教學目標。因此可通過混合式學習方法，讓學生利用“碎片時間”，如課間休息、排隊候車時通過混合式學習平臺對相關(guān)教學視頻、虛擬仿真動畫、微課、教學PPT等資源進行自主學習。一方面，學生可通過混合式學習平臺對課堂上的教學難點或重點進行多次、重復(fù)性學習直至掌握該教學難點或重點；另一方面，通過在混合式學習平臺上共享汽車零部件的三維模型、運動仿真視頻以提高學生對該課程的學習興趣，掌握在傳統(tǒng)課堂上難以理解的工作原理或運動方式，加強相關(guān)教學知識點的理解與掌握。

目前，《汽車構(gòu)造》混合式學習平臺主要包括以下四大模塊：

（1）單元學習。以模塊化方式進行學習，如：發(fā)動機的基本知識模塊、曲柄連桿機構(gòu)模塊、配氣機構(gòu)模塊、燃料供給系統(tǒng)模塊、冷卻模塊、潤滑模塊、傳動系統(tǒng)模塊、行駛系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模塊和制動系統(tǒng)模塊等。而每一模塊內(nèi)又包括：學習反思、分享、在線測試、課后自測和作業(yè)等子模塊。

（2）課程資源。該模塊主要以教學PPT為主，但該模塊的PPT比課堂教學時的PPT內(nèi)容更豐富。能夠引導(dǎo)學生有興趣有信心有效率的自主學習汽車構(gòu)造的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容。

（3）課程活動。課程活動模塊下設(shè)答疑討論、播課單元、課程問卷、常見問題、研究型教學和試題試卷庫等模塊。

（4）課后實踐。課后實踐模塊主要包括兩個子模塊：根據(jù)實踐教學對理論知識進行拓展與延伸；教師依據(jù)教學進度設(shè)置相關(guān)教學模塊的探究性實踐任務(wù)，如制動系統(tǒng)的發(fā)展新技術(shù)，如盤式與鼓式制動器相結(jié)合的盤鼓制動器等，通過課后實踐模塊，再次拓展學生對相關(guān)章節(jié)內(nèi)容的自主學習。

4 結(jié)論

學生是課堂的主體，在教學過程中更應(yīng)該考慮學生的學習需求，根據(jù)學生的反饋不斷改進教學方法。本文通過將虛擬仿真教學、混合式學習與應(yīng)用型人才能力等相結(jié)合，設(shè)計最合適的教學情境，在最大化的節(jié)約教學硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，將虛擬仿真與課堂教學有機結(jié)合，建立更多汽車構(gòu)造的教學動畫及視頻，以激發(fā)學生的學習興趣。