虛擬現實技術應用于發動機拆裝實訓的探索與實踐
——以北京汽車技師學院為例

北京汽車技師學院 楊遠滿

在產教融合的大背景下，我校與北京奔馳有限公司合作辦學，設立了奔馳定向班，在培養奔馳定向班學生的過程中注重奔馳發動機裝配的訓練，以便更快適應工作崗位。在我國技工類院校或中高職類院校，發動機拆裝實訓是汽車維修專業或汽車制造與裝配等相關汽車類專業的必修課。目前，我國各類院校用于發動機拆裝實訓的多是汽油發動機，零件眾多，結構復雜。采用虛擬現實技術，可以將發動機拆裝過程構建為一個虛擬拆裝系統。學生可以先通過該虛擬系統學習和練習拆裝過程，再拆裝發動機實物。將虛擬現實技術應用到教學領域，是對教學模式的一種改革，不僅可以提升教學質量，還可以提高學生的學習積極性，降低事故隱患。

1 虛擬發動機拆裝平臺建設背景

1.1 發動機拆裝實訓中存在的問題

（1）拆裝設備數量少，難以滿足學生實操需求。以北京汽車技師學院為例，學校用于拆裝實訓的發動機只有40余臺SAAB發動機，奔馳生產線上奔馳發動機20余臺。相對于在汽車系參加發動機實訓的學生人數和培訓部組織的社會人員的數量，發動機的數量不能滿足需求。

（2）拆裝設備丟失、損壞率高。由于學生缺少足夠的實操技術，拆裝實訓過程中發動機零件和拆裝工具丟失、損壞率高。據北京汽車技師學院2018年全年不完全統計，汽車系實訓和培訓期間，發動機螺栓丟失、損壞現象嚴重，氣缸墊和氣環也有丟失、損壞的情況。拆裝工具中的套筒和活塞環拆裝器也出現了丟失和損壞。

（3）拆裝過程缺少有效監控，實訓效果難以保障。部分學生為了完成教師的作業要求被動拆裝實訓，存在應付心理，積極性不高，拆裝任務有時難以有效完成。例如，分小組練習拆裝發動機氣缸蓋時，存在拆卸時有的學生不拆氣缸墊，或者在裝配時漏裝氣缸墊。

（4）汽油發動機結構復雜，存在裝配不符合要求的現象。為了保證汽油機的正常工作，零件在拆卸和安裝的過程中有特殊要求。例如，進氣歧管和排氣歧管的安裝需要滿足平面度的要求，在拆卸和安裝時，進氣和排氣歧管上的固定螺栓都需要分2次～3次按正確順序拆卸和安裝。在實訓前，教師會跟學生詳細講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務工單，讓學生嚴格按要求拆裝，但是在實際拆裝過程中仍然會出現“偷工減料”現象，學生不按步驟操作，拆裝步驟不符合規程，損壞工具或螺栓的現象時有發生。而汽油發動機上的零件數量都是成套配置的，如果在拆裝的過程中造成零件的丟失或損壞，就會造成發動機不能正常使用，導致實訓設備的浪費。所以讓學生養成良好的拆裝習慣尤為重要。

1.2 虛擬現實技術在課堂教學中應用的可行性

基于虛擬現實技術的模擬仿真教學具有獨有的浸沒感、交互性和想象性。虛擬現實技術早已成功應用于課堂教學，如卡羅萊納州立大學建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室；清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統，可以檢測發動機的基本運行參數；西北工業大學開發了航空發動機虛擬教學實驗系統；山東理工大學的車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學中心面向車輛工程、交通運輸和熱能與動力工程等專業的學生開設虛擬仿真實驗項目。

汽油發動機由2個機構5個系統組成，如圖1所示，發動機結構復雜，零件繁多，適合采用虛擬現實技術將發動機拆裝過程可視化、立體化、體驗化。

2 虛擬現實技術在發動機拆裝中的應用

2.1 虛擬現實技術在發動機拆裝實訓教學中的應用

北京汽車技師學院以奔馳M274發動機為原型，制作了發動機拆裝與檢測虛擬現實教學中心（圖2）。該軟件按奔馳發動機的結構分為多個獨立的學習模塊，包括冷卻系統、進排氣系統、配氣機構、增壓系統、起動系統、曲柄連桿機構、潤滑系統、燃油供給系統和點火系統等。

圖2 發動機拆裝與檢測虛擬現實教學中心（截屏）

學生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發動機軟件后進入發動機拆裝虛擬環境。然后點擊待學習的機構或系統，進入到相應的學習模塊，觀察相關設備的具體結構，并按照設定的操作規程分步進行拆裝。我們以點火系統里的點火線圈的拆裝為例，研究虛擬現實技術在發動機拆裝中的應用。

用VR手柄點擊點火系統，在彈出的面板中選擇火花塞的拆卸，進入火花塞的拆卸場景。場景中隨即出現一個提示板，給出拆卸火花塞的提示，同時場景中還有工具車、工具箱和工具，如圖3所示。

學生手持VR手柄，靠近氣缸蓋，氣缸蓋上的4個火花塞其中一個會相應變成紅色，將VR手柄靠近紅色的火花塞并按下手柄，火花塞被取出。轉動VR手柄，可以觀察火花塞的各個面的結構。然后，按既定的正確順序依次取出其他各缸的火花塞，并將取出的火花塞整齊地擺放在旁邊的桌面上，如圖4所示。

2.2 虛擬現實技術在發動機拆裝學生競賽中的應用

圖3 虛擬場景中的工具箱和工具

圖4 取出火花塞并將火花塞擺放在桌面上

目前，學院采用虛擬現實技術進行發動機拆裝已經應用于在校學生競賽中。競賽分為兩種形式，一是虛擬現實操作競賽，即學生使用虛擬現實設備，虛擬現實中的一個模塊或多個模塊為比賽內容，教師根據學生完成比賽內容用時長短來評判，用時最短者獲勝；二是通過虛擬現實拆裝系統中發動機的某個模塊與發動機實物某個模塊的拆裝相結合，比賽分為虛擬現實操作和實物拆裝操作兩部分，學生按要求進行操作并計時，教師根據學生完成任務質量和用時長短來進行評判，最終以兩項成績最優者獲勝，如圖5所示。通過競賽，教師可以了解學生對發動機拆裝技術的掌握程度和熟練度。

圖5 學生參加發動機拆裝競賽

3 虛擬現實技術在發動機拆裝中的應用價值

3.1 提高學生學習興趣，解決教學中“觀”與“摹”的問題

中高職院校或技工院校的學生處于青少年時期，喜歡虛擬現實技術帶來的全新的體驗感，能激發學生的好奇心和求知欲，提高學生學習興趣。同時虛擬現實還解決了職業院校師生比例偏小、學生人數偏多帶來的學生觀看教師操作困難、模擬操作不方便等問題。教師在虛擬現實中操作演示時，學生可以通過電子屏同視角觀看教師的操作，這樣學生更容易理解學習內容，更容易領會拆裝要領。教師操作演示完之后，會安排學生進行輪流操作（圖6），每個學生的操作過程都會被班里其他同學同視角看到，在這個循環往復的過程中，每一位學生都操作了一遍觀看了若干遍，學生在操作過程中出現的問題也會暴露在所有同學的視野中，其他同學可以幫助該學生解決問題。

3.2 提升學習效果，強化規范操作

虛擬現實中的環境是根據學校的實訓場地并模擬企業的工作環境科學設計的，學生可以在虛擬操作的過程中熟悉以后的工作環境。虛擬環境中除了有實操環境中配備的設施設備和拆裝工具，還配備了提示板，提示板會給出關鍵步驟的操作提示，初學者在提示板的幫助下可以獲得很好的自學效果。學生在不同學習模塊的練習過程中，可以發現自己的薄弱部分，有的放矢地進行針對性學習和訓練，從而提高學習效果。

圖6 學生在課堂上練習虛擬現實操作要領

在虛擬現實中拆裝發動機時，很多關鍵環節的拆卸或安裝順序是系統預先設置的，例如，氣缸蓋上的緊固螺栓、進氣和排氣歧管上的緊固螺栓、點火系統等。學生必須按照正確的提示步驟進行拆卸，否則操作將無法繼續進行，在這樣的訓練模式下會強化學生的規范拆裝思維和肌肉記憶，使學生在潛移默化中掌握正確的操作流程，形成良好的操作習慣，提高知識留存率。

3.2 降低了實訓設備損壞率

學生通過虛擬現實的實訓后，掌握了正確的拆裝方法和拆裝注意事項，再進行發動機各個模塊實體拆裝時，會大大降低因沒有掌握拆裝要領而導致實訓設備設施損壞的現象，從而可以有效降低發動機零部件的丟失和損壞率，提高實訓設備的使用效率。

3.3 對技工類專業具有較大的推廣價值

虛擬現實技術適用于機械類拆裝實訓的教學。不同型號發動機的基本結構類似，基于這一點，數字化資源可以在大多數技工類學校不同專業的課堂教學中適用。同時軟件資源可復制，傳播方便，還可以不斷完善升級，是學校的一筆無形資產，對提升學校的信息化教學水平和技術競爭力大有裨益。另外，虛擬現實技術在發動機拆裝中的應用使發動機實物拆裝的頻率降低，相對于購置造價高昂的發動機，可以在一定程度上降低教學成本。