汽車檢測與維修虛擬仿真實驗教學資源建設

楊杰　孫丹楓　張麗娟　葛晶

摘 要：基于虛擬仿真技術在汽車檢測與維修技術專業實訓課程中的具體應用以及應用效果——通過構建虛擬仿真實驗平臺四大系統、結合VR技術，幫助我院汽車檢測與維修技術專業學生“沉浸式”進入教學情境，有效提升了教學質量，從而論證通過虛擬仿真技術與汽車檢測與維修技術專業教學的緊密結合，可以提供培養學生實踐能力和創新能力的平臺，帶來多方面、多層次的資源共享，對解決高職院校的汽車檢測與維修技術專業在教學中存在的問題具有現實意義。

關鍵詞：虛擬仿真 汽車檢測與維修 教學資源建設 虛實互補 資源共享

Construction of Teaching Resources for Virtual Simulation Experiment of Automobile Inspection and Maintenance

Yang Jie，Sun Danfeng，Zhang Lijuan，Ge Jing

Abstract：Based on the specific application and application effect of virtual simulation technology in the professional training courses of automobile inspection and maintenance technology， the article， through the construction of four systems of virtual simulation experiment platform， combined with VR technology， helps our college students of automobile inspection and maintenance technology enter the immersive teaching situation to effectively improve the quality of teaching， which demonstrates that the close integration of virtual simulation technology with the professional teaching of automobile inspection and maintenance technology can provide a platform for cultivating students' practical and innovative abilities， bring multiple aspects and levels of the sharing of resources， which is of practical significance for solving the problems existing in the teaching of automobile inspection and maintenance technology in higher vocational colleges.

Key words：virtual simulation， automobile inspection and maintenance， teaching resource construction， virtual and real complementation， resource sharing

2020年新冠肺炎疫情防控期間，全國各大學校為保障教學工作的正常開展，充分利用和發揮線上教學的優勢，做到了“停課不停學、離校不離教”。在線上教學中，多種多樣的信息化技術被應用于教學組織中，虛擬仿真實驗具有低成本、低風險、使用與維護方便等優點，廣泛采用于實驗操作風險高、實驗資源建設投入高、運行維護成本大的實驗教學項目，同時已成為高職院校實驗教學建設的重要內容[1]。教育部近年來開展了建設國家級虛擬仿真教學中心的工作，充分發揮虛擬仿真實驗的作用，切實提升高職院校實驗教學質量[2-3]。

根據教育部提出的《國家職業教育改革實施方案》（簡稱“職教20條”）指導思想，結合高職院校汽車類學科專業的特點，提出了“積為教用、虛為實用、虛實互補、提升實效”的建設思路[4]，組織建設了汽車動力與制動虛擬仿真實驗教學平臺。在建設過程中，注重虛擬仿真與實驗教學相結合，圍繞汽車動力與制動系統，構建了汽車工作原理虛擬仿真實驗系統、汽車構造虛擬仿真實驗系統、整車拆裝操作虛擬仿真實驗系統、整車拆裝操作虛擬仿真實驗系統。該平臺在高職實驗教學中廣泛應用，取得了較好的成效。

1 虛擬仿真實驗教學資源建設的必要性

在傳統高職院校汽車檢測與維修技術專業的實驗教學過程中存在以下問題：

（1）成本高：完整的實訓室不僅需要多種類型的汽車樣品，還需配備地溝舉升機、汽車補給設備、潤滑設備、緊固設備、發動機綜合檢測儀、氣缸漏氣檢測儀、曲軸箱串氣檢測儀、油液質量檢測儀、轉向盤轉動量檢測儀、車輪動平衡機等眾多輔助設備，汽車由于自重較大，需要托吊作業才能進行檢測與維修作業，需要較大的廠房支撐。上述要求造價高昂難以滿足。

（2）效率低：近些年，由于招生人數的增加，實訓室難以滿足學生的規模，出現了“僧多粥少”的狀況。以往平均每4課時實訓時間不能超過15人，現在一個班編制為30人，實訓實踐超過8課時，實訓效率低下，學生觀摩過多，動手較少。并且，教師工作強度負荷劇增，實訓效果不好。

（3）模擬難：汽車零件在實際工作中會出現自然磨損和消耗情況、使用環境造成零部件異常情況和人為因素造成非正常情況。這些情況的出現需要學生進行辨別和分類處理，有些知識點需要學生理解掌握，由于情況多種多樣，無法通過單一的實體實驗進行闡述，模擬現場情況較難，實訓效果欠佳。

（4）監督考核難：汽車檢測與維修實訓是線性的實驗過程，監督和考核較難[5]。

基于此，提出了汽車檢測與維修技術專業虛擬仿真教學平臺的建設方案，在設計過程中，堅持“科學建設、以人為本、高效安全、資源共享”的建設理念，本著“零風險、低成本、便維護”的建設思路，利用互聯網、增強現實、虛擬現實、三維掃描、人機交互、新媒體等技術手段，構建具有“科技與藝術，科學與技術”完美結合的虛擬仿真實驗平臺。鼓勵學生積極參與線上學習、自主實驗、創新實踐。力求加快“雙高計劃”的落實、為培養出中國特色高水平高職人才發揮積極作用。

2 汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺的建設框架

2.1 平臺的四大實驗系統

依據該專業的幾門核心課程，汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺構建了四大實驗系統：汽車構造虛擬仿真實驗系統、汽車工作原理虛擬仿真實驗系統、汽車拆裝與調整虛擬仿真實驗系統、汽車檢測診斷與維修保養虛擬仿真實驗系統。四大實驗系統的工作原理與操作步驟如下：

2.1.1 汽車構造虛擬仿真實驗系統

該系統選取汽車的89個部件進行介紹，配備有三維展示模型、可檢索圖鑒數據庫，用以介紹各個部件的名詞稱謂、造型、結構、零件等。首先，三維展示模型表現了汽車各個部件的透視構造。關于表現到哪些層面：用戶通過點擊icon，可以炸開、組合、360度旋轉每個部件的模型，以及隱藏、顯示其中每個零件的模型，這樣就可以更好地觀察部件的結構細節與部件之間的結構關系（見圖1）。關于表現到何種精度：建模采取工業級的制作標準，先使用手持激光三維掃描儀采集部件實體的外觀數據并且導入電腦，再通過三維掃描的配套軟件處理Point Cloud數據，最后借助Maya軟件，翻模生成高精度且帶法線貼圖的三維模型[6]，這樣就可以更好地向用戶展示汽車各個部件的外觀造型。其次，可檢索圖鑒數據庫補充了專業理論知識的儲備。在檢索欄中輸入關鍵字（汽車各個部件的稱謂），就可以從配套數據庫中調出相對應的圖鑒資源——即該部件的造型、結構、零件的圖片采集與文本介紹，這樣，用戶就可以更加詳實地了解關于汽車部件的理論知識。

2.1.2 汽車工作原理虛擬仿真實驗系統

該系統配備三維展示動畫，用以展示汽車在啟動、換擋、轉向、制動等不同運動狀態中的系統聯動工作原理。用戶通過點擊icon，可以獲取汽車在不同運動狀態中的三維展示動畫，從而直觀了解汽車整體的工作原理，加強認識汽車各個部件（比如制動鉗、制動總泵、節流分配閥等）的工作原理，乃至系統掌握汽車整體的運行、操控方法（見圖2）。

2.1.3 汽車拆裝與調整虛擬仿真實驗系統

該系統包含觀摩拆裝與調整、虛擬拆裝與調整、自主拆裝與調整三大模塊，以及整車拆裝、汽車附件拆裝、汽車電器拆裝、汽車發動機拆裝與調整、汽車底盤拆裝與調整五大實驗。它可以在VR平臺、AR平臺、電腦平臺、平板電腦平臺、智能手機平臺上運行（見圖3）。首先，在觀摩拆裝與調整模塊中，會有虛擬角色在三維場景中，去根據系統彈出的聲音提示與文字框提示來依次進行汽車拆裝與調整五大實驗的規范化操作。用戶通過觀摩上述的三維場景動畫，可以明晰汽車拆裝與調整五大實驗的標準流程，為下一步的虛擬拆裝與調整與自主拆裝與調整打下理論基礎。其次，在虛擬拆裝與調整模塊中，用戶進入虛擬車間，成為虛擬角色，去根據系統彈出的提示聲音與提示文字框來依次完成汽車拆裝與調整五大實驗。在答題環節，會有虛擬角色所扮演的老師，去根據知識重點與知識難點來組織選擇題，向用戶提問，如果用戶點選正確選項，則會彈出提示文字框，內容是正確選項成立的理由與解釋，然后進入下一題，如果選錯，則也會彈出提示文字框，不過，內容卻是關于正確答案的提示，這樣，用戶在思考后重新選擇，直至選對為止，上述這套答題機制可以防止用戶蒙題。最后，在自主拆裝與調整模塊中，用戶仍然進入虛擬車間，成為虛擬角色，但是，系統不會再有提示聲音與提示文字框，用戶根據在觀摩拆裝與調整與虛擬拆裝與調整中積累的經驗，自主完成汽車拆裝與調整五大實驗。自主拆裝與調整期間，如果用戶卡在某個步驟的時間超過15秒，或者，如果用戶誤操作的次數超過5次，系統則會彈出提示文字框，內容是關于正確實驗的提示，用戶根據提示繼續操作，直到完結這個步驟為止，最后，在實驗結束后，系統會向用戶出具實驗記錄報告書，記錄錯誤步驟數目，然后加載回到錯誤步驟，讓用戶重新練習，以加深糾錯部分印象。

2.1.4 汽車檢測診斷與維修保養虛擬仿真實驗系統

該系統采用故障樹分析法，查找出需要維修的故障點（見圖4）。故障樹的最頂層為頂端事件，是故障癥狀;最底層為底端事件，是故障排除;中間多層為中間事件，是從最初故障癥狀到最小故障點的故障點。聯結故障樹層級的邏輯關系是因果關系或并列關系，位于中間層與底層的故障原因（故障點與最小故障點）是因，位于頂層的故障癥狀是果。以查找發動機怠速不穩故障點為例，發動機怠速不穩為最初故障癥狀，是故障樹頂端事件，推演至下一層級，進氣、氣缸壓力故障和點火、噴油故障為故障點，是故障樹中間事件，繼續推演至下一層級，根據點火、噴油故障點，得出噴油系統故障點與點火系統故障點。根據噴油系統故障點，得出噴油線路故障點與噴油器故障點;根據點火系統故障點，得出點火線圈故障點與火花塞故障點。那么，這一層級共有四個故障點，而根據其中每個故障點，又能繼續推演至下一層級，得出更小故障點，以此類推，直至故障排除，直至到達故障樹底端事件——最小故障點為止[7]。在虛擬仿真實驗中采用故障樹分析法查找故障點，具有檢測精確的優越性，可以提高維修效率，實驗效果更佳。該系統所有故障樹都被收納到數據庫中，數據庫收納汽車的所有故障癥狀乃至根據所有故障癥狀推演得出的所有故障點，相關數據來自企業，保證真實有效。虛擬仿真實驗的故障樹數據庫具有案例全面的優越性，有助于用戶學習。除了使用故障樹查找故障點，該系統的另一亮點是在線考核模塊，它的考核形式、考核內容以及評分標準都由企業制訂，其中，考核內容以企業需求為導向，包括企業崗前培訓考核、多種技師考證等。在虛擬仿真平臺中添加在線考核模塊，不僅可以監督與考察到用戶的學習情況，還可以加深校企合作，這樣可以增強平臺的應用性（見圖5）。

2.2 平臺的三大服務窗口

汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺實驗教學虛擬仿真平臺包含了三大服務窗口：學生服務窗口、教師服務窗口、管理員服務窗口。用于協助平臺運營（見圖6）。

3 汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺的教學應用

3.1 虛擬與現實相結合的教學模式

將汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺應用于教學，需要采用虛實結合的教學模式。首先，虛為實用，虛擬實驗教學輔助實體實驗教學，可以延展實驗教學時空，學生利用手機掃描識別二維碼，就可以在智能手機、平板電腦、電腦上打開虛擬仿真平臺，隨時隨地開展實驗，虛擬實驗教學不受時空限制，適合課外進行，以作為對課內實體實驗教學的補充;其次，虛實互補，虛擬實驗教學結合實體實驗教學，可以彌補傳統實驗教學的不足，然而，在實體實驗中，實驗樣本不僅“看得見”，還“摸得著”，學生可以直觸樣本質感，這是實體實驗一個重要優勢，因此，虛擬實驗無法完全替代實體實驗。綜上，虛擬實驗與實體實驗各有優勢，應該在教學中綜合應用兩者。

3.2 在實訓中進行虛實結合的教學

以在《汽車發動機拆裝與調整》實訓中進行虛實結合的教學為例。《汽車發動機拆裝與調整》與《整車拆裝》實訓、《汽車附件拆裝》實訓、《汽車電器拆裝》實訓、《汽車底盤拆裝與調整》實訓一起，都是汽車檢測與維修技術專業的《汽車拆裝與調整》課程的教學內容。《汽車發動機拆裝與調整》實訓占用32個課時與2個學分，實訓內容為：掌握各種實訓所需工具、量具的使用、掌握汽車發動機的種類與工作原理、掌握按照企業標準進行汽車發動機的拆裝與調整的流水線操作。在《汽車發動機拆裝與調整》實訓中，可以應用虛擬仿真平臺，進行虛實結合的課堂教學。

3.2.1 課前預習

在課前，學生可以利用平臺的汽車構造虛擬仿真實驗系統的可檢索數據庫與三維展示模型這兩個功能，預習發動機的種類、名稱、造型、結構、零件等知識點，還可以利用汽車工作原理虛擬仿真實驗系統的三維展示動畫這一個功能，反復觀看發動機的工作原理的演示動畫，直至熟記于心。在課前應用虛擬仿真平臺進行自學，首先，學生不用再去查找各種紙質或網絡的參考資料，也不用再去驗證這些參考資料的真偽，這樣可以節省自學時間、提高自學效率;再者，虛擬仿真平臺能夠帶給學生“沉浸式”的用戶體驗，其中的三維模型、三維動畫兼具趣味性與多樣化的特色，可以激發學生的觀賞興趣，從而可以提升學生的學習積極性;最后，如果學生善于利用碎片化時間，在課前應用虛擬仿真平臺，完成諸如發動機的種類、名稱、造型、結構、零件、工作原理等概念性知識的自學，那么，在課堂上，教師就不用再去贅述理論基礎，而是直接開始實驗，師生一起，迅速進入實踐狀態，而實訓課程重在實踐，實踐越多，則教學效果越好。

3.2.2 課中學習

在《汽車發動機拆裝與調整》實訓的傳統教學模式中，首先是教師的講解結合案例示范，接著是學生進行實體實驗操作，并且教師給予一定輔導，最后，教師匯總學生問題進行答疑。然而，實體實驗如果操作不當，可能會有安全事故，比如進行發動機冷卻系統拆裝時，如果在冷卻液水溫達到發動機工作溫度，就容易被燙傷。假使學生成為操作“熟練工”，那么就能大大降低事故發生的概率。在課中應用虛擬仿真平臺，進行虛實結合的教學，令學生在虛擬實驗中逐步熟悉發動機的拆裝與調整的整個流程，之后再跟進實體實驗，這樣可以降低因學生誤操作而引發事故的可能性。此外，在實體實驗中，學生如遇不解之處，還能打開平臺，參照演示動畫，繼續下一步驟，這樣，即使教師未能及時給予指導、答疑，學生也能自主完成實驗，而不至于因為疑問而停滯不前。綜上，虛實結合教學模式十分可行，整個實訓32個課時，前16個課時安排做虛擬實驗，后16個課時安排做實體實驗，由虛入實，漸入佳境，這樣教學效果更佳。

3.2.3 課后復習

在課后應用虛擬仿真平臺對課堂進行回顧，通過登錄學生服務窗口，學生可以自主選擇平臺中各個系統，以及系統中各個模塊，來考察自己對知識點的掌握情況，以及對實驗過程的熟練程度。實體實驗對硬件設施要求較高，一旦學生走出實驗室，就將無法繼續實驗操作，因為，實驗樣本（發動機）與實驗工具、量具無法在實驗室外隨意獲取，上述情況不利學生開展復習，如果應用虛擬仿真平臺，就能解決此種問題。

4 汽車檢測與維修實驗教學虛擬仿真平臺的建設成效

4.1 校內共享的成效

汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺可以通過校內校園網進行共享，本專業或非本專業師生都可以通過智能手機或電腦登錄。其中，在線交流板塊提供給師生線上討論的渠道，他們可以在此閱讀、發布與評論自己感興趣的話題，在平臺內設置在線交流板塊，可以增加學習平臺的熱度與話題性，還可以提供給師生一個契機，讓他們在線上交流中進行不受時空限制的答疑解惑，學生一旦在線下課堂中遇到疑問，就可以在線上平臺內發布話題，等待老師或同學的評論回復，同時，自己也可以在板塊內瀏覽與回復他人的疑問，每當成功解決自己或他人的疑問后，學生會在心理上獲得自我肯定，從而間接激發學習熱情，這種可以增加學生自信心的優勢是在傳統的線下教學情境中所未有的[8]。此外，虛擬仿真實驗教學資源庫的主要構建者為教師群體，由于需要持續完善虛擬仿真教學資源庫，構思出、制作出學生喜歡的案例，他們的專業水平、制作經驗在長期的推敲琢磨、止于至善中得到提升積累，從而有利于在國家級、省級等不同級別的微課、教學能手大賽、信息化教學比賽中斬獲佳績[9]。

4.2 校際共享的成效

汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺應用于國內高等教育領域的時間較早，不僅為自己院校、也為兄弟院校提供了實驗教學服務，為教師課題、項目的開展提供了平臺媒介。在平臺的運行過程中，院校之間共同發現存在問題、探討解決方案，進一步完善平臺的數據系統和服務功能，在此期間，院校之間共享教學數據，共同開發，優勢互補，一起致力于帶動行業教學的發展，為社會提供高質量的行業人才[10]。

4.3 校企共享的成效

汽車檢測與維修技術專業實驗教學虛擬仿真平臺資源與企業共享，為企業的崗前培訓、技師考證提供了服務平臺。在和南京某汽車企業的校企合作中，共同開發了發動機裝配技能的培訓與考核系統，員工可以通過線上平臺進行遠程訪問學習與考核，考核方式與考核標準均由企業制訂。平臺對企業員工進行定期考核，可以提升員工的業務能力，在實際應用中取得了良好反饋。

5 結語

在“互聯網+”大背景下，汽車檢測與維修專業虛擬仿真實驗教學資源建設提供了一個供學生隨時、隨地進入網絡系統進行實驗的平臺，提高了學生的學習興趣，鍛煉了學生的洞察力，實踐能力，創新能力和深度思考能力[11];教學資源平臺具有易擴展的特點，師生可以自主上傳視頻和學習資料，達到共建的目的;相較于傳統教學具有低成本、低風險、高效率的特點。同時，虛擬仿真教學資源平臺可以對在線開放課程、“金課”、“微課”的建設提供教學資源庫和信息化手段[12]。綜上所述，深入開發虛擬仿真實驗教學資源平臺，豐富教學資源建設，實現虛實結合的實驗教學模式，實現最大規模的響應和共享，具有重要的現實意義。

基金項目：江蘇省教育廳 2020 年度高校“青藍工程”資助（sponsored by Qing Lan Project）;江蘇省教育信息化研究課題項目“基于虛擬仿真技術的課程教學平臺構建”（編號：20180063），主持人：楊杰。

參考文獻：

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