虛擬現實技術在汽車發動機進氣系統拆裝教學中的研究與應用

鄭華磊

摘 要：隨著信息技術的全球化，數字化資源運用越來越廣泛。虛擬現實技術以其真實的代入感，給現階段職業教育帶來改善的可能性新變化。本文以汽車維修專業中的發動機拆裝任務中的進氣系統拆裝為載體，以“工學結合，校企合作”為基礎，對虛擬現實技術的特點及對職業教育的價值進行介紹，對該任務的教學進行軟件開發;并利用虛擬現實技術進行教學軟件開發、對課程進行改善設計、教學計劃實施應用，通過數據分析總結以及虛擬現實技術在培養學生職業能力和非職業能力，對改善學生學習效果等方面進行了分析闡述。

關鍵詞：虛擬現實技術 進氣系統拆裝 職業能力 非職業能力

虛擬現實（簡稱VR）技術通過計算機的圖形、仿真等軟件技術與傳感器、顯示等硬件技術，通過虛擬環境的交互操作，使操作者產生真實的沉浸感。它有三個方面的特征，分別是：沉浸感、交互性、構想性。

一、虛擬現實技術對職業教育教學的作用

1.建立高效的學習途徑

學習途徑主要體現在三個方面：“視覺、聽覺、動覺”。傳統的課程通過圖片、色彩、講授、學生討論、角色扮演、實車實習等方法讓學生通過這三種途徑進行學習。虛擬現實技術則是在數字化資源的基礎上進行了全面的升級，在使用過程中能同時伴有三種學習途徑，有利于改善學習效果。

2.解決教學“觀”與“摹”的實際問題

根據人社部《一體化課程教學標準開發技術規程》的要求，各個職業院校教學普遍按照資訊、計劃、決策、實施、檢查控制、評估的設計流程進行。筆者根據《規程》的要求結合自身教學經驗，對于教學環節過程進行了細分。教學環節分為七個過程要素：確立典型工作任務、進行案例導入、知識學習、觀看教師的操作過程、臨摹操作過程、教師給予問題的解釋、實操（計劃，決策，實施）、總結評價，即“導、研、觀、摹、解、練、評”。虛擬現實技術解決了職業院校授課師生比（1：20）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。

二、虛擬現實技術針對進氣系統拆裝課程的資源開發

1.進氣系統拆裝的課程任務定位

研究虛擬現實技術對職業教育學生能力提升的問題，需要有課程任務作為研究載體，因此筆者選取了適合采用虛擬現實技術教學的汽車維修拆裝課程，將進氣系統拆裝這一任務作為本論文的研究載體。

2.工學結合的虛擬資源開發過程

（1）正確建立任務的虛擬現實開發流程。在研究過程中，制作過程首先要分為5個團隊：企業團隊、課程團隊（專業教師）、視頻團隊、程序團隊、模型團隊。另外需要完成幾個任務：視頻制作、模型（Maya）制作、程序（Unity 3D）制作與調試。模型制作和視頻制作需要同時進行，程序員可以先熟悉拆裝過程，等待模型和視頻都結束后，進行程序的編寫與調試。

（2）工學結合的視頻開發過程。在真正的工作過程中，對于實際拆裝設備奔馳M274發動機了解程度不足，有些腳本需要在視頻拍攝過程中編寫。

（3）工學結合的模型開發過程。模型開發過程中，相關參與學生將企業技師拆卸的零部件遞交給模型團隊，并告訴模型團隊零部件的名稱。學生已經學習過發動機認識。在視頻拍攝時，教師告訴場記的操作記錄里也可以找到名稱，因此學生完全可以勝任工作，并且加深了對零部件認識的了解。

（4）工學結合的交互程序開發過程與調試。為了真正培養出復合型高技能人才，通過制作模型的Maya軟件，編程的Unity 3D，組織學生進行編程學習，通過興趣班的形式進行課程孵化。

三、基于虛擬現實技術的課程設計與實施

1.課程設計

（1）研究思路。為了研究該課程對學生綜合能力的提升，筆者對該任務設計了對比試驗組，未改善的傳統班級和虛擬現實改善班級進行相同時間的任務教學。筆者選擇了為同一名教師上課，并且選取成績接近的兩個班級進行試驗。

（2）學情分析。學習情境分五個方面，可以用因果圖進行展示。

學生層次：第一學年第二學期、20人、分四個小組每組5人。

學生特征：態度積極、自信、可以進行團隊協作、具備學習能力。

職業能力：已學過發動機認識課程、熟悉虛擬現實設備。

非職業能力：語言表達能力欠缺、創新能力差。

應對方法：多給學生展示機會、數字化資源輔助教學、提交作業及時反饋。

（3）學習目標確立。課前目標：通過對發動機認識課程的回顧寫出進氣系統各零部件名稱及作用。課中目標：寫出奔馳M274發動機進氣系統的拆裝流程;能在規定的時間內完成進氣系統的拆裝，并能解決拆裝過程的問題;能夠規范地進行拆裝操作。課后目標：能夠正確敘述奔馳M274發動機進氣系統的拆裝流程。

2.學習內容確定

學習內容主要是進氣系統理論、進氣系統拆裝流程、拆裝規范和解決問題的能力，其中拆裝流程是重點，拆裝規范和解決問題能力是課程的難點。

3.學習資源準備

場地：數字化教學與VR實訓中心：可以容納20名學生，20臺學生電腦，1臺教師電腦，1個智慧黑板，4個一體機顯示器。

VR設備：HTC Vive。

發動機：奔馳M274發動機。

其他課程資源、視頻及虛擬現實軟件資源。

4.課程改善分析

普通教學與虛擬現實改善的教學區別主要表現在兩個方面。一方面是展示的不同，虛擬現實技術可以在教師模擬操作的過程中，面向所有的學生進行展示，而普通課程教師操作展示的時候，需要分組進行。這樣不僅浪費了時間，而且很多學生不能看清教師的操作。

5.學習實施方案

見表1。

6.課程評價

對學生職業能力和非職業能力進行SMART評價，采用一級評價方法進行互評、自評、他評（教師評價）的評價體系。為了真實有效地進行評價，自評和互評只記錄而不占權重，學習任務的過程性評價取決于教師評價。

教師在教學評價系統中輸入評價分數及權重。課程結束后，經過大數據分析，對每個學生進行職業能力（包括拆裝規范、拆裝節拍、6S、理論知識、知識歸納）和非職業能力（態度語言、創造性、獨立學習、團隊協作）各5個維度的評價，根據重要程度設定各維度的評價，最終將學生的學習情況進行大數據定制化評價（包括學生信息、職業能力雷達圖、非職業能力雷達圖、學生評價），為企業定制化選擇合適員工帶來了依據。

7.課程實施中評價的要求

筆者首先對于試驗樣本中普通班級的學生進行授課，并對其職業能力和非職業能力進行評價，其次對于虛擬現實技術改善后的班級進行評價。為了研究的具體和準確，需要采集職業能力的權重分數，非職業能力的權重分數，以及職業能力和非職業能力每個維度的平均分數，在此基礎上為了反映學習效果，將對試驗組采集3個月后進行職業能力的重新測評。

四、基于虛擬現實技術改善教學的效果

1.改善后的評價分析

（1）職業能力。普通班級職業能力的權重成績（78.85分）比虛擬現實技術改善班級的分數（83.40分）低4.55分，其中拆裝規范和拆裝的節拍要高于普通班級5分以上，工作過程6S、理論知識、歸納能力相差不大。這反映了改善后對于學生職業能力是有提升的。學生工作的時候速度快，規范性好，反映了學生熟練程度不同，說明虛擬現實技術的改善對學生的職業能力提升起到了明顯效果。

（2）非職業能力。普通班級非職業能力的權重成績（83.40分）比虛擬現實改善班級的分數（83.80分）低0.50分，相差很小，權重指標非常接近。改善后學生提高最明顯的是學習態度。這是因為學習積極性提高的結果，說明對改善后學生非職業能力有單項維度的提高。

（3）職業能力存留率。普通班級職業能力的權重成績（79.60分）比虛擬現實技術改善班級的分數（82.90分）低3.30分。虛擬現實技術改善的班級在拆裝規范以及拆裝節拍方面依然要高于普通班級，說明普通班級經過了一次實訓后熟練程度有了提高，但是從學習效果來講，三個月后工作的效果還是不如采用虛擬教學的班級好。工作過程6S和理論知識數據相同，說明改善后效果并不明顯，然而知識歸納水平拉開了差距，說明對于任務的理解程度已經不同。這不僅有利于知識和技能的留存，更有利于新知識的學習的遷移。

2.數據分析與總結

通過數據的分析，可以看出虛擬現實技術對于學生職業能力的提高更為明顯，尤其實際操作方面，學生不管是規范性還是工作節拍都有顯著的提高，并且間隔一段時間后，依然保持這樣的學習效果。這說明學生能夠對于實際操作有更深刻的了解。筆者也統計了個人方面，改善后的班級優秀率和普通班級基本相同，但是整體平均分數高，說明改善對于成績中等和成績較差的學生效果更為明顯。另外，對于非職業能力方面，改善主要是影響了學生的學習積極性，尤其是學習中等和學習較差的學生的積極性，學習態度這一維度有了提高，其他的非能力目標并未有明顯提高。

五、小結

本文是針對汽車維修課程進行的一次改革嘗試，基于虛擬現實技術改善教學流程，從而研究學生學習能力的改善效果，具有一定的開創意義。研究在真實的教學中進行，研究數據包括學生的職業能力、非職業能力，也有學習效果的留存率，得到了該實驗的研究成果，并對今后的教學起到積極的借鑒意義。

本研究仍有可挖掘的方向，比如學生職業能力與非職業能力每個維度的正向分布，判斷對不同水平的學生的改善情況和變化規律，另外可以進行追蹤研究、如何更有效地改善學習效果留存率問題、如何進行非職業能力提高等都可以進行研究。

另外，虛擬現實技術在職業教學中的應用，也可以考慮逆向教學，也就是展示錯誤結果，在現實中錯誤操作會帶來設備的損壞，成本的增加，操作人員的安全問題。這也是在虛擬現實技術環境里可以研究的問題。

參考文獻：

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（作者單位：北京汽車技師學院）