虛擬仿真技術在“汽車制造技術”課程中的應用

摘 要：虛擬仿真技術具有真實性、多感知性、自主性和交互性等特點，在諸多領域得到了廣泛的應用。由于虛擬仿真技術能夠立體形象及高度還原現(xiàn)實場景，將它應用于制造類課程教學過程中，能更好地突出理論結合實踐的課程特點及要求，豐富教學資源，提升學習沉浸感，不斷提高學生的實踐與創(chuàng)新能力。

關鍵詞：虛擬仿真;汽車制造;課程教學

1? ?傳統(tǒng)“汽車制造技術”教學現(xiàn)狀

“汽車制造技術”在車輛工程系的專業(yè)課程中占據(jù)非常重要的位置，內容包括汽車及其零部件的制造工藝流程、機械加工和裝配方面等內容。該門課程的主要目的是讓學生通過學習了解現(xiàn)代化汽車制造過程，把學生培養(yǎng)成面向汽車制造過程中整車裝配與零部生產(chǎn)和管理的新型人才。“汽車制造技術”是車輛工程專業(yè)的必修課程，在課程培養(yǎng)方案中占據(jù)重要一環(huán)。對于車輛工程的大部分學生而言，畢業(yè)之后就是到汽車整車廠或其子公司從事技術和管理工作，因為他們在工程項目實踐中需要詳細了解汽車生產(chǎn)制造的工藝流程，并且熟練掌握零件機械加工工藝整體規(guī)程及基本知識，能夠根據(jù)實際需求具備初步設計工藝規(guī)程的初步能力[1-2]。因此“汽車制造技術”的教學質量在很大程度上影響著學生的就業(yè)以及在從業(yè)領域的發(fā)展，是保障學生學有所成的一把利劍。

目前，根據(jù)上海理工大學車輛工程專業(yè)的最新培養(yǎng)方案規(guī)定，“汽車制造技術”課程根據(jù)實際教學任務需求總共安排48個學時，學分總數(shù)為3個學分。根據(jù)任課教師在教學過程中遇到的各種突出問題，以及學生通過課堂反饋的問題，在現(xiàn)行教學方式依然存在很多難啃的“硬骨頭”。

首先，“汽車制造技術”這門課具有自身的特點，例如所覆蓋的知識點眾多，結構具有多樣性，原理十分復雜，知識點之間的聯(lián)系不夠緊密，實踐條件要求較高，課堂缺少相關實物模塊展示等。由于以上諸多問題，就對老師在課程講解過程中提出了一些挑戰(zhàn)，如果不能合理安排課程內容把控課堂節(jié)奏，就很容易使學生逐漸產(chǎn)生疲勞或厭倦情緒。其次，由于課程的學時限制，就使得任課教師為了完成教學任務，不得不把課堂內容安排得非常緊湊，這也導致老師產(chǎn)生比較大的教學壓力，所以在課堂上只能通過填鴨式的教學模式把知識硬生生地塞給學生，也無暇顧及學生是否真正對所學知識有所領悟。

其次，由于傳統(tǒng)教學模式的上課場地受到限制導致理論教學與學生實踐不同步。造成學生在進行實踐操作時不能聯(lián)想到課堂上老師傳授的知識，學生雖有實物操作但仍難以理解某些結構組成的原理，導致教學和實踐不能連貫，無法達到學以致用相輔相成的效果。這種以教師為中心的傳統(tǒng)教學模式在多數(shù)情況下難以實質性的提高教學質量。因此，必須將實踐操作環(huán)節(jié)融入教學模式中去，這種教學方式具有非常強的應用性和實踐性。車輛工程專業(yè)的學生不能局限于學習該課堂內容的基礎知識，必須通過動手實踐加深理解，才能開拓創(chuàng)新。因此，虛擬仿真技術融合進入課程授課為教學改革提供了新的發(fā)展方向，具有很強現(xiàn)實意義。

2? ?虛擬仿真技術與傳統(tǒng)課程教學結合

一般認為虛擬仿真是一種模擬技術即對現(xiàn)實世界真實系統(tǒng)的模擬，具體涵蓋視覺生理學、計算機圖形學、視覺心理學、仿真技術、人工智能技術語音識別與合成技術、軟件工程、人機接口技術、微電子技術、多媒體技術及網(wǎng)絡技術等多種高新技術[3]。由于虛擬仿真技術具有沉浸性、多感知性、自主性和交互性的顯著特點，在很多領域得到了廣泛的應用。在教育領域，虛擬仿真技術可以將二維知識和圖片三維立體化，建造出自主感知的教學模式，改善刻板的教育方式，增強實踐教育手段，極大地提升教學質量。

實現(xiàn)虛擬仿真與傳統(tǒng)教學相結合，可以對車輛工程專業(yè)的建設發(fā)展、課程體系重塑、教學內容重構和課堂教學改革都將起到很好的推動作用。目前，根據(jù)虛擬仿真技術和傳統(tǒng)教學模式相結合的方式，可將其可以劃分為以下四類：桌面式、分布式、增強式、和沉浸式虛擬等虛擬仿真系統(tǒng)[4]。在具體實施過程中，授課教師可以通過制作虛擬仿真的課件，或者利用虛擬仿真技術開發(fā)相關教學軟件。因為虛擬技術具有沉浸式特點，可以使學生能夠有身處生產(chǎn)現(xiàn)場的感覺，將學生從課堂上的觀看者轉變?yōu)樯a(chǎn)現(xiàn)場的探索者，這樣可以極大的提高學生的學習熱情，激發(fā)學生的主觀能動性，提高學生的自主創(chuàng)新能力[1]。

3? ? 虛擬仿真技術在汽車制造技術教學中的應用

上海理工大學已經(jīng)建立一個國家級虛擬仿真實驗教學中心，利用現(xiàn)有的虛擬仿真平臺，能夠利用虛擬仿真技術模擬“汽車制造技術”課程的某些制造工藝，以及機床切削加工過程的虛擬仿真，實現(xiàn)真正將虛擬仿真技術應用到該課程的教學中。根據(jù)課程設計及工程實際進程，將課程劃分為不同的模塊，針對不同模塊再具體利用虛擬仿真技術，如對機床加工過程進行模擬仿真，模擬現(xiàn)實機床的裝夾過程，切削過程，以及上料、下料等，可以高度還原實際的操作場景，讓學生學習到更多工程知識的細節(jié)。實現(xiàn)實踐中間過程的可視化，提升整體形象感，提升學生實踐學習的興趣，進一步促進學生主動感知實踐的意義和開展實踐內容。

積極依托學校虛擬仿真實驗室，在教學中逐步結合實驗平臺開發(fā)虛擬仿真軟件與教學課件，積極開展實質性工作。以實際的車間為例進行虛擬仿真，通過對虛擬車間的設計，模擬整個車間的布置、物料運動、操作仿真和人機交互等。讓學生看到從物料運輸?shù)搅慵庸こ尚偷娜^程，對整個工藝流程有清晰直觀的認知，且可以通過人機交互讓學生自己操作機床空轉、進給、切削等過程。這樣使得學生不僅只是旁觀者更是參與者，使得學習更加生動有趣，避免了現(xiàn)場操作可能會帶來的諸多危險因素，最大限度的保障了學生的人身安全。不僅如此，學生可以通過該虛擬仿真教學平臺自主學習、熟練使用及掌握同一類實踐項目的設計思想、操作流程及數(shù)據(jù)處理等內容，進而達到舉一反三，融會貫通的目的。由此可見，虛擬仿真實驗平臺的規(guī)劃、開發(fā)、管理，對于學生的認知起到積極推動作用，激發(fā)了學生的創(chuàng)新潛能。

4? ? 在教學改革過程中會面臨的問題

虛擬現(xiàn)實技術的確實能在很大程度上提升教學質量，但同時存在著一些不可忽視的問題。實現(xiàn)虛擬仿真與傳統(tǒng)教學的完美結合，需要完整且無漏洞的虛擬仿真軟件，以及諸多硬件的支持。所以想要達到較好的效果就需要投入大量資金，就不可避免地會占用學校資源，讓部分學校原本就不充足的教育資源“雪上加霜”。假如強制推行下去，容易造成粗制濫造浪費資源的現(xiàn)象，同時耗費師生精力。

將虛擬仿真技術應用于教學，對于虛擬現(xiàn)實技術產(chǎn)品的開發(fā)無論是從時間還是資金上都需要大量投入，這對于獨立承擔教學任務的老師是一個巨大的挑戰(zhàn)，且要求老師能夠熟練掌握授課、自學自講、教學實踐這三者之間相互關系，使它們之間能夠環(huán)環(huán)相扣、相輔相成。但對于面臨著巨大教學任務量的老師把龐雜的問題結合起來并推陳出新是十分困難的。就目前的狀況來看，虛擬仿真技術廣泛應用于教學過程仍然需要更多教育者的努力與探索，同時更加注重教師團隊建設，共同開發(fā)制作虛擬技術相關教學資源。

5? ? 結語

虛擬仿真技術是可以實現(xiàn)人體和模擬環(huán)境交互的新型科技，把不可感知的抽象空間轉化為立體可見的三維空間仿真模型，使人身臨其境，極大增強了體驗感，大大提升了學生的學習興趣。因此，高校需要深入研究虛擬仿真技術的應用，并且熟練掌握虛擬仿真技術與傳統(tǒng)教學的結合，培養(yǎng)高技術、有創(chuàng)新精神的人才。但由于教師的精力有限，不同學校又面臨虛擬仿真技術應用中的實際問題，虛擬仿真技術依然具有較大發(fā)展空間，必將給制造類課程教學帶來更大的實際價值。

[參考文獻]

[1]鄒全樂，張?zhí)煺\，劉瑩.基于虛擬仿真技術的安全評價教學改革途徑[J].高教學刊，2020（29）：114-117.

[2]周萍，孫躍東，鄭岳久，劉銀華.“汽車制造技術”課程考核評價的研究與實踐[J].高教學刊，2018（2）：59-61.

[3]王婷，齊慶會，岳川云.虛擬仿真技術在土木工程測量教學中的應用[J].高教學刊，2020（27）：112-115.

[4]肖田園，韓向利，張林鍹.虛擬制造內涵及應用研究[J].機械仿真學報，2001（1）：118-123.

（編輯 姚 鑫）