虛擬現實技術在柴油機維修訓練中的應用

劉 斌 王 宇 周建釗 褚偉俊 何曉暉

（陸軍工程大學 野戰工程學院，南京 210000）

柴油發動機在我國廣泛應用于工程機械和交通設備領域[1]。為培訓高水平的柴油機維修保障人員，延長柴油機使用壽命，提高柴油機運轉效率，節約行業運營成本，各個培訓機構對柴油機維護保養紛紛開設培訓課程。柴油發動機實踐教學是柴油發動機專業培訓教育中十分關鍵的教育環節，主要包括理論授課、現場實訓及課程考核等。但是，柴油發動機作為汽車的動力部件，具有結構復雜、運動部件多等特點[2]。當前機械專業職業教育存在教學方式單調、教材教具缺乏等問題，因此教學效果不盡如人意。面對新形勢下工業領域的自動化和信息化發展趨勢，需提高柴油機操作人員的技術素養，提高教育培訓行業對現代化技術學習的重視程度，迫切需要改革柴油機應用課程。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）作為近年來發展的一種綜合性信息技術，在教育行業應用廣泛，對傳統教學模式影響重大[3]。目前，大多數科研工作者仍處于建立虛擬現實技術綜合教學體系和對具體課程應用建立完整理論體系的階段。文章以實際案例情境為基礎，從實訓內容、課程設計及實操3個實踐教學環節出發，提出構建互動體驗更佳的教學模式，以適應柴油機的實踐教學內容，同時提出了實踐課程科學評價體系，如圖1所示。構建科學、合理、高效的交互式虛擬培訓系統和虛擬現實平臺，可助力實現對柴油機教育實踐課程的改革與創新。

1 體驗式教學模式改革

虛擬現實技術是一種能夠建立和感知虛擬世界的電子信息仿真技術。施訓者通過創建虛擬課堂教學系統，模擬三維真實工程環境，改變通過教材和黑板書寫的傳統教學模式，使學員通過使用鼠標、鍵盤或頭戴式虛擬現實設備實現與教學內容的互動，創造體驗式學習環境。學員通過視聽感受、接收器振動反饋等方式，在虛擬世界中學習專業技能[4]，解決了傳統教學模式單一的問題。為了更好地提高實踐教學效率，必須使實踐教學內容適應實操課程中的實訓內容、課程設計及實訓模式3大板塊。

1.1 實訓內容改革

柴油發動機實踐實訓包括結構展示、拆裝訓練和常見故障排除。其中，結構展示主要依據現實工程環境創建虛擬場景，并加入具體機械結構，如進排氣系統和曲軸連桿機構。施訓者可以在課前將實訓內容發布于平臺供受訓者預習，以提高受訓者對柴油機運行參數和維護保養工作的重視程度，同時提高正式課堂的學習效率。此外，發動機拆裝訓練和常見故障排除要求受訓者具備很強的三維空間感，科學分類受訓者發現的具體現象，快速判斷問題故障產生的原因，并結合自身經驗深入分析，制定精準檢查、調整、修理的方案進行合理操作。在傳統教學方式中，拆裝和常見故障排除等訓練不僅存在占用場地面積大、設備投入大、人員視聽效果不佳問題，而且在實訓過程中可能會存在人員受傷的風險[5]。虛擬現實技術不僅可以彌補傳統實地教學的不足，而且可以通過模擬三維實驗場景、實驗演示過程和交互操作提高教學效率。為了提高虛擬現實實訓平臺的應用效率，對實驗教學內容應進行相應調整。對于拆裝和故障排除訓練，相關人員需要通過解釋實驗操作步驟，增加受訓者交互性操作講解，以保證每個受訓者都能掌握實驗內容。此外，受訓者若有不明白的地方，可以隨時進行回放學習。

1.2 實訓課程設計改革

實踐訓練是對理論教學的補充，因此實訓培訓課程的設計必須加強理論與實踐聯系。為適應現代化教學需求，適配現代化教學模式，緊跟國家現代工業發展規劃，必須強化實訓課程設計，使學員掌握專業理論知識，不斷更新操作要領，以滿足新時代現實裝備的發展要求。設計虛擬現實教學平臺時，設計人員必須以實際操作場景為背景。根據當前學員信息技術能力較強的特點，在搭建虛擬教育平臺時，教師可以接收部分學員的反饋，并根據受訓者日常操作情況，探索柴油機維護維修的優化方向，從而更新柴油機維護維修技能。在實訓教學中，教師更多地充當設計和建模的角色，把新型教育理念落實到實踐中。具體工作中，學員積極參與不僅有利于培養學員腳踏實地做事的能力，增強因參與教育過程而引發的自豪感和成就感，而且能夠培養學員的責任意識，提高理論與實踐能力、教學效果和日后工作的積極性。記錄和展示學習成果時，設計人員可以將教科書或操作手冊轉化為三維動畫和語音，使學員以小組為單位，通過合作練習，在虛擬教學系統中完成各項任務的動作步驟，待操作完畢后保存操作流程動畫并上傳自己的作業。這種教學方式有助于在傳統教育模式下擺脫書籍范例，鼓勵學員在虛擬系統中進行獨立全面的思考，進而提高受訓者對知識的理解。

1.3 實操模式改革

實操教學是培養學員實踐技能的重要途徑，是理論到實踐的過渡。一般教育培訓可以安排的實際操作時間有限，而柴油機的操作教學練習過程較復雜。例如，拆卸和組裝需要幾個小時，且實地教學體驗較差，容易出現教學效果不佳的情況。針對以上情況，利用虛擬現實技術建立柴油機虛擬訓練平臺，選取柴油機主要部件作為觀測對象，可以通過透視、剖分等方式進行觀測，且在觀測過程中可選擇主要部件中的具體零部件，然后將該零件突出顯示，方便相關人員觀測，同時可伴隨語音介紹和文字說明。柴油機自身工作原理復雜，理解難度大，發生異常或者故障的起因多種多樣，因此需詳細設計實際使用場景中柴油機的各項拆裝、保養、維修等。在虛擬環境中，運用聲音、圖像、儀表指示以及操作失敗等方式，提示受訓者柴油機組成部分出現故障，以便針對相應的故障現象選擇正確的故障診斷方法進行故障排除。例如，當機油不足、冷卻液不足、柴油壓力不足時，都會發生發動機運轉異常、機身抖動或者難以啟動的情況；柴油機運轉時，排氣的顏色不同可以表明柴油機的發生故障部位及其嚴重程度，由此判斷機體是否漏油、漏氣以及漏水，實操流程如圖2所示。受訓者在課堂上既可以學習理論知識，又可以參與實際操作，學習效果佳，又可節約訓練時間。

2 實踐教學評價體系改革

課程評價體系是溝通教學過程與培訓成果的重要橋梁，是由大量相互聯系、相互依存的評價指標組成的一個復雜、完整系統。虛擬訓練從訓練準備到訓練進行，到最終的任務結束，每個環節都直接影響訓練效果。訓練效果又直觀反映虛擬訓練系統的使用價值，直接影響受訓者查缺補漏和課程設計。因此，需要尋找一種科學有效的質量評價方法，既符合訓練需要，又對系統功能的設計有強的指導意義。

現階段，傳統的考核體系對學員的實際操作難度大，消耗了大量時間精力。文章在介紹虛擬現實技術的基礎上，提出了一種面向課程設計和畢業設計的創新技能評估體系，如圖3所示。首先，在受訓者每一訓練階段，設計不同類型的操作任務，通過虛擬現實平臺自主選擇結構和構件。與練習時相比，去掉拆裝步驟提示，解除機械約束，可以自由操作但需要限時完成。核實對受訓者對應的操作步驟是否正確，每個動作設置相應分數，操作錯誤則扣分，并根據操作動作完成情況和完成時間按點打分，給出成績評價，查看學員的掌握程度，錄制并提交操作流程動畫。其次，在實踐教學結束后，利用約一個課時的時間，通過理論考核方式檢驗受訓者理論知識的接受程度。試題結構以選擇題、問答題為主，內容主要包括零件及維修工具名稱，以及拆裝、保養、維修等各類操作步驟等。最后，整理提交操作過程的虛擬動畫，并組織受訓者以匯報的形式分析操作中遇到的問題和相應的解決方式。其中，匯報內容必須包括分析故障發生的核心原因和關鍵操作步驟，還有針對此故障事后需進行相應保養重點、保養頻率時長的計劃。該評價體系的主要特點是考查受訓者的理論基礎知識、實踐操作能力及敘述總結能力。通過該評價體系模擬受訓者在真實場景中需要面對的環境和條件，檢查理論操作和實際操作的缺陷，并有針對性地提高受訓者能力來完成整個任務的操作，掌握柴油機常見的保養和故障處理策略，有效解決柴油發動機的常見問題。

3 結語

以虛擬現實技術為背景，以柴油發動機實踐操作為教學實踐內容，針對現階段教育培訓機構中柴油機實踐課程教學中存在的問題和不足，結合操作手冊和工程保障訓練實際，提出利用虛擬現實技術，靈活利用培訓體系平臺資源，改進教育教學模式內容。從結構展示、拆裝訓練、考核評價等出發，通過教學內容、課程設計、訓練模式3個方面對柴油機實踐教學和評價體系進行改革，并為制作科目設置全面、內容規劃合理的柴油機虛擬訓練教學提供建議，幫助受訓者更好地掌握柴油機的性能參數，熟悉柴油機的結構原理，掌握柴油機的調整保養維修手段等訓練內容，從而提高教育培訓機構的教育水平，培養具有更高素質的柴油機維護維修人才隊伍。