中职专业课教学中基于虚拟现实技术的实景模拟研究——以汽车发动机构造为例

赵晓宇 赵晓荣

（1.江苏省相城中等专业学校，江苏 苏州215131；2.阜宁县东沟初级中学，江苏 盐城224400）

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是仿真技术、计算机技术等多种现代技术的集合，它有三大特征：构想性、沉浸性和交互性。虚拟现实技术可以将真实的场景还原，并且让用户从听觉、视觉和触觉等感官上沉浸于虚拟的场景中，而且还能够与场景进行交流互动，进而产生身临其境的感受。当前，虚拟现实技术被用于教育、游戏、医疗等多个领域，并取得了较好的效果。

在中等职业教育中，虚拟现实技术也是一种先进的教育技术方法。根据国家教育部门的预测：未来几年中，虚拟现实技术将成为教育领域中最具潜力的教育技术之一。当前，在职业教育中，虚拟现实技术的运用主要在三个方面：①虚拟校园——通过虚拟现实技术能将职业学校的校园文化与学习氛围进行逼真的模拟；②虚拟实验——虚拟现实技术不仅能使职业学校的专业课程具有完美的实验环境与较强的参与度，还可以避免专业课的实验风险；③行业培训——虚拟现实技术可以用来进行专业技能的培训，如汽车维修企业采用虚拟现实技术对员工的汽车维修技能进行培训。

通过对学校的调查和相关资料分析后发现：当前虚拟现实技术在中等职业教育中的运用主要集中在实验和技能培训上，而在专业课程教学中的运用尚不成熟。对此，中职教师应将虚拟现实技术与具体的专业课程相结合，以改善专业教学效果。

二、运用虚拟现实技术模拟汽车发动机构造实景的必要性与可行性分析

（一）运用虚拟现实技术的必要性分析

1.在汽车发动机构造的教学中，实景体验是非常重要的环节

中职汽车发动机构造的学习与零部件的真实结构紧密相连，因此，在教学中教师应采用实物观察的方法让学生掌握汽车发动机的实际结构，增加学生学习汽车发动机的真实体验，以提升中职专业课教学的直观性。目前，在汽车发动机构造的教学中，教师虽然经常组织学生开展专业实习活动，但是受到实际条件限制，使得许多汽车发动机构造的实景无法观察，如运行中的汽车发动机部件、不可分解的发动机零件等。而虚拟现实技术所具有的沉浸性与构想性，可以破解这些实际条件的限制，重现与还原汽车发动机的实景。对此，教师应充分使用虚拟现实技术模拟汽车发动机的结构实景，让学生进行虚拟观察，这样增强了学生学习汽车发动机构造的实景体验感和临境感。

2.交互式体验是汽车发动机构造教学的重要方式

中职汽车发动机构造的教学内容与实物结构密切相关，因此学生应该能够与汽车发动机的实景交互，并且进行互动，以提升汽车发动机构造学习的互动感，增强专业课教学的情景性。而在当下的中职汽车发动机构造的教学中，使用最多的是学生与媒体的单向交流方式（如教学课件、影像等），这种鼠标或键盘点击的方式无法进行人与景的双向互动。而虚拟现实技术能够充分发挥其交互特性，使得人与计算机之间进行交流互动。因此，教师应该充分使用虚拟现实技术，增强学生与虚拟发动机实景之间的互动性，提升学生学习汽车发动机构造的交互感和情境感。

（二）运用虚拟现实技术的可行性分析

1.在汽车发动机构造教学中虚拟现实技术支持的可行性

现阶段虚拟现实技术比较成熟，使用三维建模软件（如3Dmax 等），计算机可以进行虚拟汽车发动机实景的构建，来替代不能实物观察的发动机实景；也可以通过3D 显示头盔等让学生观察到立体的虚拟汽车发动机实景；也可以在手柄、数据服装等含有交互技术设备的支持下，让学生与汽车发动机实景进行交流互动。因此，在上述技术的支持下，构建虚拟汽车发动机实景使学生与发动机实景之间互动具有一定的可行性。

2.虚拟现实技术设备适用的可行性

随着虚拟现实技术的日趋完善，使用虚拟现实的相关产品的用户也越来越多，用户数量增涨较快。而虚拟现实相关产品的价格呈现逐年下降趋势，如VR 显示设备较大部分在100 元左右。这样价格低廉的虚拟现实设备让学校可以大量采购，使得学校在教学中普及虚拟现实设备。

3.在中职专业课教学中运用的可行性

一方面，虚拟现实技术所呈现的汽车发动机实景具有非常强烈的现场感，而且形象逼真，让学生产生很强的临场感；另一方面，虚拟现实设备使用简单，而且对用户的指令识别准确反馈及时，这样便于用户能够快速地掌握使用。因此，教师不需要对虚拟现实设备进行专门的学习培训，就能够在中职专业课教学中快速地进行操作和使用。

三、中职专业课教学中创建汽车发动机构造虚拟实景的依据

（一）汽车发动机构造教学中涉及的发动机结构：虚拟创设三维立体全景

在中职专业课汽车发动机构造的教学中，教师应引导学生掌握汽车发动机的结构，包括发动机中零件的结构、形状等，以便学生深刻地理解发动机的结构。对此，教师可运用虚拟现实技术中的三维建模技术并按照汽车发动机零部件的实际形状来创设汽车发动机的三维实景模型，并增加颜色、亮度等要素，让学生产生真实的感觉——这样可以弥补汽车发动机教学中的一些不足，如汽车发动机构造教科书、教学课件和发动机模型不能呈现的汽车发动机零部件结构的全部细节；因安全原因，对于运行中的汽车发动机内部结构无法观察，也让学生不能获取发动机全景体验。

（二）汽车发动机构造教学中的工作原理：虚拟构建动态演示过程

在中职专业课汽车发动机构造的教学中，教师应为学生呈现汽车发动机各个系统的工作过程的景象，以便学生掌握汽车发动机的工作原理。对此，运用虚拟现实技术中的三维动画和立体显示技术并按照汽车发动机系统的工作原理，来创设一个发动机系统运行的工作过程，让学生在强临境感和环绕感的场景中感受汽车发动机工作原理的变化过程。

（三）中职专业课教学中的系列实训：虚拟构建交互环境

在中职专业课汽车发动机构造的教学中，教师应通过汽车发动机实训，让学生在情景互动的实训过程中逐渐掌握发动机的构造，并充分理解发动机各部分的工作原理。对此，运用虚拟现实的交互技术并按照汽车发动机的实训内容，创建一个和学生可以互动的虚拟发动机实训（如虚拟汽车发动机曲柄连杆机构拆装、虚拟配气机构维修等），在学生动手实训的过程中，增强了学生学习汽车发动机构造的交互体验感，这样可以弥补汽车发动机构造教学中使用课件和模型进行实训的交互局限性。

四、运用虚拟现实技术模拟汽车发动机实景的案例解析

当前，在中职专业课汽车发动机构造的教学中，运用桌面媒体、模型和实物来展现汽车发动机构造的实景，这种方式存在一定的不足。对此，本文将对运用虚拟现实技术模拟汽车发动机构造实景进行分析，探索虚拟现实技术在中职专业课汽车发动机构造的教学中的应用价值。

（一）汽车发动机构造案例介绍

本案例以人民交通出版社出版的《汽车发动机构造》中的“曲柄连杆机构”这一章节为例，运用汽车发动机虚拟现实技术的教学软件进行教学，分析其中实景体验和交互体验对中职专业课教学的作用，并探讨虚拟现实技术在教学中的价值。在这种VR 教学软件中，学生可以身临其境的体验汽车发动机曲柄连杆机构的结构和工作原理。而且，学生还能够进行交互式汽车发动机实训，如机体组的拆卸、曲轴飞轮组的装配等。

（二）教学内容

在“曲柄连杆机构”这节课中，教师可通过汽车发动机运行的情景进行导入，让学生进入学习汽车发动机的氛围，加强学生对汽车发动机的学习兴趣。接着，教师运用汽车发动机曲柄连杆机构的模型与动画进行演示，让学生知道汽车发动机曲柄连杆机构的组成和每部分的工作过程和原理，进一步让学生形成对汽车发动机曲柄连杆机构的基本认识。最后，教师通过情景交互的汽车发动机实训，让学生充分把握汽车发动机曲柄连杆机构的结构。

（三）教学设计

在汽车发动机“曲柄连杆机构”这节课中，教师要运用虚拟现实技术的软件和用户终端设备，构建满足学生实景体验和交互体验的汽车发动机教学情景。“曲柄连杆机构”的教学设计的思路如表1所示。

表1 曲柄连杆机构教学思路

根据表1所示进行教学，可设置如下教学环节：

环节1：运用虚拟现实技术将汽车发动机的结构和原理进行展现，让学生佩戴立体显示头盔和耳机来感受汽车发动机的结构和运行过程；

环节2：运用虚拟动画模拟汽车发动机，向学生呈现两大机构、五大系统和曲柄连杆机构，使得学生能够理解汽车发动机的工作原理，如图1所示；

环节3：运用情景交互让学生参与曲柄连杆机构的实训，学生在虚拟软件中使用手柄来拆卸曲柄连杆机构，让学生了解曲柄连杆机构的零件。然后，学生对曲柄连杆机构进行装配，并且掌握曲柄连杆机构的结构。在活动过程中学生应对曲柄连杆机构进行检修，以明确曲柄连杆机构的运行条件和状况。

图1 汽车发动机结构图

（四）虚拟现实技术的运用

在汽车发动机的“曲柄连杆机构”的教学中，可运用虚拟现实技术的场景建模、立体显示和虚拟交互等三种技术，如表2所示。

表2 虚拟现实技术在汽车发动机构造教学中的运用

第一步，首先运用3Dmax 等软件进行场景建模，构建发动机结构、两大机构、五大系统和曲柄连杆机构的实景模型，并且增加颜色、亮度和动画等参数。然后根据汽车发动机的特点运用Cubase 软件，制作发动机运行时带有科幻效果的声音和演示时的背景音乐；最后把构建的场景进行集成，把模型的参数进行设定，这样就可以输出虚拟的发动机实景。

第二步，将生成的虚拟发动机实景运用立体显示技术进行验证，将发动机实景与立体显示头盔进行连接测试，保证运行流畅，实现实景呈现。

第三步，运用虚拟交互手柄对发动机实景进行交互测试，以确保虚拟交互技术的正确运用，能够实现交互体验。

（五）虚拟现实技术教学的效果

1.构建了微缩化的虚拟汽车发动机，打破了中职专业课课堂教学的空间限制

运用虚拟现实技术创建汽车发动机实景，并将其运用到汽车发动机构造的教学中，在教室中就能使学生观察到汽车发动机曲柄连杆机构的构造，并在较短的时间里掌握汽车发动机曲柄连杆机构的工作过程，因此增大了汽车发动机构造教学的空间感。

2.展示了临境化的虚拟汽车发动机全景，增强了中职专业课汽车发动机构造课堂教学的实景体验感

首选，在中职汽车发动机构造的教学中运用了虚拟的汽车发动机实景，让学生可以面对面地学习汽车发动机。其次运用虚拟现实技术强化了学生在视觉、听觉上的感受，这样就加深了学生学习专业的兴趣，也增加了学生对汽车发动机的认识。最后，对学生进行汽车发动机动态的展示，让学生形象直观的认识发动机，因此提升了汽车发动机构造课堂的氛围。

3.创建了情景化的虚拟发动机实训，加强了汽车发动机课堂的交互体验

在汽车发动机构造的教学中运用虚拟现实技术模拟了汽车发动机，使得学生与模拟发动机的全景能够进行互动，让学生产生了进一步认知汽车发动机的意愿，并在曲柄连杆机构拆卸、装配和检修等交互实训中领会了汽车发动机的工作原理，由此使学生能够具备初步的汽车发动机修理的思维，而且增加了汽车发动机课堂的情景感。

综上所述，运用虚拟现实技术展现形象逼真的汽车发动机，既能吸引学生的注意力，也能调动学生的学习兴趣，还能够让学生掌握汽车发动机的结构和工作原理。故虚拟现实技术十分有助于汽车发动机构造的课堂教学。

五、结束语

在中职专业课汽车发动机构造的教学中，虚拟现实技术的运用大大改善了教学质量和教学效果。然而，虚拟教学技术教学也遇到一些问题：虚拟现实技术的使用要花费教师大量的时间和精力，而且开发难度较大，普及较难；虚拟现实技术设备长时间使用，不利于学生的身体健康；过于形象生动的虚拟现实的全景画面，容易分散中职学生的课堂注意力。

未来的虚拟现实技术可能不再借助于外围设备，只凭借人体器官和大脑就能够创设虚拟情境并进行交互。而且虚拟现实技术将更加网络化和智能化，如虚拟教学、虚拟实训等运用，这样将进一步提高教学效率，大大增加学生的学习动力，虚拟现实技术应用于中职专业课教学值得期待。