汽车检测与维修虚拟仿真实验教学资源建设

2020-03-03杨杰孙丹枫张丽娟葛晶

时代汽车 2020年23期

杨杰　孙丹枫　张丽娟　葛晶

摘要：基于虚拟仿真技术在汽车检测与维修技术专业实训课程中的具体应用以及应用效果——通过构建虚拟仿真实验平台四大系统、结合VR技术，帮助我院汽车检测与维修技术专业学生“沉浸式”进入教学情境，有效提升了教学质量，从而论证通过虚拟仿真技术与汽车检测与维修技术专业教学的紧密结合，可以提供培养学生实践能力和创新能力的平台，带来多方面、多层次的资源共享，对解决高职院校的汽车检测与维修技术专业在教学中存在的问题具有现实意义。

关键词：虚拟仿真汽车检测与维修教学资源建设虚实互补资源共享

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间，全国各大学校为保障教学工作的正常开展，充分利用和发挥线上教学的优势，做到了“停课不停学、离校不離教”。在线上教学中，多种多样的信息化技术被应用于教学组织中，虚拟仿真实验具有低成本、低风险、使用与维护方便等优点，广泛采用于实验操作风险高、实验资源建设投入高、运行维护成本大的实验教学项目，同时已成为高职院校实验教学建设的重要内容[1]。教育部近年来开展了建设国家级虚拟仿真教学中心的工作，充分发挥虚拟仿真实验的作用，切实提升高职院校实验教学质量[2-3]。

根据教育部提出的《国家职业教育改革实施方案》（简称“职教20条”）指导思想，结合高职院校汽车类学科专业的特点，提出了“积为教用、虚为实用、虚实互补、提升实效”的建设思路[4]，组织建设了汽车动力与制动虚拟仿真实验教学平台。在建设过程中，注重虚拟仿真与实验教学相结合，围绕汽车动力与制动系统，构建了汽车工作原理虚拟仿真实验系统、汽车构造虚拟仿真实验系统、整车拆装操作虚拟仿真实验系统、整车拆装操作虚拟仿真实验系统。该平台在高职实验教学中广泛应用，取得了较好的成效。

1 虚拟仿真实验教学资源建设的必要性

在传统高职院校汽车检测与维修技术专业的实验教学过程中存在以下问题：

（1）成本高：完整的实训室不仅需要多种类型的汽车样品，还需配备地沟举升机、汽车补给设备、润滑设备、紧固设备、发动机综合检测仪、气缸漏气检测仪、曲轴箱串气检测仪、油液质量检测仪、转向盘转动量检测仪、车轮动平衡机等众多辅助设备，汽车由于自重较大，需要托吊作业才能进行检测与维修作业，需要较大的厂房支撑。上述要求造价高昂难以满足。

（2）效率低：近些年，由于招生人数的增加，实训室难以满足学生的规模，出现了“僧多粥少”的状况。以往平均每4课时实训时间不能超过15人，现在一个班编制为30人，实训实践超过8课时，实训效率低下，学生观摩过多，动手较少。并且，教师工作强度负荷剧增，实训效果不好。

（3）模拟难：汽车零件在实际工作中会出现自然磨损和消耗情况、使用环境造成零部件异常情况和人为因素造成非正常情况。这些情况的出现需要学生进行辨别和分类处理，有些知识点需要学生理解掌握，由于情况多种多样，无法通过单一的实体实验进行阐述，模拟现场情况较难，实训效果欠佳。

（4）监督考核难：汽车检测与维修实训是线性的实验过程，监督和考核较难[5]。

基于此，提出了汽车检测与维修技术专业虚拟仿真教学平台的建设方案，在设计过程中，坚持“科学建设、以人为本、高效安全、资源共享”的建设理念，本着“零风险、低成本、便维护”的建设思路，利用互联网、增强现实、虚拟现实、三维扫描、人机交互、新媒体等技术手段，构建具有“科技与艺术，科学与技术”完美结合的虚拟仿真实验平台。鼓励学生积极参与线上学习、自主实验、创新实践。力求加快“双高计划”的落实、为培养出中国特色高水平高职人才发挥积极作用。

2 汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台的建设框架

2.1 平台的四大实验系统

依据该专业的几门核心课程，汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台构建了四大实验系统：汽车构造虚拟仿真实验系统、汽车工作原理虚拟仿真实验系统、汽车拆装与调整虚拟仿真实验系统、汽车检测诊断与维修保养虚拟仿真实验系统。四大实验系统的工作原理与操作步骤如下：

2.1.1 汽车构造虚拟仿真实验系统

该系统选取汽车的89个部件进行介绍，配备有三维展示模型、可检索图鉴数据库，用以介绍各个部件的名词称谓、造型、结构、零件等。首先，三维展示模型表现了汽车各个部件的透视构造。关于表现到哪些层面：用户通过点击icon，可以炸开、组合、360度旋转每个部件的模型，以及隐藏、显示其中每个零件的模型，这样就可以更好地观察部件的结构细节与部件之间的结构关系（见图1）。关于表现到何种精度：建模采取工业级的制作标准，先使用手持激光三维扫描仪采集部件实体的外观数据并且导入电脑，再通过三维扫描的配套软件处理Point Cloud数据，最后借助Maya软件，翻模生成高精度且带法线贴图的三维模型[6]，这样就可以更好地向用户展示汽车各个部件的外观造型。其次，可检索图鉴数据库补充了专业理论知识的储备。在检索栏中输入关键字（汽车各个部件的称谓），就可以从配套数据库中调出相对应的图鉴资源——即该部件的造型、结构、零件的图片采集与文本介绍，这样，用户就可以更加详实地了解关于汽车部件的理论知识。

2.1.2 汽车工作原理虚拟仿真实验系统

该系统配备三维展示动画，用以展示汽车在启动、换挡、转向、制动等不同运动状态中的系统联动工作原理。用户通过点击icon，可以获取汽车在不同运动状态中的三维展示动画，从而直观了解汽车整体的工作原理，加强认识汽车各个部件（比如制动钳、制动总泵、节流分配阀等）的工作原理，乃至系统掌握汽车整体的运行、操控方法（见图2）。

2.1.3 汽车拆装与调整虚拟仿真实验系统

该系统包含观摩拆装与调整、虚拟拆装与调整、自主拆装与调整三大模块，以及整车拆装、汽车附件拆装、汽车电器拆装、汽车发动机拆装与调整、汽车底盘拆装与调整五大实验。它可以在VR平臺、AR平台、电脑平台、平板电脑平台、智能手机平台上运行（见图3）。首先，在观摩拆装与调整模块中，会有虚拟角色在三维场景中，去根据系统弹出的声音提示与文字框提示来依次进行汽车拆装与调整五大实验的规范化操作。用户通过观摩上述的三维场景动画，可以明晰汽车拆装与调整五大实验的标准流程，为下一步的虚拟拆装与调整与自主拆装与调整打下理论基础。其次，在虚拟拆装与调整模块中，用户进入虚拟车间，成为虚拟角色，去根据系统弹出的提示声音与提示文字框来依次完成汽车拆装与调整五大实验。在答题环节，会有虚拟角色所扮演的老师，去根据知识重点与知识难点来组织选择题，向用户提问，如果用户点选正确选项，则会弹出提示文字框，内容是正确选项成立的理由与解释，然后进入下一题，如果选错，则也会弹出提示文字框，不过，内容却是关于正确答案的提示，这样，用户在思考后重新选择，直至选对为止，上述这套答题机制可以防止用户蒙题。最后，在自主拆装与调整模块中，用户仍然进入虚拟车间，成为虚拟角色，但是，系统不会再有提示声音与提示文字框，用户根据在观摩拆装与调整与虚拟拆装与调整中积累的经验，自主完成汽车拆装与调整五大实验。自主拆装与调整期间，如果用户卡在某个步骤的时间超过15秒，或者，如果用户误操作的次数超过5次，系统则会弹出提示文字框，内容是关于正确实验的提示，用户根据提示继续操作，直到完结这个步骤为止，最后，在实验结束后，系统会向用户出具实验记录报告书，记录错误步骤数目，然后加载回到错误步骤，让用户重新练习，以加深纠错部分印象。

2.1.4 汽车检测诊断与维修保养虚拟仿真实验系统

该系统采用故障树分析法，查找出需要维修的故障点（见图4）。故障树的最顶层为顶端事件，是故障症状;最底层为底端事件，是故障排除;中间多层为中间事件，是从最初故障症状到最小故障点的故障点。联结故障树层级的逻辑关系是因果关系或并列关系，位于中间层与底层的故障原因（故障点与最小故障点）是因，位于顶层的故障症状是果。以查找发动机怠速不稳故障点为例，发动机怠速不稳为最初故障症状，是故障树顶端事件，推演至下一层级，进气、气缸压力故障和点火、喷油故障为故障点，是故障树中间事件，继续推演至下一层级，根据点火、喷油故障点，得出喷油系统故障点与点火系统故障点。根据喷油系统故障点，得出喷油线路故障点与喷油器故障点;根据点火系统故障点，得出点火线圈故障点与火花塞故障点。那么，这一层级共有四个故障点，而根据其中每个故障点，又能继续推演至下一层级，得出更小故障点，以此类推，直至故障排除，直至到达故障树底端事件——最小故障点为止[7]。在虚拟仿真实验中采用故障树分析法查找故障点，具有检测精确的优越性，可以提高维修效率，实验效果更佳。该系统所有故障树都被收纳到数据库中，数据库收纳汽车的所有故障症状乃至根据所有故障症状推演得出的所有故障点，相关数据来自企业，保证真实有效。虚拟仿真实验的故障树数据库具有案例全面的优越性，有助于用户学习。除了使用故障树查找故障点，该系统的另一亮点是在线考核模块，它的考核形式、考核内容以及评分标准都由企业制订，其中，考核内容以企业需求为导向，包括企业岗前培训考核、多种技师考证等。在虚拟仿真平台中添加在线考核模块，不仅可以监督与考察到用户的学习情况，还可以加深校企合作，这样可以增强平台的应用性（见图5）。

2.2 平台的三大服务窗口

汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台实验教学虚拟仿真平台包含了三大服务窗口：学生服务窗口、教师服务窗口、管理员服务窗口。用于协助平台运营（见图6）。

3 汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台的教学应用

3.1 虚拟与现实相结合的教学模式

将汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台应用于教学，需要采用虚实结合的教学模式。首先，虚为实用，虚拟实验教学辅助实体实验教学，可以延展实验教学时空，学生利用手机扫描识别二维码，就可以在智能手机、平板电脑、电脑上打开虚拟仿真平台，随时随地开展实验，虚拟实验教学不受时空限制，适合课外进行，以作为对课内实体实验教学的补充;其次，虚实互补，虚拟实验教学结合实体实验教学，可以弥补传统实验教学的不足，然而，在实体实验中，实验样本不仅“看得见”，还“摸得着”，学生可以直触样本质感，这是实体实验一个重要优势，因此，虚拟实验无法完全替代实体实验。综上，虚拟实验与实体实验各有优势，应该在教学中综合应用两者。

3.2 在实训中进行虚实结合的教学

以在《汽车发动机拆装与调整》实训中进行虚实结合的教学为例。《汽车发动机拆装与调整》与《整车拆装》实训、《汽车附件拆装》实训、《汽车电器拆装》实训、《汽车底盘拆装与调整》实训一起，都是汽车检测与维修技术专业的《汽车拆装与调整》课程的教学内容。《汽车发动机拆装与调整》实训占用32个课时与2个学分，实训内容为：掌握各种实训所需工具、量具的使用、掌握汽车发动机的种类与工作原理、掌握按照企业标准进行汽车发动机的拆装与调整的流水线操作。在《汽车发动机拆装与调整》实训中，可以应用虚拟仿真平台，进行虚实结合的课堂教学。

3.2.1 课前预习

在课前，学生可以利用平台的汽车构造虚拟仿真实验系统的可检索数据库与三维展示模型这两个功能，预习发动机的种类、名称、造型、结构、零件等知识点，还可以利用汽车工作原理虚拟仿真实验系统的三维展示动画这一个功能，反复观看发动机的工作原理的演示动画，直至熟记于心。在课前应用虚拟仿真平台进行自学，首先，学生不用再去查找各种纸质或网络的参考资料，也不用再去验证这些参考资料的真伪，这样可以节省自学时间、提高自学效率;再者，虚拟仿真平台能够带给学生“沉浸式”的用户体验，其中的三维模型、三维动画兼具趣味性与多样化的特色，可以激发学生的观赏兴趣，从而可以提升学生的学习积极性;最后，如果学生善于利用碎片化时间，在课前应用虚拟仿真平台，完成诸如发动机的种类、名称、造型、结构、零件、工作原理等概念性知识的自学，那么，在课堂上，教师就不用再去赘述理论基础，而是直接开始实验，师生一起，迅速进入实践状态，而实训课程重在实践，实践越多，则教学效果越好。

3.2.2 課中学习

在《汽车发动机拆装与调整》实训的传统教学模式中，首先是教师的讲解结合案例示范，接着是学生进行实体实验操作，并且教师给予一定辅导，最后，教师汇总学生问题进行答疑。然而，实体实验如果操作不当，可能会有安全事故，比如进行发动机冷却系统拆装时，如果在冷却液水温达到发动机工作温度，就容易被烫伤。假使学生成为操作“熟练工”，那么就能大大降低事故发生的概率。在课中应用虚拟仿真平台，进行虚实结合的教学，令学生在虚拟实验中逐步熟悉发动机的拆装与调整的整个流程，之后再跟进实体实验，这样可以降低因学生误操作而引发事故的可能性。此外，在实体实验中，学生如遇不解之处，还能打开平台，参照演示动画，继续下一步骤，这样，即使教师未能及时给予指导、答疑，学生也能自主完成实验，而不至于因为疑问而停滞不前。综上，虚实结合教学模式十分可行，整个实训32个课时，前16个课时安排做虚拟实验，后16个课时安排做实体实验，由虚入实，渐入佳境，这样教学效果更佳。

3.2.3 课后复习

在课后应用虚拟仿真平台对课堂进行回顾，通过登录学生服务窗口，学生可以自主选择平台中各个系统，以及系统中各个模块，来考察自己对知识点的掌握情况，以及对实验过程的熟练程度。实体实验对硬件设施要求较高，一旦学生走出实验室，就将无法继续实验操作，因为，实验样本（发动机）与实验工具、量具无法在实验室外随意获取，上述情况不利学生开展复习，如果应用虚拟仿真平台，就能解决此种问题。

4 汽车检测与维修实验教学虚拟仿真平台的建设成效

4.1 校内共享的成效

汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台可以通过校内校园网进行共享，本专业或非本专业师生都可以通过智能手机或电脑登录。其中，在线交流板块提供给师生线上讨论的渠道，他们可以在此阅读、发布与评论自己感兴趣的话题，在平台内设置在线交流板块，可以增加学习平台的热度与话题性，还可以提供给师生一个契机，让他们在线上交流中进行不受时空限制的答疑解惑，学生一旦在线下课堂中遇到疑问，就可以在线上平台内发布话题，等待老师或同学的评论回复，同时，自己也可以在板块内浏览与回复他人的疑问，每当成功解决自己或他人的疑问后，学生会在心理上获得自我肯定，从而间接激发学习热情，这种可以增加学生自信心的优势是在传统的线下教学情境中所未有的[8]。此外，虚拟仿真实验教学资源库的主要构建者为教师群体，由于需要持续完善虚拟仿真教学资源库，构思出、制作出学生喜欢的案例，他们的专业水平、制作经验在长期的推敲琢磨、止于至善中得到提升积累，从而有利于在国家级、省级等不同级别的微课、教学能手大赛、信息化教学比赛中斩获佳绩[9]。

4.2 校际共享的成效

汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台应用于国内高等教育领域的时间较早，不仅为自己院校、也为兄弟院校提供了实验教学服务，为教师课题、项目的开展提供了平台媒介。在平台的运行过程中，院校之间共同发现存在问题、探讨解决方案，进一步完善平台的数据系统和服务功能，在此期间，院校之间共享教学数据，共同开发，优势互补，一起致力于带动行业教学的发展，为社会提供高质量的行业人才[10]。

4.3 校企共享的成效

汽车检测与维修技术专业实验教学虚拟仿真平台资源与企业共享，为企业的岗前培训、技师考证提供了服务平台。在和南京某汽车企业的校企合作中，共同开发了发动机装配技能的培训与考核系统，员工可以通过线上平台进行远程访问学习与考核，考核方式与考核标准均由企业制订。平台对企业员工进行定期考核，可以提升员工的业务能力，在实际应用中取得了良好反馈。

5 结语

在“互联网+”大背景下，汽车检测与维修专业虚拟仿真实验教学资源建设提供了一个供学生随时、随地进入网络系统进行实验的平台，提高了学生的学习兴趣，锻炼了学生的洞察力，实践能力，创新能力和深度思考能力[11];教学资源平台具有易扩展的特点，师生可以自主上传视频和学习资料，达到共建的目的;相较于传统教学具有低成本、低风险、高效率的特点。同时，虚拟仿真教学资源平台可以对在线开放课程、“金课”、“微课”的建设提供教学资源库和信息化手段[12]。综上所述，深入开发虚拟仿真实验教学资源平台，丰富教学资源建设，实现虚实结合的实验教学模式，实现最大规模的响应和共享，具有重要的现实意义。

基金项目：江苏省教育厅 2020 年度高校“青蓝工程”资助（sponsored by Qing Lan Project）;江苏省教育信息化研究课题项目“基于虚拟仿真技术的课程教学平台构建”（编号：20180063），主持人：杨杰。

参考文献：

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[2]教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知：教高司函[2013]94号[Z].2013.

[3]李倩倩，苏新，刘豪，等.依托实验教学中心进行实验教学改革[J]，实验技术与管理，2017，34（5）：215-217.

[4]张彪，潘志明，魏万红，等.植物物种鉴别实验虚拟仿真资源的构建与应用[J]，实验技术与管理，2018，33（9）：134-136，149.

[5]费景洲，曹贻鹏，陆勇，等.能源动力类专业创新型人才培养的探索与实践[J]，实验技术与管理，2016，33（1）：23-27.

[6]张远翼，张鹰，陈晓娟.三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用研究[J]，实验技术与管理，2014，31（1）：79-82.

[7]丁继斌，丁士清，宋延东.故障树分析在汽车使用与维修中的应用[J]，机械工程与自动化，2009，156（10）：103-104，107.

[8]左铁镛.高等学校实验室建设的作用与思考[J]，实验室研究与探索，2011，30（4）：1-5.

[9]王卫国，胡今鴻，刘宏.国外高职院校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]，实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[10]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J]，实验技术与管理，2011，28（8）：76-78，82.