虚拟现实技术在汽车发动机进气系统拆装教学中的研究与应用

郑华磊

摘 要：随着信息技术的全球化，数字化资源运用越来越广泛。虚拟现实技术以其真实的代入感，给现阶段职业教育带来改善的可能性新变化。本文以汽车维修专业中的发动机拆装任务中的进气系统拆装为载体，以“工学结合，校企合作”为基础，对虚拟现实技术的特点及对职业教育的价值进行介绍，对该任务的教学进行软件开发;并利用虚拟现实技术进行教学软件开发、对课程进行改善设计、教学计划实施应用，通过数据分析总结以及虚拟现实技术在培养学生职业能力和非职业能力，对改善学生学习效果等方面进行了分析阐述。

关键词：虚拟现实技术 进气系统拆装 职业能力 非职业能力

虚拟现实（简称VR）技术通过计算机的圖形、仿真等软件技术与传感器、显示等硬件技术，通过虚拟环境的交互操作，使操作者产生真实的沉浸感。它有三个方面的特征，分别是：沉浸感、交互性、构想性。

一、虚拟现实技术对职业教育教学的作用

1.建立高效的学习途径

学习途径主要体现在三个方面：“视觉、听觉、动觉”。传统的课程通过图片、色彩、讲授、学生讨论、角色扮演、实车实习等方法让学生通过这三种途径进行学习。虚拟现实技术则是在数字化资源的基础上进行了全面的升级，在使用过程中能同时伴有三种学习途径，有利于改善学习效果。

2.解决教学“观”与“摹”的实际问题

根据人社部《一体化课程教学标准开发技术规程》的要求，各个职业院校教学普遍按照资讯、计划、决策、实施、检查控制、评估的设计流程进行。笔者根据《规程》的要求结合自身教学经验，对于教学环节过程进行了细分。教学环节分为七个过程要素：确立典型工作任务、进行案例导入、知识学习、观看教师的操作过程、临摹操作过程、教师给予问题的解释、实操（计划，决策，实施）、总结评价，即“导、研、观、摹、解、练、评”。虚拟现实技术解决了职业院校授课师生比（1：20）偏小、学生人数偏多带来的学生观看教师操作困难，模拟操作不方便等问题。

二、虚拟现实技术针对进气系统拆装课程的资源开发

1.进气系统拆装的课程任务定位

研究虚拟现实技术对职业教育学生能力提升的问题，需要有课程任务作为研究载体，因此笔者选取了适合采用虚拟现实技术教学的汽车维修拆装课程，将进气系统拆装这一任务作为本论文的研究载体。

2.工学结合的虚拟资源开发过程

（1）正确建立任务的虚拟现实开发流程。在研究过程中，制作过程首先要分为5个团队：企业团队、课程团队（专业教师）、视频团队、程序团队、模型团队。另外需要完成几个任务：视频制作、模型（Maya）制作、程序（Unity 3D）制作与调试。模型制作和视频制作需要同时进行，程序员可以先熟悉拆装过程，等待模型和视频都结束后，进行程序的编写与调试。

（2）工学结合的视频开发过程。在真正的工作过程中，对于实际拆装设备奔驰M274发动机了解程度不足，有些脚本需要在视频拍摄过程中编写。

（3）工学结合的模型开发过程。模型开发过程中，相关参与学生将企业技师拆卸的零部件递交给模型团队，并告诉模型团队零部件的名称。学生已经学习过发动机认识。在视频拍摄时，教师告诉场记的操作记录里也可以找到名称，因此学生完全可以胜任工作，并且加深了对零部件认识的了解。

（4）工学结合的交互程序开发过程与调试。为了真正培养出复合型高技能人才，通过制作模型的Maya软件，编程的Unity 3D，组织学生进行编程学习，通过兴趣班的形式进行课程孵化。

三、基于虚拟现实技术的课程设计与实施

1.课程设计

（1）研究思路。为了研究该课程对学生综合能力的提升，笔者对该任务设计了对比试验组，未改善的传统班级和虚拟现实改善班级进行相同时间的任务教学。笔者选择了为同一名教师上课，并且选取成绩接近的两个班级进行试验。

（2）学情分析。学习情境分五个方面，可以用因果图进行展示。

学生层次：第一学年第二学期、20人、分四个小组每组5人。

学生特征：态度积极、自信、可以进行团队协作、具备学习能力。

职业能力：已学过发动机认识课程、熟悉虚拟现实设备。

非职业能力：语言表达能力欠缺、创新能力差。

应对方法：多给学生展示机会、数字化资源辅助教学、提交作业及时反馈。

（3）学习目标确立。课前目标：通过对发动机认识课程的回顾写出进气系统各零部件名称及作用。课中目标：写出奔驰M274发动机进气系统的拆装流程;能在规定的时间内完成进气系统的拆装，并能解决拆装过程的问题;能够规范地进行拆装操作。课后目标：能够正确叙述奔驰M274发动机进气系统的拆装流程。

2.学习内容确定

学习内容主要是进气系统理论、进气系统拆装流程、拆装规范和解决问题的能力，其中拆装流程是重点，拆装规范和解决问题能力是课程的难点。

3.学习资源准备

场地：数字化教学与VR实训中心：可以容纳20名学生，20台学生电脑，1台教师电脑，1个智慧黑板，4个一体机显示器。

VR设备：HTC Vive。

发动机：奔驰M274发动机。

其他课程资源、视频及虚拟现实软件资源。

4.课程改善分析

普通教学与虚拟现实改善的教学区别主要表现在两个方面。一方面是展示的不同，虚拟现实技术可以在教师模拟操作的过程中，面向所有的学生进行展示，而普通课程教师操作展示的时候，需要分组进行。这样不仅浪费了时间，而且很多学生不能看清教师的操作。

5.学习实施方案

见表1。

6.课程评价

对学生职业能力和非职业能力进行SMART评价，采用一级评价方法进行互评、自评、他评（教师评价）的评价体系。为了真实有效地进行评价，自评和互评只记录而不占权重，学习任务的过程性评价取决于教师评价。

教师在教学评价系统中输入评价分数及权重。课程结束后，经过大数据分析，对每个学生进行职业能力（包括拆装规范、拆装节拍、6S、理论知识、知识归纳）和非职业能力（态度语言、创造性、独立学习、团队协作）各5个维度的评价，根据重要程度设定各维度的评价，最终将学生的学习情况进行大数据定制化评价（包括学生信息、职业能力雷达图、非职业能力雷达图、学生评价），为企业定制化选择合适员工带来了依据。

7.课程实施中评价的要求

筆者首先对于试验样本中普通班级的学生进行授课，并对其职业能力和非职业能力进行评价，其次对于虚拟现实技术改善后的班级进行评价。为了研究的具体和准确，需要采集职业能力的权重分数，非职业能力的权重分数，以及职业能力和非职业能力每个维度的平均分数，在此基础上为了反映学习效果，将对试验组采集3个月后进行职业能力的重新测评。

四、基于虚拟现实技术改善教学的效果

1.改善后的评价分析

（1）职业能力。普通班级职业能力的权重成绩（78.85分）比虚拟现实技术改善班级的分数（83.40分）低4.55分，其中拆装规范和拆装的节拍要高于普通班级5分以上，工作过程6S、理论知识、归纳能力相差不大。这反映了改善后对于学生职业能力是有提升的。学生工作的时候速度快，规范性好，反映了学生熟练程度不同，说明虚拟现实技术的改善对学生的职业能力提升起到了明显效果。

（2）非职业能力。普通班级非职业能力的权重成绩（83.40分）比虚拟现实改善班级的分数（83.80分）低0.50分，相差很小，权重指标非常接近。改善后学生提高最明显的是学习态度。这是因为学习积极性提高的结果，说明对改善后学生非职业能力有单项维度的提高。

（3）职业能力存留率。普通班级职业能力的权重成绩（79.60分）比虚拟现实技术改善班级的分数（82.90分）低3.30分。虚拟现实技术改善的班级在拆装规范以及拆装节拍方面依然要高于普通班级，说明普通班级经过了一次实训后熟练程度有了提高，但是从学习效果来讲，三个月后工作的效果还是不如采用虚拟教学的班级好。工作过程6S和理论知识数据相同，说明改善后效果并不明显，然而知识归纳水平拉开了差距，说明对于任务的理解程度已经不同。这不仅有利于知识和技能的留存，更有利于新知识的学习的迁移。

2.数据分析与总结

通过数据的分析，可以看出虚拟现实技术对于学生职业能力的提高更为明显，尤其实际操作方面，学生不管是规范性还是工作节拍都有显著的提高，并且间隔一段时间后，依然保持这样的学习效果。这说明学生能够对于实际操作有更深刻的了解。笔者也统计了个人方面，改善后的班级优秀率和普通班级基本相同，但是整体平均分数高，说明改善对于成绩中等和成绩较差的学生效果更为明显。另外，对于非职业能力方面，改善主要是影响了学生的学习积极性，尤其是学习中等和学习较差的学生的积极性，学习态度这一维度有了提高，其他的非能力目标并未有明显提高。

五、小结

本文是针对汽车维修课程进行的一次改革尝试，基于虚拟现实技术改善教学流程，从而研究学生学习能力的改善效果，具有一定的开创意义。研究在真实的教学中进行，研究数据包括学生的职业能力、非职业能力，也有学习效果的留存率，得到了该实验的研究成果，并对今后的教学起到积极的借鉴意义。

本研究仍有可挖掘的方向，比如学生职业能力与非职业能力每个维度的正向分布，判断对不同水平的学生的改善情况和变化规律，另外可以进行追踪研究、如何更有效地改善学习效果留存率问题、如何进行非职业能力提高等都可以进行研究。

另外，虚拟现实技术在职业教学中的应用，也可以考虑逆向教学，也就是展示错误结果，在现实中错误操作会带来设备的损坏，成本的增加，操作人员的安全问题。这也是在虚拟现实技术环境里可以研究的问题。

参考文献：

[1]孙少明.虚拟现实技术在教育中应用的优势及存在的问题[J].学园，2018（1）.

[2]赵章红.虚拟现实技术在职业教育发展中的应用[J].河南教育（职成教板），2016（9）.

[3]覃斌.VR虚拟现实技术在职业教育中的应用价值评述[J].辽宁高职学报，2017（2）.

（作者单位：北京汽车技师学院）