基于VR技术的汽车构造实验教学系统开发

王迎辉 卢振生 王九龙 张 岩

（绥化学院电气工程学院 黑龙江绥化 152061）

从汽车服务工程专业的强应用角度出发，以具有理论应用能力、实践能力和专业创新能力，适应汽车服务发展需要，能够在汽车运用保障服务、汽车金融保险服务、汽车专业技术服务等领域中致力于技术或管理工作方面的应用型人才培养目标为出发点，结合汽车构造实验在专业教学中的实际地位，传统教学方式难以满足学生探究性、综合性和设计性以及线上线下的学习要求，因此深入探究与分析虚拟现实（VR,VirtualReality）技术在汽车构造实验教学中的应用策略显得非常重要。

一、VR技术在汽车构造实验教学中的优势分析

虚拟现实，也可称作虚拟仿真，随着VR技术的迅速发展，在教育部对虚拟仿真实验室的支持下，我校不断鼓励各专业建立虚拟仿真实验教学项目，VR技术是采用三维几何模型、音频播放及其它专业的外围设备，通过计算机生成三维空间上的交互式动态视景[1]，其在1989年被美国VPL公司正式提出，并于1992年正式成立第一个虚拟现实技术与仿真实验室[2]。如今，我国已有多个科研机构与高等院校对虚拟现实技术进行深入研究和运用，北京航天航空大学对分布式飞行模拟仿真方面的应用进行了深入研究，哈尔滨工业大学侧重于人机交互上的成果，安徽大学、西安交通大学、西北工业大学、北方工业大学、上海交通大学等高校都对VR技术方面进行了相关的科学研究，其主要研究均集中于公共课虚拟现实实验的实现方法，在汽车构造实验教学环节与教学设计理论研究方面关注较少[3]。

二、基于VR技术的汽车构造实验教学设计策略

依据传统的建构主义原理可知，学生收获文化知识不是依靠教师的传授，而是学生在一系列复杂的社会及文化背景下，即通过教师与同伴的协助，借助有效的学习资料，通过意义建构的方法获得相应的知识与能力。而VR技术的特性有利于实现建构主义学习理论中的四要素，即“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”，其中情境对于汽车构造实验的学习非常重要，汽车由上数以万计的零部件构成，结构相对复杂，不同系统工作原理各不相同，且在工作上存在较为复杂的连带关系[4]，为此如何运用VR技术设计和实现有效的教学情境显得尤为重要。

为实现情境的真实性，在情境设计中需规范情境所包含的知识，体现出知识在现实中的运用，VR技术由于其具有真实的存在感和良好的交互特性，再结合三维动画技术，学生既可以在虚拟学习情境中进行探究、训练和体验，还可以通过与机器的互动加深对知识的应用理解[5]。认知心理学将知识分为陈述性和程序性两类，对汽车构造实验课程而言，其大量内容为陈述性知识，对于VR中视觉表征拟真程度要求较高，因此在现实的教学中应遵循科学规律因素，即应该合理运用物理引擎，真实清楚地模拟现实中的客观规律，从而准确地把知识在真实中运用的方式呈现给学习者[5]。基于以上对VR技术与教学方法的研究，本文所设计的教学策略如图1所示。

图1 虚拟现实教学策略设计

三、VR技术在汽车构造实验中的应用与开发

为满足学生对汽车构造实验的学习要求，结合本文所设计的教学策略，汽车构造虚拟现实实验系统应包括汽车虚拟零部件拆装实训系统、汽车虚拟总成拆装实训系统与整车仿真实验系统，其中整车仿真实验系统让学生了解整部汽车主要组成部分和各个系统的整体构造与功能；汽车虚拟零部件拆装实训系统和汽车虚拟总成拆装实训系统根据应用型高校实验教学的特点，绥化学院汽车服务工程专业所搭建的虚拟拆装软件可以模拟不同车型的拆装实训场景，并配有与4S店工作车间完全吻合的实训中心，对车间实训场景图像可进行 360 度旋转，如图2所示为虚拟实训中心场景，学生可以通过鼠标拖曳或触屏点击操作与实验系统进行实时交互；学生还可以选择对总成的零部件进行拆解，同时选择不同的拆装工具，按照维修装配手册中的规范步骤对发动机进行相应地拆装操作，在实训系统中会相应的显示操作失误的缘由，在最终的实训考核系统中完成专业化与合理化的打分。

图2 虚拟实训中心场景

基于对汽车构造实验的教学方案与策略设计，本文开发了“汽车构造实验”三维虚拟现实学习资源，主要经过以下流程如图3所示。

图3 三维虚拟现实学习资源开发流程

将SolidWorks三维绘图软件生成的几何零件模型导入3DMAX软件后，其网格模式为NURBS形式，当存在部分的曲面出现法线方向反转时，可手动调整曲面的反转方向，使所有曲面的法线保持向外。在SolidWorks三维绘图软件中，使用材质编辑器对模型的材质进行设置，可以实现金属零件的质感，同时SolidWorks三维绘图软件可实现动画演示，最终将三维动画模拟仿真软件导入到虚拟现实开发引擎中，并定义模型对象的逻辑信息和用户的交互举措，其中捷达轿车的人机交互如图4～6所示。

图4 捷达轿车零部件与总成概览的人机交互

图5 捷达轿车拆装演示的人机交互

图6 捷达轿车拆装考核的人机交互

通过虚拟仿真实训，学生们可以更好地发挥其主观能动性，能够更好地符合教学中的学生主观特性的需求，从而实现校内课程实训与人才需求企业实际生产之间的统一。基于VR技术的虚拟仿真实训环境，可以不断更新教学内容以满足各类教学需求。虚拟仿真实训也更为安全，在避免学生们危险操作的同时，还能够实现反复训练，进而大幅地提高学生的实践操作技能。

四、结论

学生是课堂教学的核心，在教学中一方面要考虑学生的学习需求，另一方面不断更新和改进教学方法，VR技术在应用型本科院校的汽车构造实验中应用，可迅速激发学生对本门课的学习兴趣，同时在一定限度内提高学生的学习效率，最终达到提升汽车构造实验课教学质量的目标，在VR技术的协助下，学生可在丰富的线上资源里将理论知识与实际操作相结合，进而增强学生线下的实践操作与动手能力。依据十九届四中全会对教育的指示精神，VR技术在教学中的应用可满足学生的终身学习需求，使学生能够在多学科背景下的团队中理解个人、团队和负责人的角色内涵，并且可承担个体、团队成员和负责人等角色的相关工作；具有较为开阔的国际视野和跨文化交际的能力；因此，本文所研究的虚拟现实技术在汽车构造实验课程中的广泛应用，不仅可以在一定程度上提高该课程的教学质量，而且该技术值得在汽车服务工程专业其它实验教学领域进行深入研究。