汽车发动机原理课程虚拟仿真教学系统研究

崔丽

摘 要：汽车发动机原理课程中的发动机拆装实训作为一个方便学生了解发动机结构，运用发动机理论知识的具体途径对学生学习发动机原理而言是尤为重要的。文章在对传统的发动机拆装实训的不足之处进行论述的基础上，阐述了利用虚拟仿真教学系统进行发动机拆装的优势，另外还对虚拟仿真教学系统需要达到的功能以及要完成相应要求需具备的模块和系统进行研究，从而促进汽车发动机原理课程虚拟仿真教学的发展。

关键词：汽车发动机原理课程 发动机拆装实训 虚拟仿真教学系统

Research on Virtual Simulation Teaching System of Automobile Engine Principle Course

Cui Li

Abstract：The engine disassembly and assembly training in the course of automobile engine principle is a convenient way for students to understand the engine structure， and the specific way to use engine theory knowledge is particularly important for students to learn engine principles. Based on the discussion of the shortcomings of the traditional engine disassembly and assembly training， the article explains the advantages of using the virtual simulation teaching system for engine disassembly and assembly， and the functions and requirements of the virtual simulation teaching system to be achieved. The required modules and systems are studied to promote the development of virtual simulation teaching of automobile engine principle courses.

Key words：automobile engine principle course， engine disassembly and assembly training， virtual simulation teaching system

1 引言

随着计算机技术、人工智能技术和网络技术的不断发展，虚拟仿真技术作为一项多领域集成性的技术也在不断完善，日趋成熟。虚拟仿真技术可以实现现实情景或者虚构情景的呈现，让使用者通过视觉、听觉或触觉来达到与虚拟情景的交互。该技术依靠其互动性、便捷性和真实性应用于越来越多的领域，如城市规划、数字化校园、娱乐、艺术以及工业等。在教育领域虚拟仿真技术的应用可以更好的地构建数字化校园，也可以对课程内容和教授方式产生影响，带来革新。本文以汽车发动机原理课程为对象，研究虚拟仿真教学系统在该课程中的作用。

2 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是通过计算机系统对现实环境或者想象事物进行构建的一种技术，通过传感装置来完成用户与系统之间的交互，给用户真实的体验。虚拟仿真教学系统即利用虚拟仿真技术搭建以教学内容为主要框架的教学平台，通过平台各个功能模块实现对应的教学任务。汽车发动机原理课程是以发动机性能为主要研究对象的一门课程。该课程介绍了汽车发动机的基本理论和结构、工作原理与工作特点、影响因素、性能指标以及发动机发展的前沿技术[1]。该课程不仅要求学生熟知发动机的基础理论，还要求学生能将理论知识应用到实际操作中，独立地完成对发动机的拆装。

3 传统发动机拆装实训的不足

发动机的拆装是发动机原理课程中重要的组成部分，是学生实践理论知识的关键途径。传统的发动机拆装实训主要由老师带领学生去专门的场地利用实物来进行拆装训练。但是传统的拆装方式有很多不足。首先传统的拆装容易受到场地、设备和人数的制约，因为设备是有限的，所以只能将学生分组进行拆装，而一位老师不可能事无巨细地盯着每一个小组的拆装过程，这就导致拆装中会存在个别学生随意操作，糊弄了事甚至消极怠工的情况;其次汽车的发动机是汽车的核心部分，是由许多零件组成的复杂装置，交给刚刚学完发动机原理的学生来拆装无疑是极具难度和挑戰性的，学生可能做不到系统地、准确地完成拆装，致使零件丢失或零件接合不当，对设备造成损伤[2]。而且学生仅仅只能在一堂课的时间内进行动手操作，由于人数和时间的限制，往往没有多余的练习时间，无法更好地了解拆装过程和发动机的内在结构。

4 利用虚拟仿真教学系统进行发动机拆装的优势

针对传统的发动机拆装过程的不足，虚拟仿真教学系统开始被广泛的应用到发动机的拆装实训。利用虚拟仿真教学系统进行发动机拆装，可以有效降低场地和设备成本，减少发动机在人为拆装过程中的损耗，解决高校资源不足、设备老旧等问题[3]。其次该系统还可以提高教学的效率和质量，每位学生都可以在系统中进行自己的拆装，从而提高其独立学习能力，并且老师可以根据系统的反馈了解学生拆装的进度，最后依据结果给出公正的评分。由于系统的便捷性，学生也可以在课余时间进行发动机的拆装，通过多次练习更好地掌握书本上的理论知识。虚拟仿真教学系统采用虚拟的数据，在安全性方面要远胜于使用实物进行拆装，同时作为一项先进的技术和新颖的教学方式也能更好地激发学生的兴趣，提高学生学习的积极性。

5 虚拟仿真教学系统的功能要求

5.1 基于理论知识的完备的零件库

虚拟仿真教学系统要完成对于整个汽车发动机的还原，需要有完备的零件库作为支撑。在汽车发动机原理的理论知识教授中给出的范例可能是某些基础的、较为老旧的发动机，而在虚拟仿真系统中则需要构建多种发动机的零件库，让学生通过对比加深对各类零件的认识，而且系统零件库中的模型不仅要与实际一致，在学生需要使用或者想了解某个零件时还要能显示具体的数据。

5.2 易于上手的交互系统

利用虚拟仿真系统进行发动机拆装时，系统与人的交互应该是简单的、易于上手的。学习者需要能够通过鼠标和键盘对显示的零件进行多角度的旋转和大小的缩放，以便对零件有全面的认识;同时还要能够通过简单的指令对零件进行拼接，完成发动机的装配。另外，在学生拖拽过程中，零件还需有足够的空间和自由度方便学生从各个角度和位置进行组装。易于上手的人机交互系统能够简化学生在实际拆装中要完成的操作，節省了学生的时间成本和体力成本。

5.3 完整的发动机工作过程模拟

系统在得到相应命令后要能完成对汽车发动机的运转过程，换气过程、燃烧过程、增压过程以及尾气排放和控制过程的模拟和呈现[4]。在工作过程模拟阶段，学生可以按照自己需求进行暂停，方便学生细致地观察某一阶段汽车发动机运转过程中具体零件结构的动作。另外，在一个过程模拟完成后还应当有细致的讲解来为学生巩固理论知识，帮助学生将理论知识和实际过程更好的结合起来。

5.4 提供拆装指导和结果反馈

虚拟仿真教学系统在使用时要能给予学生适当的指导和提示，对于装配过程中的连接应当有和现实装配中同样的约束关系，比如零件的位置、装配的顺序等，同样在学生操作失误时也要能予以提醒和纠正。在学生完成发动机的拆装练习后，虚拟仿真系统需要给学生提供结果反馈和完成度的评价，以便于学生对于自我能力有更清晰的认识。

6 虚拟仿真教学系统的搭建

6.1 功能模块设置

虚拟仿真教学系统拟定设置四个功能模块：零件库模块、装配模块、反馈模块和检测模块。零件库模块顾名思义就是存放零件模型和零件信息的模块。通过软件和零件的实际数据对零件进行3D模型设计，已有的标准型零件可以直接从软件的库里获取，节省时间和人力。设计好的零件模型标好零件的各项数据，比如零件的名称、长度、厚度和硬度等信息，存放于零件库模块中。装配模块是对零件进行装配的模块。发动机的装配模块主要由发动机的主体结构所决定，主要分为机轴装配模块、气缸装配模块和整机装配模块。每个装配模块在装配过程中都会有结构连接方式和自由度的提示，完成装配后会有清晰的动画演示。学生在装配过程中可以方便简洁地使用鼠标将零件拖动到正确位置便可完成相应结构的组装[5]。反馈模块是一个辅助模块，主要功能是在学生拆装过程中提供合理的信息帮助、及时的错误纠正以及拆装过程的结果反馈，同时还具备记录功能，可以记录下学习者的拆装过程，在学习者需要时提供过程回放，方便学习者自查自纠。检测模块是拆装过程的延伸拓展，教师可以在检测模块设置实际拆装过程中会遇到的具体问题，比如零件的磨损，连接部位老化等问题，培养学生发现问题，解决问题的能力。

6.2 平台系统设计

虚拟仿真系统的平台系统设计应结合发动机原理和拆装实际过程来综合设计。首先利用三维建模软件对拆装过程中需要用到的发动机零件进行建模，为零件库模块提供基础的素材，之后使用3DSMAX软件对模型进行渲染、修改、附材质等操作，令软件模型更加接近实际零件。然后通过unity3d软件来设计人机交互系统，依靠程序的编辑以图像、声音、文字等形式实现操作内容的展示[6]。随后利用零件库的零件模型组合出基本结构，再将基本结构拼装成完整的发动机模型。之后对发动机模型的拼装过程进行动画制作，并收集对应的实际中的发动机拆装视频作为参考数据，通过C#脚本代码将参考样本赋予系统中，作为拆装实训前的视频资料供学生学习借鉴。拆装的实际操作指令仍然是依靠unity3d软件，通过鼠标拖拽零件，将零件拖动到指定位置后进行位置判定，随后反馈给学生操作正确或是错误的提示[7]。

7 结语

虚拟仿真技术作为一种利用计算机系统生成三维世界的技术，可以借助交互系统给使用者真实而新奇的体验。随着虚拟仿真技术被应用于越来越多的领域，教育工作者们也应该注意到该技术的优势和特点，将技术与课程进行结合。通过上文可以看出，在发动机的拆装实训中，利用好虚拟仿真教学系统不仅能提高教学的效率和质量，方便学生自主学习和练习，还能激发学生学习的热情，让学生全方位地投入其中。

课题项目：四川信息职业技术学院2020年一般项目《汽车发动机虚拟仿真实训系统设计与研究》（编号：2020KC10）。

参考文献：

[1]张学敏，李金凤，侯秀宁，刘思瑶.工程教育认证导向的发动机课程教学模式构建与实践[J].高教学刊，2020（34）：100-103.

[2]李士明，何海龙.虚拟现实技术在发动机拆装教学中的应用[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（11）：127-128.

[3]刘亚丽，潘玉龙，李文哲，占才栋，李铮荣，安通.虚拟仿真技术在发动机拆装实习中的应用[J].时代汽车，2020（01）：27-28.

[4]郭烈，申国哲，杨姝，亓昌.汽车发动机原理课程虚拟仿真教学系统构建[J].实验室科学，2016，19（05）：71-73.

[5]全宏.汽车发动机虚拟装配学习系统的设计与实现[J].电脑编程技巧与维护，2018（03）：124-125+141.

[6]王志琼，刘津彤，苗淼，刘广武，杨楠.发动机拆装实验教学综合平台的研制[J].实验室研究与探索，2019，38（11）：70-72+82.

[7]王子正.汽车发动机拆装实训与学习虚拟仿真系统研发[D].沈阳：沈阳大学，2017.