虚拟现实技术在柴油机维修训练中的应用

刘 斌 王 宇 周建钊 褚伟俊 何晓晖

（陆军工程大学 野战工程学院，南京 210000）

柴油发动机在我国广泛应用于工程机械和交通设备领域[1]。为培训高水平的柴油机维修保障人员，延长柴油机使用寿命，提高柴油机运转效率，节约行业运营成本，各个培训机构对柴油机维护保养纷纷开设培训课程。柴油发动机实践教学是柴油发动机专业培训教育中十分关键的教育环节，主要包括理论授课、现场实训及课程考核等。但是，柴油发动机作为汽车的动力部件，具有结构复杂、运动部件多等特点[2]。当前机械专业职业教育存在教学方式单调、教材教具缺乏等问题，因此教学效果不尽如人意。面对新形势下工业领域的自动化和信息化发展趋势，需提高柴油机操作人员的技术素养，提高教育培训行业对现代化技术学习的重视程度，迫切需要改革柴油机应用课程。

虚拟现实（Virtual Reality，VR）作为近年来发展的一种综合性信息技术，在教育行业应用广泛，对传统教学模式影响重大[3]。目前，大多数科研工作者仍处于建立虚拟现实技术综合教学体系和对具体课程应用建立完整理论体系的阶段。文章以实际案例情境为基础，从实训内容、课程设计及实操3个实践教学环节出发，提出构建互动体验更佳的教学模式，以适应柴油机的实践教学内容，同时提出了实践课程科学评价体系，如图1所示。构建科学、合理、高效的交互式虚拟培训系统和虚拟现实平台，可助力实现对柴油机教育实践课程的改革与创新。

1 体验式教学模式改革

虚拟现实技术是一种能够建立和感知虚拟世界的电子信息仿真技术。施训者通过创建虚拟课堂教学系统，模拟三维真实工程环境，改变通过教材和黑板书写的传统教学模式，使学员通过使用鼠标、键盘或头戴式虚拟现实设备实现与教学内容的互动，创造体验式学习环境。学员通过视听感受、接收器振动反馈等方式，在虚拟世界中学习专业技能[4]，解决了传统教学模式单一的问题。为了更好地提高实践教学效率，必须使实践教学内容适应实操课程中的实训内容、课程设计及实训模式3大板块。

1.1 实训内容改革

柴油发动机实践实训包括结构展示、拆装训练和常见故障排除。其中，结构展示主要依据现实工程环境创建虚拟场景，并加入具体机械结构，如进排气系统和曲轴连杆机构。施训者可以在课前将实训内容发布于平台供受训者预习，以提高受训者对柴油机运行参数和维护保养工作的重视程度，同时提高正式课堂的学习效率。此外，发动机拆装训练和常见故障排除要求受训者具备很强的三维空间感，科学分类受训者发现的具体现象，快速判断问题故障产生的原因，并结合自身经验深入分析，制定精准检查、调整、修理的方案进行合理操作。在传统教学方式中，拆装和常见故障排除等训练不仅存在占用场地面积大、设备投入大、人员视听效果不佳问题，而且在实训过程中可能会存在人员受伤的风险[5]。虚拟现实技术不仅可以弥补传统实地教学的不足，而且可以通过模拟三维实验场景、实验演示过程和交互操作提高教学效率。为了提高虚拟现实实训平台的应用效率，对实验教学内容应进行相应调整。对于拆装和故障排除训练，相关人员需要通过解释实验操作步骤，增加受训者交互性操作讲解，以保证每个受训者都能掌握实验内容。此外，受训者若有不明白的地方，可以随时进行回放学习。

1.2 实训课程设计改革

实践训练是对理论教学的补充，因此实训培训课程的设计必须加强理论与实践联系。为适应现代化教学需求，适配现代化教学模式，紧跟国家现代工业发展规划，必须强化实训课程设计，使学员掌握专业理论知识，不断更新操作要领，以满足新时代现实装备的发展要求。设计虚拟现实教学平台时，设计人员必须以实际操作场景为背景。根据当前学员信息技术能力较强的特点，在搭建虚拟教育平台时，教师可以接收部分学员的反馈，并根据受训者日常操作情况，探索柴油机维护维修的优化方向，从而更新柴油机维护维修技能。在实训教学中，教师更多地充当设计和建模的角色，把新型教育理念落实到实践中。具体工作中，学员积极参与不仅有利于培养学员脚踏实地做事的能力，增强因参与教育过程而引发的自豪感和成就感，而且能够培养学员的责任意识，提高理论与实践能力、教学效果和日后工作的积极性。记录和展示学习成果时，设计人员可以将教科书或操作手册转化为三维动画和语音，使学员以小组为单位，通过合作练习，在虚拟教学系统中完成各项任务的动作步骤，待操作完毕后保存操作流程动画并上传自己的作业。这种教学方式有助于在传统教育模式下摆脱书籍范例，鼓励学员在虚拟系统中进行独立全面的思考，进而提高受训者对知识的理解。

1.3 实操模式改革

实操教学是培养学员实践技能的重要途径，是理论到实践的过渡。一般教育培训可以安排的实际操作时间有限，而柴油机的操作教学练习过程较复杂。例如，拆卸和组装需要几个小时，且实地教学体验较差，容易出现教学效果不佳的情况。针对以上情况，利用虚拟现实技术建立柴油机虚拟训练平台，选取柴油机主要部件作为观测对象，可以通过透视、剖分等方式进行观测，且在观测过程中可选择主要部件中的具体零部件，然后将该零件突出显示，方便相关人员观测，同时可伴随语音介绍和文字说明。柴油机自身工作原理复杂，理解难度大，发生异常或者故障的起因多种多样，因此需详细设计实际使用场景中柴油机的各项拆装、保养、维修等。在虚拟环境中，运用声音、图像、仪表指示以及操作失败等方式，提示受训者柴油机组成部分出现故障，以便针对相应的故障现象选择正确的故障诊断方法进行故障排除。例如，当机油不足、冷却液不足、柴油压力不足时，都会发生发动机运转异常、机身抖动或者难以启动的情况；柴油机运转时，排气的颜色不同可以表明柴油机的发生故障部位及其严重程度，由此判断机体是否漏油、漏气以及漏水，实操流程如图2所示。受训者在课堂上既可以学习理论知识，又可以参与实际操作，学习效果佳，又可节约训练时间。

2 实践教学评价体系改革

课程评价体系是沟通教学过程与培训成果的重要桥梁，是由大量相互联系、相互依存的评价指标组成的一个复杂、完整系统。虚拟训练从训练准备到训练进行，到最终的任务结束，每个环节都直接影响训练效果。训练效果又直观反映虚拟训练系统的使用价值，直接影响受训者查缺补漏和课程设计。因此，需要寻找一种科学有效的质量评价方法，既符合训练需要，又对系统功能的设计有强的指导意义。

现阶段，传统的考核体系对学员的实际操作难度大，消耗了大量时间精力。文章在介绍虚拟现实技术的基础上，提出了一种面向课程设计和毕业设计的创新技能评估体系，如图3所示。首先，在受训者每一训练阶段，设计不同类型的操作任务，通过虚拟现实平台自主选择结构和构件。与练习时相比，去掉拆装步骤提示，解除机械约束，可以自由操作但需要限时完成。核实对受训者对应的操作步骤是否正确，每个动作设置相应分数，操作错误则扣分，并根据操作动作完成情况和完成时间按点打分，给出成绩评价，查看学员的掌握程度，录制并提交操作流程动画。其次，在实践教学结束后，利用约一个课时的时间，通过理论考核方式检验受训者理论知识的接受程度。试题结构以选择题、问答题为主，内容主要包括零件及维修工具名称，以及拆装、保养、维修等各类操作步骤等。最后，整理提交操作过程的虚拟动画，并组织受训者以汇报的形式分析操作中遇到的问题和相应的解决方式。其中，汇报内容必须包括分析故障发生的核心原因和关键操作步骤，还有针对此故障事后需进行相应保养重点、保养频率时长的计划。该评价体系的主要特点是考查受训者的理论基础知识、实践操作能力及叙述总结能力。通过该评价体系模拟受训者在真实场景中需要面对的环境和条件，检查理论操作和实际操作的缺陷，并有针对性地提高受训者能力来完成整个任务的操作，掌握柴油机常见的保养和故障处理策略，有效解决柴油发动机的常见问题。

3 结语

以虚拟现实技术为背景，以柴油发动机实践操作为教学实践内容，针对现阶段教育培训机构中柴油机实践课程教学中存在的问题和不足，结合操作手册和工程保障训练实际，提出利用虚拟现实技术，灵活利用培训体系平台资源，改进教育教学模式内容。从结构展示、拆装训练、考核评价等出发，通过教学内容、课程设计、训练模式3个方面对柴油机实践教学和评价体系进行改革，并为制作科目设置全面、内容规划合理的柴油机虚拟训练教学提供建议，帮助受训者更好地掌握柴油机的性能参数，熟悉柴油机的结构原理，掌握柴油机的调整保养维修手段等训练内容，从而提高教育培训机构的教育水平，培养具有更高素质的柴油机维护维修人才队伍。