虚拟仿真教学在职技高师“汽车构造”教学中的应用探究

王宏志

（吉林工程技术师范学院，吉林 长春 130052）

近年来，伴随着科技的飞速发展，我国的汽车工业也步入了高速发展期。2016年，我国汽车产销总量创历史新高［1］。目前，我国汽车产业的发展目标是使我国由汽车制造大国逐步转为汽车制造强国［2］，而实现这一目标的关键因素是培养出具有较强创新意识和专业实践能力的专业技能型人才。高等职业师范院校（职技高师）作为培养职教师资人才的主阵地，承担着“培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才”［3］以及“培养能够胜任中等职业学校教育教学和管理工作的高素质‘双师型’职教师资”等重任。

为了培养出汽车相关专业的应用型高技能人才，职技高师的车辆工程和汽车服务工程等专业以“汽车构造”课程为起点，培养能够胜任汽车产品及零部件的设计、制造、装配、操作和调试等岗位的专业人才。由于车辆工程和汽车服务工程等相关专业可进入的行业范围广，涉及的汽车种类众多，这就要求汽车类相关专业学生需掌握的相关技能也很多，如正在大力推行的1＋X证书考核机制。在传统教学模式下，学生很难掌握所有的知识点，尤其是实践操作技能的学习，所以专业课程的教学方法和教学手段的改革势在必行。

一、“汽车构造”课程教学现状

作为车辆工程与汽车服务工程专业的专业基础课之一，“汽车构造”课程极其重要。学生对该课程的掌握程度直接影响本专业学生对后续课程及实践技能的学习和掌握［4］。

“汽车构造”课程具有以下特点：一是课程内容丰富，知识点众多。“汽车构造”的主要内容包含了发动机的两大机构和五大系统、底盘的四大系统以及车身结构、仪表、照明等附属装置，最新版本的教材还融入了新能源汽车、智能网联汽车与车载网络等内容。二是汽车各机构（系统）的工作原理不尽相同，无形中就增加了学生理解和掌握的难度。例如，凸轮机构和四杆机构分别为配气机构和曲柄连杆机构的工作原理；而对于底盘的传动系统、行驶系统、转向系统和制动系统而言，由于其结构复杂、类型众多，各个系统或总成部件的结构形式不尽相同，所依据的工作原理亦各不同，有效的教学是力求学生能够深入而系统地掌握汽车结构的一般规律，以取得举一反三、触类旁通的效果，这就增加了教师授课的难度，同时增加了学生对“汽车构造”这门课程的学习难度。三是汽车整体结构复杂，组成汽车的零部件繁多。无论是何品牌的汽车，都是由成千上万个具有不同功能和不同尺寸的零部件组成的，从而导致汽车各个机构、系统的结构非常复杂。以发动机的点火系统为例，传统的点火系统主要由电源（蓄电池和发电机）、点火开关、点火线圈、附加电阻、电容器、断电器、配电器、高压导线、高压阻尼电阻和火花塞等组成；而电子点火系统又在此基础上增加了晶体管、传感器、控制器等；微机控制点火系统的结构则更为复杂，仅对于有分电器的微机控制点火系统的三大组成部分中的信号发生器（传感器）来说，其组成机构就高达八种之多，此外还有微机控制器（ECU）和点火执行器等，结构也颇为繁多。

由于“汽车构造”课程的特殊性，导致其实践课需要开设的项目也较多，这就增加了实践课程的难度。由于汽车品牌繁多，不同品牌或是同一品牌不同型号的汽车零部件存在很多的差异，所以需要为实践课准备的教学设备较多，价格昂贵，大大增加了教学成本；实验教师缺乏，演示性的实践设备短缺，每次实践课、容纳的学生人数有限，这都增加了实践教学的难度、影响了实践教学的效果；由于受教学设备数量的限制，“汽车构造”课程开设的综合性实验也很难达到预期的效果，难于满足学生的学习需求，不能充分激发学生的学习兴趣。

作为汽车专业的基础理论知识与实操作能力之间连接纽带的“汽车构造拆装”实训教学环节非常重要，实训的效果会直接影响学生对汽车的结构、组装及维修等内容的理解与掌握。在实训过程中，由于受设备数量及场地等因素的限制，也很难达到预期的效果。在对汽车零部件的拆卸及组装过程中，由于实训教师的缺乏以及学生动手能力的参差不齐会在不同程度上导致教学设备的损坏，从而影响实训效果，并导致设备破损率的增加，造成一定的经济损失。

“汽车构造”理实一体化教学的宗旨就是为了使学生能够将基础理论知识与实践操作技能相结合，达到学以致用的效果，如果教学效果不好，势必会影响对学生专业能力的培养。

二、虚拟仿真教学的优势

虚拟仿真教学是通过计算机来运行仿真软件，将真实的教学场景在计算机中展现出来，使学生在虚拟的环境中完成相应的学习过程。这种教学方法能够生动形象地模拟真实的教学场景，使学生有身临其境的真实感，能够激起学生的学习兴趣，使学生能够更加形象且深刻地掌握相关的知识，充分发挥自身的创造力［5］。

将三维虚拟仿真技术与理论教学、实验教学以及实训教学有机结合，能够有效弥补教学过程中设备短缺的问题，并且能够提高教学过程的直观性和可操作性，降低教学成本，提高教学质量。

理实一体课程中引入虚拟仿真教学，能够通过计算机软件对各种汽车零部件进行三维模拟操作，从而弥补教学条件的不足，使教学内容更加丰富，使教师能够出色地完成相应的教学任务，还可以充分调动学生的学习积极性，保证教学质量。

三、虚拟仿真教学在“汽车构造”课程中的探索

在“汽车构造”课程的教学过程中，虚拟仿真技术可以通过计算机软件对各种模型及运动进行模拟操作（如构件的拆装等），使学生先在虚拟的环境中完成实践技能的演练学习，之后在条件允许的情况下再对实物或教学设备进行拆装等，可以收到事半功倍的效果。

第一，为了将虚拟仿真教学与“汽车构造”课程进行更好的结合，需要从职技高师车辆工程、汽车服务工程等专业的教学实际情况出发，通过对“汽车构造”课程的分析与研究，寻找适合本校相关专业的仿真软件，根据人才培养方案及教学大纲的内容建立“汽车构造”课程中主要车型、主要零部件的虚拟仿真动画及视频，制定虚拟仿真教学的具体方案，探寻出适合本校相关专业的虚拟仿真教学方案。

第二，在“汽车构造”课程中，如汽车发动机中的连杆、曲轴机构以及传动系统等内容都是比较难于理解和掌握的内容，为了提高教学效果、提升学生的实操能力，就可以通过虚拟仿真教学软件对相关车型、相关内容进行运动和装配的仿真训练，以提高教学效果、改善教学条件、降低教学成本、减少耗材的使用。以汽车制动系统中的鼓式制动器为例，可以让学生在虚拟仿真软件平台上建立三维实体模型并进行装配，同时，学生也可以在相应的仿真软件平台上对鼓式制动器进行分解和拆卸，使学生能够更加直观地了解并掌握鼓式制动器的制动底板、摩擦衬片、制动蹄、制动鼓等各零部件之间的相对位置及运动方式。

第三，在传统的教学方法中，仅仅通过板书及PPT课件演示讲解汽车上各个机构、各个系统中的各个部件的工作原理及运动方法，学生在理解和掌握上存在一定的困难，会影响学习效果及学习兴趣。可以通过虚拟仿真教学，利用虚拟仿真软件对汽车零部件的工作原理及运动方式进行模拟，将其在三维空间中展现出来，使学生更容易理解。如以汽车发动机为例，可以通过虚拟仿真平台对发动机的两大机构和五大系统的各个部件建立三维模型后对其进行装配、拆装仿真模拟训练，在学生掌握了相关的知识及技能后，再到台架上进行实训，能使学生克服“不会干、不想干”的意识，而变得“想要干、想干好”，取得了很好的教学效果，大大提高了学生的动手能力，从而使学生牢固地掌握了相关知识。

四、在“汽车构造”课程中引入虚拟仿真教学的意义

（一）激发学生的学习动力

通过“汽车构造”理论教学与虚拟仿真教学的有机结合，授课教师可以根据已有的实物教具结合虚拟仿真软件完成汽车各零部件的结构及其工作原理的相关教学。在教学过程中，既有原始的理论教学的基础概念教学，又有直观形象的汽车零部件结构和工作原理的教学，提高了学生的学习兴趣，加强了学生对基本概念及汽车零部件结构及工作原理的理解和掌握，能使学生具有强烈的学习动力。

（二）提高教学过程的有效性

现有的实验教学、实训教学、理实一体化教学都可与虚拟仿真教学相互补充、紧密关联，经济高效。

第一，在实验、实训、理实一体化教学过程中，对于已有教具的教学，学生一方面可以通过对教具的认真观察来理解其结构及工作原理，另一方面，学生可以通过虚拟仿真教学对理论课和实验课中的内容进行补充，使学生能够对类似机构（系统）中的零部件进行深入探究。

第二，在“汽车构造”课程的拆装实训及综合设计性试验教学过程中，学生可以通过虚拟仿真软件进行汽车零部件的虚拟拆装及综合性设计实验，并且可以对此过程进行反复操作，从而提高学生的实际操作能力。另外，虚拟仿真实验还可以避免由于学生对操作过程不熟而造成的汽车零部件的损坏、丢失及安装错误等问题，从而降低了教学成本。

第三，虚拟仿真教学不受时间、地点和场地等客观因素的限制。在实验过程中，学生可以通过网络授权，在寝室、教室等地点即可完成相关的学习、训练，而不必非得去实验（实训）室；学生还可以根据自己的学时时间的安排，进行反复的练习而不受实验（实训）室开放时间的限制。虚拟仿真教学在很大程度上解决了理论教学中时间及场地限制等问题，在提高学生完成实验、实训的准确性、速度和完成度的同时提高了教学效果。从长远角度看，虚拟仿真教学不仅可以提高学生的实操水平，还可以节约实验（实训）的资金投入［6］。

（三）提升教学管理的科学性

在虚拟仿真教学过程中，授课教师不仅可以对学生、班级进行管理，还可以对整个虚拟仿真实验进行整体控制；授课教师在虚拟仿真实验过程中，可以任意添加或删除视频、案例、学生及训练题目；授课教师还可以通过相关模块对整个实验进行控制并能够直观地看到学生对实验的完成程度及相关得分。

五、结语

“汽车构造”课程的理论教学，能使学生掌握汽车各个机构（系统）的基础知识，虚拟仿真训练后再加实物台架的实操过程，能使学生通过实验、实训及理实一体化教学来提高动手能力。这一教学进程，使学生能够把理论知识和实操知识相互结合与贯通，学生通过掌握的理论知识进行实践操作的同时，亦通过实践操作加强了对理论知识的理解与掌握。

学生在完成实验、实训及理实一体化学习前，先通过虚拟仿真实验来完成汽车各零部件的结构的学习；通过虚拟仿真软件对汽车各总成、各部件的动态演示来完成对汽车零部件工作原理的学习；学生还可以通过虚拟仿真软件的模拟操作来完成对汽车零部件的拆卸及组装。虚拟仿真训练大大提高了学生的学习兴趣，能够有效地将“汽车构造”课程的理论教学与实践教学进行有机结合。将虚拟仿真教学引入到职技高师“汽车构造”教学过程中，改善了传统的教学手段，提高了教学质量，同时加强了培养高技能型人才及“双师型”职教师资的“质”的保证。