基于Web与物联网技术的汽车专业仿真实训平台的设计研究

郑尧军,李 龙,陈丽能,陈开考

(1.浙江经济职业技术学院 汽车技术学院,浙江 杭州 310018;2.浙江邮电职业技术学院,浙江 杭州 310005)

职业技术教育

基于Web与物联网技术的汽车专业仿真实训平台的设计研究

郑尧军1,李 龙2,陈丽能1,陈开考1

(1.浙江经济职业技术学院 汽车技术学院,浙江 杭州 310018;2.浙江邮电职业技术学院,浙江 杭州 310005)

为改善现有职业院校“理论-实践一体化”实训教学环境,实现课程学习时间、空间的延伸,课程服务对象由本校师生向外校师生和社会使用者延伸,并有效缓解职业院校实训设备、师资、场地等教学条件的不足,开发了具有自主知识产权、基于Web和物联网技术的汽车专业仿真实训平台。该平台以专业课程教学内容为实施子项目、选择典型课程子系统作为仿真实训软件单元,通过实操设备进行数据的采集,构建了基于角色交互式的集网络理论学习、网络实训学习的汽车类专业仿真实训自主学习平台,在职业院校实训教学和社会技能培训中取得良好的效果。

汽车专业实训;仿真实训;基于Web的学习;物联网技术

目前,我国汽车专业后服务人才市场潜在需求快速增加,但有效供给不足,从业人员总体素质偏低,能利用先进的维修技术手段、具有故障诊断分析核心能力的高技能人才更是紧缺。调查表明:故障诊断能力是汽车维修高技能人才的核心能力。

现代汽车是集机械、液压、电子电控等高新技术于一体的高新技术产品,在汽车职业教育方面存在着实训教学投资大、人才产出周期长的难题。在现有“理论-实践一体化”的课程体系下,实训教学明显受到院校师资、场地和设备等的限制。汽车职业教育面临如何提高教学质量、降低教学成本,解决学生数量与实训设备比例不协调的问题以及反复实训对设备的损坏的难题[1-2]。

根据文献[3]给出的调查数据:九成教师希望在学生实际实训操作前进行仿真练习,八成教师希望仿真实训能用于课堂教学中的操作演示[3],五成教师希望能够用于学生实训操作的考核，三成教师希望能够直接替代实际的实训操作，大部分教师希望虚拟仿真实训系统能够具备互动、演示、考核、实训管理等功能,九成教师希望虚拟仿真实训系统的界面设计由二维(2D)和三维(3D)相结合,并希望系统稳定性好、运行速度快。因此,在设备和实验教学经费不足的情况下,将虚拟仿真实训引入课堂教学和实训教学,可解决传统教学中存在的诸多问题[4-6]。

1 国内外仿真实训平台的研究现状

目前,仿真网络实训平台在很多行业都有运用[7-10]。国内能够为汽车专业提供技术性仿真教学软件的主要有上海景格、上海鹏达、上海宇龙等3家公司。上海景格网络版软件采用C/S结构、应用了三维仿真技术;上海鹏达基于.net技术搭建的网络应用系统采用了B/S架构模式;上海宇龙则搭建了基于B/S架构的机电、机床类仿真实训系统,在汽车专业上仅仅停留在开发虚拟拆装阶段。由于3家公司均是从事计算机仿真软件开发的专业公司,虽然都是基于网络(以局域网为主)开发的,但开发的软件缺乏专业核心的定位,缺少配套实操实训设备的支持,不能与课程配套实训设备有效配合,采集的仿真数据与设备实际运行数据有一定的差异,仿真的“真实性”不够,并且软件仅具有教师操作的教学功能,缺乏学生自主训练、网上技能考核功能,影响了教学效果。

浙江经济职业技术学院自主研发的基于物联网技术和C/S架构的“实时在线网络教学系统”,能与配套的汽车专业实训设备形成一一对应关系,计算机界面数据是实际运行数据的真实再现,但使用中需配备实物实训台或整车,运行成本偏高,并受时间、空间限制。该系统为仿真实训系统软件的开发创造了良好的研究基础。

目前,汽车类专业实物实训台的大量应用,在职业院校的汽车类专业实训教学中发挥了巨大的作用,但受到学校财政、师资、场地等多方面因素的影响,学生的受益面受到限制。然而,在实物实训支持下的基于互联网的汽车仿真实训平台具有信息容量大、教学时空的开放性和灵活性、可多向演示、生动逼真、提高教学效率、节约实训成本等优点,并能够瞬时反馈各种信息,对同一实训项目可多次反复训练,实时检查实训成绩,是今后实训教学信息化的发展趋势。

2 基于Web和物联网技术的汽车专业仿真实训平台的总体设计

2.1 平台设计指导思想

构建基于Web和物联网技术的汽车专业仿真实训平台,其设计指导思想是利用虚拟仿真技术、互联网技术和物联网技术,对汽车实训教学环境、教学内容进行仿真,创建虚拟课堂,可以进行初级虚拟拆装实训和高级虚拟故障诊断实训,并在一定程度上给出排除故障的办法。在仿真学习环境下,教与学不再局限于有形的实训场所,活动的时空得到了无形拓展。交互式的自主学习方式改善了教师和学生之间教与学的关系,加深了学生对理论知识的理解，加强了实践能力的锻炼,为提供一个教学安全、低成本、跨时空的开放仿真交互式学习环境创造了条件[11-12]。

笔者通过对汽车维修高技能人才的核心能力与职业工作岗位的分析,提炼出培养故障诊断能力的核心点,应用虚拟仿真技术构建故障诊断的虚拟工作环境,让学生在虚拟课堂中对应当掌握的汽车维修职业技能和职业规范进行有效训练。在我院现有汽车在线实训教学系统成功应用的基础上,开发了面向虚实结合的课程配套设备与基于Web和物联网技术的汽车专业仿真实训平台,并通过课程开发推动课程配套设备的研发,制订课程配套设备标准和设备技术标准,改善“理论-实践一体化”教学环境,提升教师和学生的专业技能水平。

在充分利用仿真实训平台的基础上,要进一步拓展基于汽车类专业课程的仿真网络学习平台,实现联合国教科文组织倡导的E-Learning学习。

2.2 平台总体方案的设计

汽车专业仿真实训平台围绕汽车专业教学而设计,软件子系统按照专业教学课程进行分门归类,设计预留了按课程分类管理的功能。课程任务作为仿真软件的项目,设置课程负责人,课程负责人对课程仿真软件进行管理,可根据课程的需要设置与课程对应的仿真子系统。该平台设计了前台界面和后台管理系统,课程负责人通过后台管理系统实现本课程仿真子系统的界面显示,从而实现汽车专业仿真实训平台的一体化管理与独立化运作的功能。汽车专业仿真实训平台运行架构如图1所示。

图1 汽车专业仿真实训平台运行架构图

梳理汽车专业核心课程能力培养点后,归纳出拆装调整类和故障诊断类两大课程主线。针对拆装调整类的课程,重点训练学生拆装动作的规范性,深入理解汽车各总成的结构与装配关系;针对故障诊断类课程,重点训练学生通过规范、熟练地选择使用仪器对系统进行故障诊断分析(见图2),后台管理系统实现了对专业课程各仿真子系统及功能的模块化管理。

3 基于Web用户的汽车专业仿真实训平台的设计与实现

以“汽车电气系统检修”课程为例,根据“汽车电气系统检修”课程的教学标准,围绕课程的教学难点与重点,对课程进行了整体方案的设计,以国家职业技能大赛、职业技能鉴定标准为参照,结合人对物的认知规律与教学规律(个体—局部—整体,识物—判状态—故障诊断),设计开发了“以故障诊断核心能力培养”为主线的仿真实训平台软件,归纳总结出“部件认识—线路分析—部件性能检测—故障诊断”的教学实施流程,展现汽车电路/电控类课程的整体教学环节。利用虚拟仿真技术、物联网技术和Web技术,开发仿真实训平台,改善“理论-实践一体化”教学环境,以虚实结合的实训设备研发带动课程体系的多层次建设,提升教师和学生的专业技能水平。

图2 后台管理系统的模块化管理

基于Web和物联网技术的汽车类专业仿真实训平台如图3所示。利用课程配套的实操设备支撑与虚拟实训的仿真软件相结合,构建基于角色交互式的集网络理论学习、网络实训学习的多层次自主学习平台。基于ASP.NET技术开发的仿真实训平台以互联网作为媒介载体,客户端可通过浏览器直接访问;以典型专业电类课程的典型工作任务为子系统,围绕故障诊断分析核心能力的培养,设计软件的4项功能:部件认识、线路分析、性能检测、故障诊断,每项功能包括教、学、考3个教学环节。此外,还制订了课程配套设备标准和设备技术标准。

该仿真实训平台对汽车电类/电控类课程具有较好的通用性和移植性,可以有效缓解设备、师资、场地等教学条件的困难,并推动了课程配套设备的研发和课程配套设备标准的制订。

图3 基于Web的汽车类专业仿真实训平台

4 基于Web的数据采集系统设计与实现

数据采集系统的设计首先考虑数据的采集与存储。

数据的存储位置与存储方法由后台数据库管理系统(Server服务器端)来实现。汽车专业仿真实训平台采用统一的后台数据库管理系统,按照专业课程进行动态分类管理,平台内各子系统相互独立。所有功能模块、数据采用后台统一化管理,通过后台管理系统,实现了各子系统模块前台软件界面的统一化与差异化管理。

数据的采集采用物联网技术,在现有实物实训台与在线实训教学系统的基础上进行数据的实时采集。以汽车启动系统仿真实训软件数据采集为例,在汽车启动系统在线实训软件上,通过设置不同的故障,对软件的测试点进行快速一次性采集(见图4)。

图4 汽车启动系统在线实训软件中的数据采集

应用物联网转换模块、串口转RJ45接口等方式进行数据的实时转化、存储。

5 结束语

学生在进行真实的实训前,通过虚拟实训操作,熟悉实训设备的工作原理和操作步骤,可有效避免对实训设备的误操作,降低实训设备的损坏率,解决实训设备短缺等问题,从而提高教学效果。虚拟仿真实训系统自由、开放的特性,可加强对学生实训技能、综合素质、实训积极性和创造性的培养,提高学生独立分析问题和解决问题的能力,为学生的独立职业活动创造条件。但是虚拟实训并不能完全代替真实实验,需要注意虚实结合。根据使用情况及实训教学的需要,汽车专业仿真实训平台还需进一步拓展为三维仿真,并在教学上实行积分制与过程考核的结合应用。目前,部分研究成果(汽车启动系统仿真实训系统)已被中央电教馆征集为2013年优质数字资源,正式成为国家教育资源公共服务平台项目(网址:http://fz.qcyy.zjtie.edu.cn/test.aspx),供互联网用户免费使用,研究成果在职业院校实训教学和社会技能培训中具有广阔的应用前景。

References)

[1] 郑尧军,陈开考,陈立旦.高职汽车专业教学仪器设备的研制[J].实验技术与管理,2009,26(9):110-112.

[2] 骆美富,陈开考.对高职汽车类专业实践教学建设的探讨[J].实验室研究与探索,2007,26(9):146-148.

[3] 段丹萍,唐润华.高职虚拟仿真实训系统使用需求调查分析[J].中国电力教育,2013(16):163-164.

[4] 孙爱娟.职教领域虚拟仿真教学资源建设与应用探析[J].中国电化教育,2012(11):109-111.

[5] 陈新.虚拟仿真软件在中职汽车维修专业教学中的应用研究[J].新疆职业教育研究,2013(1):58-60.

[6] 郭剑.高等职业院校开展虚拟仿真实训教学的探讨[J].中国科教创新导刊,2008(33):120-121.

[7] 焦永杰.计算机网络仿真实训平台的构建与应用[J].中国科技博览,2009(28):368-369.

[8] 万海鑫,马思远.浅谈基于物联网技术的数控机床故障诊断[J].吉林工程技术师范学院学报,2013(3):77-78.

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[11] 黄志成.基于Web的程序设计自动化实训系统设计与开发[J].电脑开发与应用,2012,25(1):32-34.

[12] 杨缨.基于．NET框架的网上实训系统设计与实现[J].山西青年管理干部学院学报,2006,19(3):107-109.

Research on design of simulation training platform of automobile major based on Web and Internet of things technology

Zheng Yaojun1,Li Long2,Chen Lineng1,Chen Kaikao1

(1.Automobile Technology Department,Zhejiang Technology Institute of Economy,Hangzhou 310018,China; 2.Zhejiang Post and Telecommunication College,Hangzhou 310005,China)

To improve and solve the practical teaching environment of “theory and practice integration” in existing vocational colleges,the shift of course learning time and space from on-campus mode to both inside and outside the campus is realized. The shift of course service object from pure teacher-student to both teacher-student and social users,and the shift of course learning mode from pure classroom teaching to both classroom teaching and autonomic learning after school are realized as well. The difficulties of vocational colleges regarding practical training equipment,teachers and site are effectively relieved,and the teachers’ and students’ professional skill levels are enhanced. Combining Internet of Things technology,a simulated training platform for WEB-based autonomic learning with independent intellectual property right is developed. This platform regards teaching contents of professional courses to be implemented sub-items,selects typical course subsystems as simulated training software units,combines corollary equipment of actual operation,utilizes Internet of Things technology to realize data collection of actual operation equipment,and thus builds a role-based interactive simulated training and autonomic learning platform,integrating network theoretical learning with network practical training learning. The research achievement provides a wide prospect of application in practical teaching and social skill training in vocational colleges.

training of automobile major; simulation training; Web-based learning; Internet of things technology

2014- 06- 15 修改日期：2014- 07- 08

2013年浙江省科技厅课题“基于互联网的汽车类专业仿真实训平台构建”(2013C31077)

郑尧军(1974—),男,浙江嵊州,硕士,副教授,主要从事汽车检修与维修专业教学与实训设备的开发研究.

E-mail：zhengyaojun@126.com

G484;U461.99

A

1002-4956(2015)1- 0160- 04