虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用

李　未，滕　菲，李庆华

( 长春大学 机械与汽车工程学院，长春 130022)



虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用

李未，滕菲，李庆华

( 长春大学 机械与汽车工程学院，长春 130022)

摘要：汽车构造课程是车辆专业的一门重要基础课程，其实验教学环节在该课程中占很大比重，传统的实验教学方法是指导教师对汽车构造和工作原理进行讲解，并演示发动机等总成的拆装过程，学生再分组进行实际拆装练习。本文研究了虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用，研究表明，虚拟现实技术可以有效地提高教学质量，提高学生学习的主动性，增加了实验教学的深度和广度，减少了教学成本。

关键词：虚拟现实；汽车构造；虚拟实验

近年来，随着电子、多媒体和网络等技术迅猛发展，传统教学模式已受到越来越大的挑战，计算机已在教学领域中成为一种高效的教学和学习工具。虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)，VR是一种新型的计算机技术，它将计算机图形技术、人工智能、仿真技术、网络并行技术、传感技术和显示技术等集成在一起。它可以用计算机制造出虚拟场景，用户可以直接观察周围的环境，用工具或者手对其进行触摸、检测和控制等交互式操作[1]。目前虚拟现实技术已在军事、航天、教育培训、医疗和商业等诸多领域得到了广泛应用[2]。采用虚拟现实技术建立的虚拟教学系统，系统中的“部件”和“设备”大部分都是虚拟的，根据需要可进行随时进行更新，这便于增加教学内容的深度和广度。我国对教学实践部分越来越重视，提出了更高的要求，这更加促进了虚拟现实技术在教学领域的发展。虚拟现实技术在教育领域的发展具有无限的潜力，它可以作为辅助理论教学的一个重要工具，在实际教学中发挥巨大的作用。传统的汽车构造拆装培训，采用的是真实发动机和变速器等设备，通常是指导教师通过视频等进行培训，然后由学生进行拆装实验操作，这种形式设备容易损耗，存在安全事故隐患，且学习效果不够理想[3]。采用虚拟现实技术，可以将发动机和变速器等拆装过程建立一个虚拟拆装系统。学生可以先通过该系统学习和演练拆装过程，再对真实的发动机等设备进行拆装。将虚拟现实技术应用到教学领域，是对教学模式的一种改革，不仅可以提升教学质量，还可以提高学生的学习积极性，降低事故隐患。

1虚拟现实技术

虚拟现实，也称为虚拟仿真，在1989年由美国VPL公司的创始人拉尼尔提出的。美国在20世纪90年代开始对虚拟现实进行研究，研究和应用的领域也最为广泛[4]。MIT媒体实验室在1978年应用虚拟现实技术开发了一款名为Aspen Movie Map的地图软件，该软件不同于普通的地图软件，它采用模拟开车来在ASPEN这个城市的街道穿行，用户通过游戏杆或触摸屏控制开车的速度和方向。之后苹果公司和微软公司也纷纷研发了虚拟现实应用系统，虚拟现实技术得到飞速发展。虚拟现实技术已在国内外诸多的领域进行了研究和应用。华盛顿大学的人机界面技术实验室，把虚拟现实技术应在教育、设计和制造等领域。我国对虚拟现实技术的研究与发达国家相比，起步相对较晚，应用和研发能力还存在一定的差距。但近年来已受到国家相关部门以及科研机构的高度重视，例如，国家自然科学基金会、九五规划和国家高技术研究发展计划等都把虚拟现实技术作为研究项目，我国多个科研单位和高等院校也已经开始对虚拟现实技术进行研究和应用。北京航空航天大学是国内最早对虚拟现实技术进行研究的机构，他们首先对虚拟现实技术的基础知识进行研究，并对技术中的物理特性和处理进行了大量的研究，开发了虚拟现实技术中视觉接口硬件，以及相关的算法和实现技术。浙江大学的国家重点实验室也开发了一套虚拟建筑实时漫游的虚拟现实系统，通过立体图像实现了画面真实感和系统实时交互性，并开发了快速漫游和快递网格算法。清华大学对虚拟现实技术的临场感着重进行了研究，提出了球面屏幕显示、克服立体图闪烁和图像随动等方法。

虚拟现实技术不仅包含计算机领域，还与其他领域相互交叉，如人工智能、传感器、电子学和心理学等，虚拟现实技术是一种处理多为信息的系统和工具。虚拟现实具有三个基本特点，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。[5]

(1)沉浸性。沉浸性是指利用虚拟现实技术根据人类视觉和听觉的特点，通过计算机制造出逼真的三维立体图像和环境，用户通过头盔和数据手套等设备与机器进行交互，用户能够全身心地进入虚拟环境中，仿佛在现实世界的环境一样。使用者还可以通过交互设备对虚拟环境进行操作，虚拟环境会根据操作进行变化，给使用者一种身临其境之感。

(2)交互性。虚拟现实为使用者提供了一种接近自然的交互性，它利用传感器等设备接收和跟踪使用者的行为，实时地调整虚拟系统的图像和声音等，使用者可以通过特殊头盔、鼠标和数据手套等传感设备与虚拟系统进行交互。

(3)构想性。虚拟现实为使用者提供了可以充分发挥想象力的空间，它改变了传统的定量计算为主的方法，转变为从定量和定性综合的方法，发挥使用者的主观能动性。

随着虚拟现实和计算机技术的继续发展和完善，它将凭借其自身的优势和潜力，受到更多教育工作者的关注。天津大学于1996年在SGI平台上，研发创立了虚拟校园系统，这是虚拟现实技术首次在教育领域进行应用，在此之后，虚拟现实技术开始不断地应用在教育领域。四川大学在虚拟现实技术基础上，采用虚拟仪器的构思，研制了“航空电台二线综合测试仪”；清华大学研发了的发动机检测虚拟系统。虚拟现实技术的生动性、虚拟性和互动性在教育领域发挥着极大作用，虚拟现实技术在教育领域的应用主要在以下几个方面：

(1)科学研究。目前很多高校和研究机构都在积极地研究虚拟现实技术，相继创立了虚拟仿真实验室，目前已有大量的研究成果。中国科技大学建立了几何光学的虚拟仿真实验平台，是第一套用虚拟现实技术开发的教学仪器系统，系统把计算机技术、虚拟现实技术、智能化仪器和物理教学仪器结合。

(2)虚拟课堂。采用虚拟现实技术改变了传统的授课方式，营造出生动的学习环境，为学生提供更广阔的虚拟学习体验。例如，在大学物理课堂中，可以用虚拟现实技术模拟物体运动过程，以及模拟宇宙、原子、分子等事物；在机械课程中，虚拟现实技术可以模拟机床的运作，让学生观察机床的组成及工作原理，使学生可以更加直观地进行学习；营销类课程可以用虚拟现实技术来营造虚拟商务环境，让学生有身临其境之感。

(3)虚拟实验室。采用虚拟现实技术可以建立虚拟的实验系统，包括实验环境、实验设备和实验信息等。例如采用虚拟现实技术可以建立做物理、化学、地理和生物实验室等，这可以突破时间和空间的限制。教师可以通过虚拟现实技术向学生演示实验，有效地提高学习质量。

(4)虚拟校园。我国教育部曾在一系列文件中多次提及虚拟校园，阐明其意义并鼓励建立虚拟校园。目前，国内很多大学都已经陆续建立了虚拟校园，有三个由浅入深的应用层面，以适应不同学校的需求。虚拟校园一般具有浏览学校简介和漫游校园的功能，有的具有教务和教学等较多功能的基础平台。

(5)远程教育。虚拟现实技术可以提供终端开放的远程教育教学，扩大了高校的招生，创造了更大的利益。在虚拟远程教育课堂中，学生可以获得和真实上课一样的体验，可以与教师进行互动，通过虚拟现实技术还可以做各种教学需要的实验，可以加深学生对知识的理解。

2汽车构造实验教学特点和现状

2.1汽车构造实验课程特点

汽车构造课程是车辆工程、交通运输等专业的重要专业基础课程，对该课程知识的掌握程度，直接影响到后续相关专业课程的学习。汽车构造主要是系统地讲解汽车的结构及其工作原理，课程涉及内容广泛，并且该课程具有较强的实践性。只依靠在课堂上对汽车结构理论的学习，没有对汽车实践性地拆装学习，学生难以很好地掌握汽车的构造知识，因此，搞好汽车构造实验课程的学习尤为重要。

汽车构造实验课程具有以下三个特点：

(1)信息量较大，涉及知识内容广泛。汽车构造课程分为汽车构造上册和下册，上册主要讲解发动机的构造及其工作原理，下册主要讲解汽车底盘各个系统构造和工作原理。汽车结构较复杂，由上万个零部件组成，并且汽车产品更新换代速度快，实验教学需要与理论课程相结合，因此，汽车构造实验课程内容十分广泛。

(2)汽车的零部件数量多，且结构复杂。汽车是由上万个形状各异和功能不同的零部件组成的，以发动机的活塞连杆组为例，主要包括活塞、活塞环、连杆和活塞销等机件组成。

(3)汽车构造的几大系统工作原理不同。汽车由四大系统组成，包括发动机、底盘、车身和电器设备，其中底盘又包括行驶系、转向系、传动系和制动系。各系统的构成和工作原理差异较大，这就增加了汽车构造实验课程的学习复杂度和难度。

2.2汽车构造实验教学现状

目前汽车构造实验课堂教学有三个步骤，首先采用多媒体设备讲解各系统及零部件的结构和工作原理，并演示汽车各系统拆装过程，包括拆装的顺序和工具的使用方法；指导教师先演示一遍拆装过程，学生提出疑问，由教师进行解答；最后指导教师对学生进行分组，学生动手进行拆装实验，指导教师对拆装过程进行实时指导。

近年来，各个学校都已经增加了对实验课程的关注度，尽管各个学校都在不断地改善实验的硬件建设，但是因为各种原因，实验教学依然存在一些弊端。目前汽车构造实验教学主要表现在以下几个方面：

(1)实验设备落伍和陈旧。汽车技术的飞速发展，导致实验设备也要及时增添新设备才能够跟上汽车技术发展的步伐。但是汽车构造实验设备一般都比较昂贵，因此新技术设备更新较慢，导致实验设备落伍。汽车构造的实验设备使用频繁，设备耗损严重，因此设备都比较陈旧。

(2)实验设备损耗大。在汽车构造实验时，由于某些学生的错误操作，容易导致实验设备的损坏。汽车构造的实验设备一般较为昂贵，因此设备损坏后的损失较大。很多学校的汽车构造实验室平时是封锁的，只在实验课时才允许学生进行拆装。

(3)实验工位不足。汽车构造实验的设备有限，不能每个学生都有实验工位，因此大部分学校都是指导教师先给学生进行分组，学生以小组为单位对一组设备进行拆装实验。这样容易导致部分学生动手实验，部分学生只观看不动手的问题，同时这种实验方式容易降低学生的学习积极性。

(4)指导教师精力有限。汽车构造实验虽然是以学生为主体，但是指导教师的作用也是不可忽视的。指导教师要在学生进行拆装实验过程中实时地进行指导和纠正。指导教师的精力是有限的，通常是由一个或两个教师指导一个班级的学生。指导教师很难对每个学生都进行指导，勤奋的学生会主动钻研和学习继承，对于自控力较差和学习不主动的学生，没有指导教师进行实时地约束和指导，很可能在实验过程中一无所获。

3虚拟现实在汽车构造实验中的应用

3.1汽车构造实验虚拟仿真系统

随着虚拟现实技术的发展，这一新技术逐渐开始应用在教学领域，成为新的教学媒体。虚拟现实技术在汽车领域的应用，主要有汽车仿真实验系统、汽车仿真驾驶系统、汽车虚拟设计系统。用于教学使用的主要有汽车总成拆装实训系统、汽车故障诊断系统、常规维护系统和车身测量系统等。

汽车虚拟拆装实验是以三维互动方式更加直观地展现汽车基本结构和工作原理，且可进行虚拟拆装，拆装主要包括2种类型，即总成拆装和零部件拆装，课程中常用到的拆装为发动机总成拆装实训、曲轴拆装实训、气缸盖拆装实训、凸轮轴拆装实训和活塞拆装实训等。汽车构造的虚拟拆装实验主要包括以下几个功能：

图1　虚拟实训中心场景

图2　虚拟拆装系统的发动机台架

(1)虚拟拆装软件可以模拟拆装实训车间的场景，配置有发动机拆装台架、零件车、工具车和拆装维修手册，实训车间采用3D图像技术，对场景图像可进行360度旋转，如图1所示为虚拟实训中心场景。通过鼠标与系统进行实时交互，学生可以对发动机台架沿曲轴轴线进行360度的旋转，如图2所示为虚拟拆装系统中的发动机台架。

(2)学生还可以选择拆装零部件、选择拆装工具和组合工具，然后按照维修拆装手册中的流程对发动机进行拆装操作，系统中为学生提供工具车，工具车中包含各种型号的套筒、扭力扳手、专用钳子和扳手等，在工具车中进行组合和拆卸，如图3所示为虚拟拆装系统中学生选择拆装工具的界面，学生首先选择一个拆装工具，系统会显示该工具的具体参数。

图3　拆装工具选择界面

图4　 发动机虚拟拆装界面

(3)选择好工具后，进入虚拟拆装界面，如图4所示，在虚拟拆装实验过程中，系统会严格规范拆装工艺过程，包含螺栓的拆装顺序、部件润滑和螺栓安装扭矩等，零部件的摆放位置也有相应的要求，必须将其摆放在零件车中。学生可以对拆卸后摆放在零件车中的零件进行3D展示，可以任意放大、缩小和按任意角度旋转，系统还提供汽车各总成和主要零件透视图，学生可以更加直观地掌握它们的结构。

(4)学生在计算机上通过虚拟现实软件模拟拆装汽车各部件及总成，系统会根据学生每一次的拆装速度和出错情况自动对学生的装配结果进行评分，并将实训报告打印输出，供指导教师评估和查看。学生通过虚拟拆装操作，详细了解汽车各部件的内部结构，掌握正确的拆装顺序与注意事项，从而有效地指导学生的实际拆装过程。

3.2虚拟现实应用的必要性和可行性

目前的汽车构造实验是以指导教师通过图片和视频对汽车构造进行讲解，理论讲解比较枯燥，很多学生逐渐形成了不爱提出问题，不动脑思考的习惯，缺少学习的主动性。虚拟现实实验系统可以给学生提供多种感官的综合体验，有利于学生主动学习和探索。采用虚拟仿真实验系统可以提升学生的创新思维和能力，提高学生的学习主动性，可以让每个学生都进行实验操作。因此，虚拟现实技术应用在汽车构造实验上，是改革和提升其实验教学质量的最佳方法。

把虚拟现实应用在汽车构造实验教学上，主要是通过虚拟仿真软件进行汽车构造和工作原理学习，以及进行虚拟拆装练习。虚拟实验室的建立主要是通过购买计算机及虚拟仿真实验软件，因此，汽车构造虚拟实验室建立是可行的。

3.3虚拟现实应用在汽车构造实验的优点

虚拟现实技术经过不断的发展，目前技术已很成熟，把虚拟现实技术应用在汽车构造实验上，可以有效地提高教学效果，优点主要表现在以下几个方面：

(1)改革汽车构造实验教学模式。把虚拟现实应用在汽车构造实验，突破了传统实验教学在时间和空间的限制，就像把实验工间搬到了课堂。教学不再只是枯燥的知识讲解，多媒体教学不再局限于图片和视频展示，学生可以直接参与到课堂中，亲身去感受虚拟学习环境。

(2)提高学生学习兴趣。采用虚拟现实的实验课程摆脱了传统的教学模式，能够模拟真实的实验场景，为学生提供了多种感官刺激。在实验过程中，虚拟现实可以提供专业知识的游戏教学模式，可以激发学生强烈的学习欲望，提高学生的学习兴趣。每个学生都可以参加到虚拟实验的课堂，解决了部分学生没有参与动手的弊端，这可以提高所有学生的学习积极性。

(3)提高实验效率。学生在进行真实的拆装学习之前，先在虚拟拆装软件中进行拆装学习和练习，可以减少在真实的拆装过程中产生错误操作。学生在熟悉了拆装过程后再进行真实的实验，可以有效地提高实验的效果和效率。

(4)降低实验教学成本。学生先在虚拟拆装软件练习后，再进行实际拆装可以减小和避免错误操作，减小了对设备的损坏，同时也降低了设备维修的成本。汽车实验仿真软件具有价格低和扩展性好的特点，而且可以反复使用。

(5)增加实验教学的深度和广度。有些危险高和难以开展的实验，且实际操作的实验不可能面面俱到，这些都可以采用虚拟现实技术进行虚拟实验，这可以增加实验教学的深度。汽车技术不断发展，需要不断的购买新实验设备才能追上技术更新的步伐。采用虚拟仿真软件，只需要对软件内容进行扩展，让学生对新技术产品进行学习和拆装练习，这增加了实验教学的深度。

(6)优化了实验考核方式。传统的实验教学对学生的考核方式主要是实验报告和实验操作，采用虚拟仿真软件，可以打破这种传统的考核方式。虚拟仿真软件可以把学生虚拟拆装操作的准确度和速度作为评价指标，自动对其操作进行评分。虚拟软件还可以设置虚拟考试系统，随机抽取试题，系统会记录学生在考试过程中的操作，进行科学和公正的评分。

4结论

虚拟现实技术应用在汽车构造实验中，能够有效地提高学习效率和学生学习兴趣，有效地提升实验教学质量。通过该技术能够帮助学生把理论知识与实际操作结合在一起，提升学生的实践动手能力，并且激发了学生的自主学习能力和学习兴趣。因此，虚拟现实技术应用在汽车构造实验可以极大地提高其教学质量，值得在汽车构造实验教学领域进行使用和推广。

参考文献：

[1]杜宝国, 唐运榜, 冯立岩,等. 虚拟现实技术在内燃机拆装实习教学中的应用[J].实验室科学, 2015,18(5):168-170.

[2]姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2004,23(2):238-240.

[3]杨建军,黄海波,王永忠,等.汽车构造实验教学环节探讨[J].实验科学与技术,2011,9(2):105-108.

[4]朱海,李瑞芬,赵辉.谈虚拟现实技术及实践教学的虚拟化[J].现代远距离教育,2005(3):64-66.

[5]温树杰,周俊卿.基于虚拟现实技术的实践教学探讨[J].江西理工大学学报, 2010, 31(6):66-68.

责任编辑：刘琳

Application of Virtual Reality Technology in Automobile Structure Experiment Teaching

LI Wei， TENG Fei, LI Qinghua

(College of Machinery and Vehicle Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract：Automobile construction course is an important foundation course in vehicle engineering major, in which the experimental teaching occupies a large proportion. The traditional experimental teaching method requires the instructor to explain the automobile structure and working principles, then display the process of dismounting the engine assembly, finally, divide the students into groups to make actual practice. This paper discusses the application of virtual reality technology in experimental teaching of automobile structure, showing that virtual reality technology can effectively improve teaching quality, promote students’ learning initiative, increase the depth and breadth of the experiment teaching, and reduce the teaching cost.

Keywords：virtual reality; automobile construction; virtual experiment

收稿日期：2015-12-27

基金项目：吉林省教育厅项目(SJYB15-03)；长春大学教学改革项目(XJYB12-12)

作者简介：李未(1982-)，女，长春人，讲师，博士，主要从事汽车系统动力学研究；滕菲(1985-)，女，长春人，实验师，博士，主要从事汽车材料研究；李庆华(1968-)，男，吉林蛟河人，教授，博士，主要从事机械数字化设计与制造研究。

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：1009-3907(2016)06-0089-05