虚拟实验技术在中职汽修教学中的应用

徐朝松

摘 要：虚拟实验技术可以提供一种实物和模型的环境，向学习者提供一种最具真实感的学习模式。它让学习者拥有一个“自主学习”的环境，通过自身与信息环境的相互作用来得到知识和技能。本文通过分析虚拟实验技术在中职汽修教学中应用的必要性和实际应用效果得出结论：虚拟实验技术在中职汽修专业教学中的应用，从汽车驾驶、构造、维修、装配以及汽车检测等各方面进行模拟，缓解或解决了现行汽修专业教学中实训设备更新过快，成本过大、场地限制明显等实际问题。

关键词：虚拟实验技术 中职汽修 教学 应用

一、国内外研究现状

从20世纪90年代起，世界上很多高等院校对虚拟实验技术开展了研究，如美国的麻省理工学院（MIT）建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪系统；英国的Linda大学医学中心以数据手套为工具，将手的运动实时地在计算机上用图形表示出来，还首创了VR儿科治疗法；德国的Ruhr大学开发的虚拟自动化实验室，是一个关于控制工程的学习系统，具有直观形象的三维实验场景视觉效果，实现了对虚拟自动化实验的交互式操作。

我国在虚拟实验研究方面起步较晚，但是发展速度较快。中国科技大学、同济大学已经根据自身教学需求建立了虚拟实验室，并专门构建了虚拟仿真开放共享平台，以实现教学资源的共享。在汽车相关领域，北京科技大学的虚拟实验室，成功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统。通过计算机产生汽车行驶过程中的虚拟视景、音响效果和运动仿真，驾驶员沉浸到虚拟驾驶环境中，并有实车驾驶的感觉。

二、汽车专业教学中存在的问题

1.汽修设备更新换代较快、学校难以支撑其换代费用

随着高科技时代的来临，汽车的发展日新月异。汽修专业的设备和仪器仪表更新速度加快，使用周期缩短，同时设备和仪器仪表价格不菲，学校经济层面难以支撑，导致无法及时换代，日积月累实验实训的教学设备和实际企业应用的情况脱节，难以跟上时代的步伐。

2.场地限制较为突出、不能大范围的布置实训室

汽修实训设备往往体积较大，占地范围也同样如此，且同样设备由于费用和实际场地条件限制，也不能大范围地购置。这样会导致教师在实际示范过程中不能顾及到大部分或全部的学生，教学开展有一定的局限性。

3.对实体实训设备的不熟悉，常常造成意外危险和设备损坏

在实训设备初次或前几次的使用过程中，由于学生乃至教师对设备的了解和熟悉缺乏一定的经验积累过程，没有经过必要的“养成训练”，常常出现学生受到一定的意外伤害或者实训设备受损害和破坏的情况。

三、运用虚拟实验技术在汽修教学中应用的必要性

1.促进教学改革，改变教学方式

基于虚拟实验技术的教学，突破传统教育的时间和空间限制，使学生拥有自主学习的环境，扩大学生的学习空间，增强学生的想象力；从传统单一的师生交互环境，转变到师生、人机、生生多个交互系统的有机环境；教学过程中教师作为引导者与组织者，学生作为主导者与参与者，教师启发引导、学生自我学习与相互交流讨论等教学方式能够全面体现与实施。

2.激发学生热情，提高教学效率

基于虚拟实验技术的教学，摆脱了传统书本教学和普通多媒体演示的教学模式。它能够模拟真实场景，让学生在虚拟环境中身临其境地进行虚拟训练，还可以提供各种基于专业知识和技能的教学游戏。这样可使原本枯燥乏味的理论知识和难于操作的实操变得有趣，有利于学生在人机交互过程中产生强烈的学习欲望，激发学习热情，提高教学效率。

3.合理配置成本，拓宽教学知识面

传统汽车实训室往往需要很大的场地与投资，建立一套虚拟实验室的投资要小得多；虚拟实验技术在使用过程中，材料消耗低，设备可靠性高，维修概率小，学生安全性高；还可将一些危险性高、开展难度大的项目采用虚拟实验技术进行，比如训练各类检测设备的操作方法、各种故障诊断与排除的技巧等，既解决了某些现实中无法开展的难题，又保证了安全。

四、虚拟实验技术与传统教学的相互关系

1.虚拟实验技术对传统教学的影响

传统的教学以教师讲课为主，学生听课为辅，教师讲什么学生学什么，教师主宰整个课堂，导致学生被动地学习。久而久之，学生固定了思维，创新能力无法得到有效提高。虚拟实验利用先进的计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感器技术等，使它生成的视觉环境是立体的、音效是立体的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟实验技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，创造使学生陶醉在流连忘返的学习之中的环境。

2.虚拟实验技术对教学手段的影响

互动启发式教学，通过好像身临其境、自主控制的人和机器的交互，给学生提供诸如视、听、嗅、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地方便学生的操作，从而提高学生的学习效率；发现式教学，教师要根据虚拟实验教学创设适当的问题情境，鼓励学生发现汽车拆装与维修的规律和问题解决的途径，使他们经历知识形成的过程；协同工作式教学，虚拟实验教学不受地域和距离的影响，可使不同地域或者区域的师生共处于一个虚拟的网络空间中，通过师生的共同参与，相互协作来完成汽车拆装、检测和维修项目的实操训练。

3.虚拟实验仿真软件与传统教学的有机结合

虚拟实验背景下产生的仿真软件教学是具有综合作用的教育手段，学生置身于仿真环境中，可以充分调动感觉，运动和思维，极大地提高了学习效率。提倡虚拟实验教学，并不是完全否定传统的课堂教学，传统的课堂教学也有自身的优势，如知识传授的完整性、教学过程中的师生互动性等。两者的有效结合，优势互补，形成实践中有效可行的信息化教学。

五、虚拟实验技术在汽修专业教学中的应用举例

1.虚拟驾驶是虚拟实验技术在汽车驾驶员培训中的应用

虚拟驾驶不仅可以模拟道路环境如各类建筑、桥梁、隧道、水域、植被绿化、车辆、行人、交通标志等，还能模拟各种天气环境如早晨、中午、黄昏，大雾、下雨、下雪等。虚拟驾驶系统的图形部分随着驾驶的过程由计算机不断实时变化，虚拟驾驶系统的方向盘、油门、离合器、刹车、档位和真车一致。另外，三维图、错挡行驶熄火、方向盘启动时微震、力回馈和位移等路感信息的模拟，让驾驶学员有了真车训练的感觉。用虚拟驾驶系统对学员进行交通、驾驶知识的训练和驾驶技能的锻炼能有效减少学员的培训时间，有效帮助学员提高驾驶熟练程度，有效降低学员驾驶初期的恐惧性，从而减小交通事故发生的概率。

2.虚拟汽车保养是虚拟实验技术在汽车维护与保养课程中的具体应用

以“丰田4万公里保养”为例，利用虚拟实验技术创建一仿真软件，其主要内容包括举升位置模块、记录工单和资料查询等。学生可以根据自身情况任意选择一个模块进行学习。其中“记录工单”选项记录学生操作过的项目，当学生做了一个保养项目，记录工单就会在相应项目上进行记录。通过这些记录，学生可以一目了然地从中知道哪些项目做了，哪些项目没有做，哪些项目做对了，哪些项目做错了。另外，“资料查询”选项是学生进行保养的操作规程和依据。当学生不会某一项保养项目时，他可以点击“资料查询”进行相应步骤的学习和查阅。学生通过在虚拟汽车保养的反复训练，再到实车中进行实践，能有效解决学生盲目操作、无从下手的问题，提高学生操作的安全性和学习效率。

3.虚拟拆装是虚拟实验技术在汽车各总成拆实践教学中的应用

如进行“AJR发动机汽缸盖拆装”实践操作时，学生在虚拟环境下，首先正确选择拆装时所需要的工量具，并放入工具车，然后利用虚拟实验技术对发动机汽缸盖的10颗螺栓进行虚拟的拆卸与装配，最后电脑通过对拆卸和装配的步骤分析，工艺流程的判断，形成结果性的评价。学生通过反复虚拟训练，不断发现自身存在的问题，针对问题反复改进操作方法，优化拆装步骤，逐步提高装配效率，大大降低教学成本。

4.虚拟汽车故障是虚拟实验技术在汽车故障诊断与排除课程中的应用

如学习“电子控制汽油喷射系统电路故障诊断与排除”内容时，利用虚拟实验技术开发一逼真的电子控制汽油喷射系统的控制电路并设置故障点。学生在进行故障诊断时，可以根据三维的电路图，更加直观地查找故障点，然后根据故障点在虚拟环境中进行故障的诊断与排除，使电子控制汽油喷射系统恢复正常。虚拟实验技术可以对所有部件的特定部位设置故障点。通过反复练习，学生可获得丰富的维修经验。由于虚拟的故障训练系统无任何危险，学生可以任意进行探索性操作，可提高学生的创造性。

5.汽车虚拟试验系统是虚拟实验技术在汽车检测技术教学中的应用

利用虚拟实验技术在虚拟的场景或者试验环境中建立好试验汽车模型，学生根据试验模拟的汽车参数输入相应的指令，计算机对该汽车试验模型进行运动学、动力学等方面的综合分析，通过分析在虚拟试验环境中重现汽车试验过程，从而得到该车的各项性能参数，进而根据参数进行评价和修正模型参数，以达到理想效果。学生通过不断重复该过程，最终使汽车获得最优性能。

六、现实与展望

目前，虚拟实验技术应用在汽修专业的教学中能有效缓解教学资源紧缺问题，能避免学生在实验、实操训练中所带来的各种危险，有利于启迪学生思维，丰富学生想象力，有利于学生创新能力、协作能力的培养等。当然，虚拟实验教学可以作为实物实践教学的有益补充，但不能完全替代实物实践教学。汽修专业虚拟实验教学应根据不同实训的特点确定虚拟教学实训系统的设计思想和仿真工具，并在虚拟实验教学前后加入实物实践教学，使两者相辅相成，相互促进。虚拟实验技术对于教学而言确实非常地有必要，不仅增强了虚拟仿真效果，更让教学变得生动有趣。相信在未来的虚拟技术教学中，汽车虚拟实验技术将会运用到所需要的各个领域。

参考文献：

[1]刘振华.虚拟实验技术在教育领域的应用研究[J].滨州职业学院学报，2006（8）.

[2]周廷美，吴云.虚拟实验在汽车外形设计中的实现[J].汽车工程，2001（3）.

[3]李晶晶.以就业为导向构建汽车专业实践教学体系[J].长江工程职业技术学院学报，2011（2）.

[作者单位：桐乡技师学院（筹）]