虚拟现实技术在汽修专业信息化教学中的应用分析

文敏飞 尚林燕 张帅武 郑 恺

(唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299)

虚拟现实技术在汽修专业信息化教学中的应用分析

文敏飞 尚林燕 张帅武 郑 恺

(唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299)

虚拟现实技术是目前的科技热点之一，基于传统汽修专业教学方式存在的一些问题，本文讨论了虚拟现实技术的优点以及在汽修专业信息化教学中的应用方式。尽管该技术有着较强的直观性、创新性、交互性和自主性等优势，但在实际的教学应用中仍然存在一定的问题，要求我们将传统教学方式与虚拟现实技术相融合以实现教学效果最优化。

虚拟现实技术；汽修；信息化

一、引 言

随着网络通信和互联网技术的日益普及，高等职业教育信息化也成为必然的发展趋势，越来越多新兴的信息化教学手段应用于高职教育。目前，信息化教育模式有以多媒体为媒介的幻灯片、视频、语音等传统视听教学系统，有以网络通信为主的远程面对面授课系统，有以互联网技术为主的在线网络课堂教学模式，有以新兴的移动互联网为主的掌上课堂教学模式，也有以虚拟仿真技术模拟现实教学系统等等，当前的信息化教育模式已由传统的音响媒介阶段向网络信息化、通讯多元化、媒体多元化方向转变，因此，新兴的信息化教学模式应用于高职汽修专业也成为必然要求。基于智能终端设备的迅猛发展，起源于上世纪八、九十年代的虚拟现实(VR)技术也在教育领域有了广泛的应用，并逐渐在汽车维修专业教学中开始使用[1]。

所谓的虚拟现实技术是指采用计算机图形技术、仿真技术、人机接口技术、多媒体技术、传感技术等生成一种模拟真实世界中人类主观构造的环境以及可见和不可见的环境，用户借助特殊的输入输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，从而通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。

二、传统汽修教学存在的问题

(一)实训设备费用高昂，校方难以及时更新

随着科技的飞速发展，汽车行业日新月异，各种发动机电控系统、底盘控制系统新技术层出不穷，汽车维修专业设备仪器费用昂贵且更新较快，动辄几万甚至几十万的实训设备，学校一次采购以后往往要使用十几年甚至几十年，因此会出现学校培养与社会需求专业人才技能脱节的现象，所以要求学校层面要对更新实训仪器有足够的经费支撑，而目前所有高职院校所面临的状况是教育经费投入的不足[2]。

(二)实训场地受限，多种汽修设备无法安装

基于汽修专业的特殊性，实训教学中往往需要购置体积较为庞大的仪器如车架大梁校正仪、整车涂装室等专业设备，这会使原本就紧张的教学用房雪上加霜，导致许多实训项目无法进行，或者只能由教师进行视频播放教学，这与高职院校汽修专业工学结合、理实一体的教学模式发展趋势相背离。

(三)实训设备操作不熟练，可能造成设备损坏或导致危险

学生实训过程中，由于都是初次接触操作，容易发生安全事故或损坏实训设备，导致学校在安全保障和设备维护方面加大经费投入。同时，基于学生和设备安全方面的考虑，老师会对某些实训项目进行简化或干脆取消，导致正常的实训教学产生较大的局限性。

(四)汽修专业部分课程讲授局限性较大

基于实训设备的局限性，部分课程如汽车自动变速器的换档液压控制过程、液力变矩器工作原理、发动机各传感器内部的工作原理、汽车电气系统工作过程等知识点难以用传统教学方法如PPT、视频演示等讲授清楚，学生很难获得感官上的认知，难以掌握抽象的原理性知识。

(五)传统教学方式较为枯燥

传统的汽车维修教学方法，理论讲授基本都是“填鸭式”教学，内容枯燥乏味，缺乏与学生的互动性，实训讲授也受场地、设备等条件所限往往“空讲”、“演示”居多，动手偏少，教师缺乏对学生的吸引力，学生缺乏上课的趣味性，经常出现教师讲课与学生听讲不在同一频道上，玩手机、睡觉现象增多，课堂管理困难[3]。

三、汽修专业虚拟仿真教学的特点

(一)直观性：能够直观、立体的观察汽车零部件的工作原理，能够全方位了解汽车修理的操作步骤、工艺以及故障诊断流程。

(二)全面性：可以完成传统实训设备无法完成的试验，可以模拟汽车在各种工况下可能出现的故障，因而可以了解汽修过程中遇到的各种疑难杂症。

(三)交互性：基于VR的特点，可以通过外部操作设备如鼠标、键盘等完成虚拟汽车整车的拆装与维修工作。

(四)安全性：利用操作设备进行模拟操作，避免了实训过程中的安全隐患。

(五)趣味性：实现学生身临其境的感觉，互动性增强，最大限度激发学习者兴趣。

(六)经济性：虚拟设备取代实训台架，大大节约教育经费。

(七)便捷性：可以利用互联网进行资料查询、数据参数的实时反馈。

四、虚拟现实技术在汽修专业教学中的应用

(一)在汽车维修专业理论授课中的应用

传统的授课方法中，教师仅仅利用多媒体及实训台架进行知识讲授，这种方式有较大的局限性，比如发动机内部的构造及工作原理无法动态展示，尤其是汽车电子方面的工作原理、电控系统的控制流程等知识更加晦涩难懂。可以利用虚拟现实技术通过计算机创建一个虚拟存在但与现实工作情境完全一致的模型，通过人机交互操作了解和学习汽车各零部件的工作过程[4]。

我们以自动变速器的工作过程为例说明VR在理论授课中的应用。液力变矩器中泵轮、导论、涡轮三者的相互作用，液压油的流向以及变矩的过程是仅仅依靠演示文稿与视频讲解比较困难，此时可以通过VR软件创建一个液力变矩器模型，学生可以从各种角度观察三元件的结构形式及液压油涡流、环流的形成过程，同时又可以将扭矩的增大过程浅显易懂地表达出来。同样，行星齿轮机构、湿式多片离合器也可通过VR展示其内部的结构、工作过程。通过VR的增强展示，学生会对本知识点有多方位的感官认知，理解更加透彻，大大提升了学习效率。

此外，利用虚拟仿真授课的过程中，VR软件能对学生的操作流程进行跟踪记录，教师会有针对性的对学生易犯错的地方进行教学指导，并有针对性的提出教学改进方案，这样使得理论教学更有目的性。同时，VR软件的使用也给教师在课堂管理、学生平时表现的记录上提供了一种简单便捷的途径。

(二)在汽车维修专业实训授课中的应用

汽修专业中的实训授课是教学工作的重中之重，VR软件在实训教学中可以替代昂贵的实训设备，也可以完成不方便操作的实训项目，节约了时间和经费。下面介绍几种典型的汽修相关实训课程中的VR应用案例。

1.汽车维护保养中的应用

利用VR技术开发一款软件，其中软件包含发动机维护、底盘维护、车身维护以及电气设备维护四大模块总成，同时含有工单考评和资料查询功能。学生可以通过软件选择任意一个总成进行维护实训的虚拟操作，比如对发动机更换机油和三滤、进行车辆轮胎动平衡试验等，完成操作后填写电子工单，软件对操作过的项目进行时间记录并对过程进行考评，对该项目的操作熟练程度和流程准确性及时反馈，方便学生及时纠错。通过资料查询功能，使学生对不熟练或者不会的维护项目及时查阅或观看视频，反复进行操作直至掌握该项目的维护流程[5]。

2.驾驶培训中的应用

模拟驾驶实习的核心是要和真车的驾驶感一致，相比传统驾驶模拟器的显示器式交互模式，VR头显式模拟器具有更好的沉浸感，而且驾驶训练不受时间、天气等外界因素的影响，目前已有驾校引入基于VR的驾驶模拟器并投入使用，并取得良好的教学效果。VR的应用亦可推广到高校汽修专业的驾驶实习中，使用过程中通过对VR软件的设置，视频显示系统模拟天气、光线、行人、路面等不同路况，但油门、刹车、离合器、方向盘、档位操作、灯光仪表操作等均与实车一致，这样营造一种真实的实车训练情境。VR的使用不仅降低了学校驾驶培训的费用投入、降低了能源消耗、避免了环境污染，而且可以节约培训学时，提高学生驾驶的熟练程度。可以预测，未来VR技术的应用甚至可以取代实车考试，完全颠覆了学校中的驾驶实习考试模式，这也大大节约了学校车辆购置的费用。

3.汽车综合故障诊断中的应用

利用VR软件进行汽车故障虚拟设定，从而进行综合故障诊断教学与考核也是虚拟现实在汽车维修上的重要应用方式之一。例如讲授“汽车发动机起动困难故障诊断排除”这一知识点时，利用开发的VR软件模拟整车的起动工况，并设置故障点，通过穿戴设备了解并掌握发动机起动过程中油路、气路、电路、点火等各系统的工作过程，分析各环节对于起动过程的影响，并通过虚拟软件记录预判的故障点，这样可以强化知识的预习过程，然后配合教师的多媒体讲解及分析，进一步加深学生对于知识点的掌握程度。实训过程中教师可以操作软件设置任意故障如切断油路、拔掉空气流量计、起动机不转等，学生通过之前的预习以及听课过程能独立操作软件完成故障的排除，实现发动机虚拟状态下正常起动。

以上仅仅为VR技术在故障诊断应用中的一例，诸如发动机润滑不良、变速器故障、制动失效、转向不灵等故障诊断中亦可以使用以上方法完成理论和实训教学过程。通过以上学习方法，学生可以反复练习，并可进行一些探索性操作，从而熟练掌握维修技能，提高学生的创造力，同时，在虚拟操作过程中可以避免整车维修的危险性和拆装过程中的无效操作，将有效的课堂学时用在汽车故障诊断排除这一教学核心上。

4.汽车试验中的应用

VR技术软件能完成汽车道路试验、碰撞试验、侧滑及转向试验、动力及底盘性能试验等各种工况的模拟，学生在软件中选定汽车模型，输入试验所需的各种可变参数如车重、轴距、车轮定位参数等，配合人机交互及穿戴设备模拟整车的试验工况，计算机根据各参数计算分析整车的动力学与运动学等方面的性能，并将试验结果反馈到输出设备，给出驾驶者直接的感官体验，让学生对于汽车的各种性能有立体化的感受。同时，对汽车试验各参数进行修正，进行重复性操作，可以针对不同的试验参数评价不同工况下汽车的性能，最终获得汽车在何种参数及工况下性能最佳，有效降低了试验损耗。

五、虚拟现实技术教学存在的问题

(一)VR技术本身的不足

VR技术终归是关于计算机和人之间的通信互联技术，只能对教学活动起到辅助作用，不能完全取代传统的教学方式，模拟情境与真实情境之间总是存在一定的差异，例如VR技术无法提供汽修过程中的拆装手感、驾驶学习中的路面对汽车的冲击晃动感觉，嗅觉、听觉、触觉经验在汽修中所起的作用也是VR技术无法实现的。另外，虚拟操作虽然可以避免安全事故发生，但无法培养学生操作过程中的“安全手感”，不能让学生养成遵守操作规范的习惯，不利于未来职业素质的养成。因此，要正确处理虚拟教学与真实教学的关系，以传统教学方式为主，辅以现代的科技手段，让汽修专业教学达到事半功倍的效果[6]。

(二)对汽修专业教师要求更高

VR技术是一种更高层次的多媒体技术，因此对汽修专业课老师的计算机水平有着较高的要求，而目前多数高职院校的现状是有汽修经验的老教师教学信息化水平较低，而新引进的青年教师实训经验又不足，因此需要建立“以老带新”、“新老帮扶”，并辅以新多媒体技术软件开发及应用的职业技能培训体系。VR技术走进课堂更是对传统教学方式的一种“颠覆”，而“一只粉笔一本书”的教学方法已在高校教师中根深蒂固，突然变革教学方式，如何让教师接受并平稳过渡也是教学改革的问题之一。

(三)学生自主学习空间过大，课堂管理难度加大

基于穿戴设备的使用方式和局限性特点，授课方式往往以学生探索性自主学习为主，教师只能起到辅助作用，但由于学生对于新知识的无认知性，导致其在自主学习时有较大的盲目性，容易与授课重点相背离，学习效果也大打折扣。另外，高职学生的自控能力较差，面对较为新潮的教学设备和教学方式，容易出现关注点不在学习而在新奇事物上，影响学习效率。而且学生不是在教师视线下学习，教师无法及时制止学生精力不集中或做与上课无关的事[7]。

(四)设备购置及后期维护问题

前期购置VR教学设备费用较为昂贵，一套沉浸式VR装置包括计算机、工作站、穿戴设备等大概需要30万元，目前高职院校办学经费普遍较低，无力承担多套实训设备的购置费用，而且后续的升级、维护工作也需要大量的经费支持。目前普遍存在高校对设备管理维护不到位导致部分教学工作无法开展，实训设备利用率低的问题，投入大量资金购买的VR设备如何能保证持续有效地投入到课堂当中，也是提高教学质量的问题之一。

结 语

虚拟现实技术虽然在教育方面的应用处于起步阶段，但是在高校教育尤其是汽修实训教学中体现出的优势较为明显，解决了传统教学中遇到的教学资源紧张、安全性等难题，有利于提高学生的创新性以及团队协助能力，将枯燥的实车维修实训变为互动、启发、探索学习型实训，使计算机变成实训台架，互联网变成实训室，完成传统教学方式的转型升级。同时，虚拟技术的特点也决定了其存在缺陷，因此需要将传统教学方式与之相结合，使两者相辅相成。在未来的高校汽修专业教学中，信息化手段多样化成为必然趋势，VR技术作为信息化手段之一，它的应用前景也将非常广阔。

[1]孟祥宇，全江涛，丛蓉.虚拟现实技术在现代教育中的应用研究[J].重庆科技学院学报(社会科学版), 2011(5):188-189.

[2]沈爱莲.虚拟现实技术在高职汽车电子类课程教学中的应用研究[J].湖南理工学院学报(自然科学版),2011, 24(4):90-92.

[3]林娟.虚拟现实及其在汽车维修专业教学中的应用[J].新课程学习, 2014(11):222-223.

[4]王晓芳.虚拟现实技术在高校教学中的应用研究[J].大众科技, 2010(2):43-44.

[5]周彩根.虚拟现实技术在高职教育中的应用[J].常州信息职业技术学院学报, 2004, 3(4):43-45.

[6]姚永聪.虚拟现实技术在高职实践教学中的应用探究[J].职教通讯, 2012(15):64-66.

[7]刘凤田,刘玉兰.虚拟现实技术及其在教育领域中的应用研究[J].河北农业大学学报(农林教育版), 2005, 7(1):13-15.

2017-04-20

文敏飞(1985- )男，山东潍坊人，硕士，唐山工业职业技术学院助教，研究方向：汽车检测与维修技术。

[资金项目] 本文系2016年度唐山工业职业技术学院课题“信息化条件下高职汽修专业课堂有效性研究”(项目编号：YJKT201621)阶段性成果。