汽车发动机拆装实践虚实结合教学模式探索

魏晓旭 田哲文

[摘 要]针对汽车发动机拆装实践传统教学模式的局限性，提出基于虚拟结合的实践教学模式并阐述其发展必要性，针对非汽车专业学生开展基于时间碎片式的虚实结合发动机拆装竞赛策略。具体实施方案采用先进行桌面三维动画虚拟仿真拆装，再进行真实环境实际拆装的“两段式”虚实结合教学形式，二者同中有异，循序渐进、逐步提高。实践表明，汽车发动机拆装虚实结合的教学模式能够提高学生对发动机构造及原理学习的兴趣，丰富实践教学形式，降低实验设备损耗，避免由于实验设备匮乏影响教学效果。

[关键词]虚实结合；发动机拆装；实践教学；教学模式

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0096-03

随着虚拟现实技术和网络信息化技术的快速发展，虚拟仿真实验技术日趋成熟与完善，越来越多的虚拟仿真资源被应用于教学活动中。为推进各高校实验教学信息化建设和创新实验教学模式，2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，以提高高等院校学生的创新精神和实践能力[1]，2017年在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。

汽车发动机拆装是车辆工程、能源与动力工程和汽车服务工程等相关专业本科生重要的校内实践环节。该实践环节在汽车构造课程和汽车理论课程课堂教学完成后进行或是与课堂教学同步进行，其主要目的是使学生巩固和加深课堂所学知识，对发动机构造有感性认识，激发学生独立思考和处理问题的潜能，突出“学生为主体，教师为辅助”，以培养学生团队协作能力和实际动手的能力[2]。

一、开展虚实结合实践教学模式的必要性

汽车发动机拆装实践现阶段还是基本沿用传统教学模式，受制于教学设备昂贵、教学设备不足等因素影响，这种教学模式存在一定的局限性，不利于学生长足发展[3][4][5]。

为防止学生盲目拆装，以及由于操作不规范而造成实验设备损耗率较高这种情况的发生，教师会先将拆装过程进行理论分步讲解，然后要求学生按照指导书操作，完成拆装过程。这个过程会导致学生只知其然，而不知其所以然，无法调动学生的积极性，不利于培养学生的独立思考能力。通过虚实结合的教学模式，学生在实际动手操作前，可以先进行虚拟拆装，对发动机总成、系统、零件有整体的认知，这能让学生作为发动机拆装实践的主体[6]，同时降低了零件丢失或损坏的几率，提高了实验设备的寿命，保证了教学质量[7][8][9]。

发动机真实拆装选用上汽通用五菱1.2L排量发动机，虚拟拆装平台则选用AJR发动机，二者既存在相同点，又存在差异，虚实结合的教学模式有利于开阔学生的视野，让学生了解不同种类的发动机，激发他们自主探究的潜能。

由于近年来高校不断扩招，导致实验设备相对匮乏，发动机拆装实践一般为8～10个学生共用一套翻转台架设备[10]。尽管每组的学生都会被安排不同的工作岗位，如拍照、记录、准备工具、实际操作等，且采用轮岗制，也只能保证部分学生能够有机会参与实际动手拆装。虚实结合的教学模式打破了传统单一的实践教学形式，其通过计算机技术、网络技术、三维动画技术，生动直观的表现形式，将汽车发动机展现在每位学生面前，让学生通过简单操作，掌握发动机的拆装过程，认知发动机结构，思考发动机各系统的工作过程。发动机虚拟拆装平台不受实践场地的制约，学生可以在宿舍、自习教室等场所操作，这可以形成良好的学习氛围，丰富学生课下学习资源。

二、发动机拆装虚实结合实践教学模式实施方案

虚实结合实践教学模式主要包括以虚拟仿真系统为实践环境的虚拟操作和以真实实验设备为实践环境的真实操作。根据实践的性质和内容不同，虚实结合实践教学可分为虚实分段、虚实交替、虚实融合等三种形式。本文采用“两段式”虚实分段的教学形式，即先进行桌面三维动画仿真拆装，再进行真实环境实际拆装，按照熟悉、掌握、运用的步驟，循序渐进、逐步提高，具体实施方案如图1所示。

（一）汽车发动机拆装虚拟仿真环境

该虚拟仿真平台由发动机组成认知模块、发动机虚拟拆装练习模块、发动机虚拟拆装考试模块三部分组成。

发动机组成认知模块通过动画和视频形式详细且全面地讲解发动机工作原理、各系统组成及零部件功能与位置，生动形象地展示发动机拆装工具的使用方法及注意事项，有利于帮助学生复习与巩固课堂所学理论知识，同时为发动机拆装奠定基础。

发动机虚拟拆装练习模块和考试模块均由六部分组成——三拆三装：外围部件拆卸、配气机构及气缸盖拆卸、活塞连杆组拆卸、活塞连杆组安装、配气机构及气缸盖安装、外围机构安装。二者差别在于，虚拟拆装练习模块会用操作提示框提示学生当前步骤需要操作的零部件名称、所需拆装工具、标准步骤视频及操作信息提醒。以拆卸节气门体侧发动机盖板支架为例，如图2所示，学生需要找到盖板支架所在位置，然后根据紧固件的类型及型号，进入工具台选择相应的拆装工具（如套筒、扳手等），虚拟平台会判断零部件是否选择正确，工具是否合理。相对于练习模块，考试模块难度相对比较大，作为课下复习和兴趣挑战开放，学生只需完成发动机虚拟拆装练习模块中的六个部分即可进入真实拆装环节。

（二）汽车发动机拆装真实操作环境

发动机拆装真实操作对象为上汽通用五菱的汽油机，通过对发动机实物的观察、拆卸、安装和思考，学生能充分认识发动机的构造组成，详细了解往复活塞式汽油发动机的工作机理，曲柄连杆机构运动过程，熟悉发动机各个主要组成部件的基本功用及其在结构上的相互联系。

发动机拆装实际操作过程由发动机电控系统、冷却系统、进排气系统、点火系统、润滑系统、配气机构、曲柄连杆机构的拆卸和发动机整体装配八个子项目组成，区别于虚拟拆装平台整体概括的认知，能让学生细致深入地了解发动机构造，体会润滑系统油道的真实存在。

（三）时间碎片式发动机拆装竞赛虚实结合策略

“两段式”虚实分段的教学形式主要是针对汽车相关专业学生在培养计划内的实践环节，對于发动机感兴趣的学生则采用时间碎片式虚实结合的竞赛策略，以拓展和丰富学生的业余生活。

1.时间碎片式发动机虚拟拆装练习环节

发动机虚拟拆装平台为C/S架构，服务器端24小时开放，学生可以在校园网接入的任何时间、任何地点登入学生端平台进行发动机虚拟拆装竞赛练习，也可以提前进入竞赛模式熟悉操作过程。发动机虚拟拆装平台教师端能够实时查询学生的练习情况，了解学生的参与情况和知识掌握程度，及时调整竞赛环节的内容安排等。通过对参赛选手的拆装练习数据进行详细分析，进行首轮淘汰，筛选出一定比例的选手参加发动机虚拟拆装集中竞赛环节。

2.发动机虚拟拆装集中竞赛环节

发动机虚拟拆装集中竞赛环节安排在统一管理的机房内，排除因计算机配置、互联网网速等客观因素差异影响选手的参赛成绩。竞赛模式采用小组三名学生累加计分，在制定时间内，参赛队员每人轮流完成发动机虚拟拆装子项目：两个指定项目，一个随机项目。团队协作的竞赛模式，不仅能考验学生的个人素质，还能考验团队的整体时间规划和作战能力：是将时间分配到指定项目多一些，尽可能保证确定项目的分数，还是顾全整体平均分配三个项目的时间，利用随机项目的分数弥补。一个简单的发动机虚拟拆装竞赛，可以让学生了解团队协作的重要性，学会团队间的沟通合作，服从团队内部的决定，让学生在学习知识的同时深刻体会团队精神的精髓。

3.发动机实物拆装竞赛环节

根据发动机虚拟拆装集中竞赛环节的成绩筛选若干组进行发动机实物拆装，竞赛模式同样采用三名学生一组完成竞赛，以准备率为主要衡量指标，竞赛用时为次要指标。与发动机虚拟拆装竞赛不同的是其需要三名选手同时参与，分工不同，共同操作完成竞赛，非轮流操作。同样是团队协作的竞赛模式，这种模式侧重学生多人合作，各司其职的能力素质培养。

三、发动机拆装虚实结合实践教学模式的初步成效

虚实结合的教学模式在发动机拆装实践环节应用后取得了良好的效果。

随机对两个班的75名学生做调查，虚实结合的实践教学模式得到几乎所有学生的认可，学生表示完成发动机虚拟拆装犹如在玩一款小游戏，可以在放松的同时学习和巩固理论知识。这种教学模式可以充分调动学生的积极性与学习热情，学生普遍反映虚实结合的竞赛形式比较新颖，第一次可以在寝室，在自习教室操作专业课程软件。在实际拆装中，学生几乎是独立完成，与虚拟平台的学习过程进行对比，学生更侧重于发现问题，思考分析，最终解决问题，成为实践环节的主体。学生对新形式的发动机拆装竞赛接受度与参与度较高。

实践教学在整个工程教育中具有重要意义，很多现代教学方法被用于发动机拆装实践环节，如基于行为导向教学法、基于工作过程的教学模式、以问题为导向的教学方法等，以此发挥学生的主体作用，激发学生自主学习，但这些不利于降低仪器设备的经费投入。虚实结合的实践教学模式有助于减少实验仪器设备的消耗，并且增大了操作实验仪器设备的安全可靠性。

通过虚实结合的实践教学模式，教师可以对学生进行全面的评价，综合考虑学生在虚拟仿真环节与真实环境中的表现，这种评价更具有客观性。虚实结合实践教学模式有助于加强教学团队队伍建设，加大对现代教育技术的投入，使广大专业教师了解虚拟现实技术，运用和开发本课程的仿真系统，掌握虚实结合实践教学的规律。

四、结语

汽车发动机拆装虚实结合教学模式的实践，提高了学生对发动机构造及原理的学习兴趣，丰富了实践教学形式，降低了实验设备损耗，避免由于实验设备匮乏影响教学效果。虚实结合的实践教学模式深受学生欢迎，虚拟拆装平台打破了设备和场地的制约，真实拆装环境培养了学生的团队合作意识，提高了学生的动手能力，激发了学生的积极性与创新意识，为汽车专业其他实践如变速器、制动器、驱动桥等的探索奠定了基础。在后续研究探索中，拟尝试利用虚拟现实技术代替桌面式虚拟拆装平台，更真实地让学生体现虚拟拆装，加强信息技术与高等教育实践教学环节的深度融合，提高教学质量和效果，强化实践育人的重要意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[EB/OL].[2013-8-13]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201308/t20130821_156121.html.

[2] 魏晓旭，田哲文.PBL教学方法在汽车拆装实训中的应用探索[J].黑龙江教育（理论与实践），2016（4）：72-73.

[3] 梁焰贤.基于行为导向教学法在《汽车发动机拆装》课程教学实践的思考[J].广东交通职业技术学院学报，2015（1）：91-95.

[4] 张朝杰.基于工作过程的《发动机拆装与检修》教学模式研究[J].科学技术创新，2012（9）：167.

[5] 朱建能，周继伟，吴正洪，等.基于严谨规范、多层次施教的发动机拆装教学实践[J].读写算：教育教学研究，2012（16）：277-279.

[6] 盛苏英.开放式虚实结合实验教学探索与实践[J].实验科学与技术，2014（1）：98-101.

[7] 李金华，姚芳萍.虚实结合的数控机床实验教学模式探索与实践[J].实验室科学，2015（4）：65-67.

[8] 杨建良.电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建[J].实验室研究与探索，2014（7）：101-104.

[9] 徐加放，王志远，高永海，等.虚实结合的海洋油气工程实践教学平台的构建[J].实验技术与管理，2015（12）：112-115.

[10] 李荣，臧杰，杨兆，等.面向“卓越工程师”培养的发动机拆装虚拟教学系统设计[J].中国冶金教育，2013（4）：14-16.

[责任编辑：陈 明]