虚拟仿真教学环境的混合式学习探索与实践——以“汽车构造”课程为例

郑彬

（攀枝花学院交通与汽车工程学院，四川 攀枝花 617000）

前言

针对强化应用型人才能力培养，以车辆工程专业的汽车构造课程为出发点，其人才培养的目标是培养出面向生产、设计和管理等需要的高端应用型人才。面向的工作岗位主要有汽车产品及零部件的设计、制造、装配、操作和调试等，车辆工程行业范围较大，所涉及的产品种类繁多，需要学生掌握很多技能。采用传统教学方法，学生难以较好地掌握汽车构造的众多知识点，因此需探索新的教学方法。

郭烈[1]在汽车发动机原理课程中，结合虚拟现实技术、网络通信技术和现代教育技术开发了一套虚拟仿真教学系统，实现了课堂与现场的有机融合、可视化环境下的师生互动，增加学生主动参与和实践动手的机会，有效提高教学效果。业红玲[2]针对应用型本科院校对人才培养的要求，考虑到汽车构造教学过程中的不足，采用虚拟仿真技术设计汽车构造课程教学系统，为学生提供课堂教学资源，有效地提高课堂教学质量。张忠洋[3]根据新能源车辆工程专业重视学生的能力培养，运用虚拟仿真技术使学生深刻掌握理论和实践操作知识。本文以攀枝花学院车辆工程专业汽车构造课程教学存在的问题为出发点，详细介绍了虚拟仿真教学环境的混合式学习模式的优点及实践方法，以提高车辆工程专业学生的培养质量。

1 汽车构造课程教学现状

汽车构造是车辆工程的重要基础课程之一，学生对汽车构造课程的掌握及理解程度，将直接影响后续专业课程的学习，如汽车理论、汽车动力装置和汽车数字化开发技术等[4]。汽车构造课程主要讲解汽车零部件结构和工作原理，所涉及的课程内容多而且广泛。采用传统的教学方法对汽车构造进行课堂讲解，学生难以较好地掌握该课程的知识，因此需探索新的教学方法。

汽车构造课程具有以下特点。

（1）课程知识点多、内容广泛。车辆工程专业的汽车构造分为汽车构造1和汽车构造2，其中汽车构造1主要包括发动机工作原理、两大机构和五大系统；汽车构造2为汽车底盘的四大系统。因此，汽车构造课程的知识点多、内容非常广泛。

（2）工作原理各不相同。汽车构造1中的曲柄连杆机构和配气机构的工作原理分别为机械原理中的四杆机构和凸轮机构。汽车构造2中的传动系、行驶系、转向系和制动系又分别为机械原理中的轮系、差动轮系、蜗轮蜗杆机构和凸轮机构。各系统的组成和工作原理差异很大，增加了课程的学习难度。

（3）零部件繁多、结构复杂。一辆汽车是由成千上万个零部件组成，而每个零部件又具有不同外形尺寸和功能，因此导致系统结构复杂。以发动机的配气机构为例，主要包括凸轮轴、气缸盖、气门、摇臂、推杆和挺柱等部件组成；又如发动机润滑系统主要包括机油泵、集滤器、油底壳、机油滤清器和溢流阀等部件[5]。

2 虚拟仿真教学在汽车构造课程中的探索

虚拟仿真是指借助于计算机软件技术，建立专业课程的各类三维模型、运动仿真视频，让学生在虚拟的情境下进行探究和学习。虚拟仿真可以和其他先进教学方法相结合，因此在车辆工程类课程的教学中，将虚拟仿真教学与其他教学方法相结合有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，掌握更多的技能，在车辆工程类课程的教学中具有重要的意义。

虚拟仿真教学有利于提高学生兴趣，使学生在较短时间内进入相应情境，真实的体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出多种动画、视频等，使学生掌握更多的操作技能。如汽车构造实践课程针对不同汽车零部件需要不同的实验设备与实验场地，而且实践课程必须在实验室进行。当采用虚拟仿真技术后，只需在计算机机房中安装相应的软件，学生即可进行相关实验。

基于车辆工程专业教学中的实际情况，探索出一系列切实可行的计算机虚拟仿真教学方案。通过调研，建立虚拟仿真教学模式，对汽车构造课程的调查与分析，寻找合适的三维建模及运动仿真软件，建立课程中重要零部件的动画、视频。制定具体的教学方案，通过理论分析和实际的课堂教学，探索出虚拟仿真在专业课程中的最佳应用办法。

因此，基于虚拟仿真技术，针对汽车构造教材中较难理解内容，如汽车曲轴、连杆和制动系统等，以常见车型为基础，在测绘的基础上，建立各自的三维模型并进行虚拟装配和运动仿真。同时，在三维模型的基础上，培养学生建立二维工程图，以提高学生动手能力与实践能力。采用虚拟仿真教学方法，相对传统教学，有以下优势。

（1）将虚拟仿真技术与课堂教学更加紧密的结合起来，可较好地实现“教、学、做”一体化，改善现有课堂教学条件、提高课堂教学效果的同时减少设备消耗，尤其是耗材的使用量。以鼓式制动器为例，通过SolidWorks建模软件平台，建立三维模型并进行装配，如图1所示。

图1 鼓式制动器三维模型

同时，也可以通过建模软件平台对装配后的鼓式制动器进行分解，以使学生更清楚的理解制动鼓、摩擦衬片、制动蹄和制动底板等各零部件之间的相对位置及运动方式，如图2所示。

（2）通过虚拟仿真，将教材上难以掌握的功能部件的工作原理、运动方式以三维动画方式进行讲解，使学生更容易接受。以汽车发动机为例，将发动机的各主要零部件建立三维模型并装配后，可通过“运动算例”对其进行运行仿真如图3所示。

图2 鼓式制动器三维模型爆炸图

图3 汽车发动机运动仿真模型

3 混合式教学在汽车构造课程中的实践

混合式学习是指学生在“适当的”时间，通过“适当”的学习方法及手段与“学习”风格相吻合，从而获得最优化的学习效果的学习方式。我国于2003年引入“混合式教学”，经过十余年的发展，当前已经成为高校各类教学研究与教学改革的重要课题。

根据混合式学习的特点，攀枝花学院交通与汽车工程学院针对车辆工程专业的汽车构造课程开展了混合式教学课程建设。汽车构造属于车辆工程专业的基础课程，主要包括汽车发动机及底盘两大部分。而针对某些系统结构及工作原理，如对称式锥齿轮差速器的组成较复杂且工作原理相对抽象，在传统有限的教学时间内可能达不到预期的教学目标。因此可通过混合式学习方法，让学生利用“碎片时间”，如课间休息、排队候车时通过混合式学习平台对相关教学视频、虚拟仿真动画、微课、教学PPT等资源进行自主学习。一方面，学生可通过混合式学习平台对课堂上的教学难点或重点进行多次、重复性学习直至掌握该教学难点或重点；另一方面，通过在混合式学习平台上共享汽车零部件的三维模型、运动仿真视频以提高学生对该课程的学习兴趣，掌握在传统课堂上难以理解的工作原理或运动方式，加强相关教学知识点的理解与掌握。

目前，《汽车构造》混合式学习平台主要包括以下四大模块：

（1）单元学习。以模块化方式进行学习，如：发动机的基本知识模块、曲柄连杆机构模块、配气机构模块、燃料供给系统模块、冷却模块、润滑模块、传动系统模块、行驶系统模块、转向系统模块和制动系统模块等。而每一模块内又包括：学习反思、分享、在线测试、课后自测和作业等子模块。

（2）课程资源。该模块主要以教学PPT为主，但该模块的PPT比课堂教学时的PPT内容更丰富。能够引导学生有兴趣有信心有效率的自主学习汽车构造的相关章节内容。

（3）课程活动。课程活动模块下设答疑讨论、播课单元、课程问卷、常见问题、研究型教学和试题试卷库等模块。

（4）课后实践。课后实践模块主要包括两个子模块：根据实践教学对理论知识进行拓展与延伸；教师依据教学进度设置相关教学模块的探究性实践任务，如制动系统的发展新技术，如盘式与鼓式制动器相结合的盘鼓制动器等，通过课后实践模块，再次拓展学生对相关章节内容的自主学习。

4 结论

学生是课堂的主体，在教学过程中更应该考虑学生的学习需求，根据学生的反馈不断改进教学方法。本文通过将虚拟仿真教学、混合式学习与应用型人才能力等相结合，设计最合适的教学情境，在最大化的节约教学硬件设备的基础上，将虚拟仿真与课堂教学有机结合，建立更多汽车构造的教学动画及视频，以激发学生的学习兴趣。