虚拟现实技术应用于发动机拆装实训的探索与实践——以北京汽车技师学院为例

北京汽车技师学院 杨远满

在产教融合的大背景下，我校与北京奔驰有限公司合作办学，设立了奔驰定向班，在培养奔驰定向班学生的过程中注重奔驰发动机装配的训练，以便更快适应工作岗位。在我国技工类院校或中高职类院校，发动机拆装实训是汽车维修专业或汽车制造与装配等相关汽车类专业的必修课。目前，我国各类院校用于发动机拆装实训的多是汽油发动机，零件众多，结构复杂。采用虚拟现实技术，可以将发动机拆装过程构建为一个虚拟拆装系统。学生可以先通过该虚拟系统学习和练习拆装过程，再拆装发动机实物。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 虚拟发动机拆装平台建设背景

1.1 发动机拆装实训中存在的问题

（1）拆装设备数量少，难以满足学生实操需求。以北京汽车技师学院为例，学校用于拆装实训的发动机只有40余台SAAB发动机，奔驰生产线上奔驰发动机20余台。相对于在汽车系参加发动机实训的学生人数和培训部组织的社会人员的数量，发动机的数量不能满足需求。

（2）拆装设备丢失、损坏率高。由于学生缺少足够的实操技术，拆装实训过程中发动机零件和拆装工具丢失、损坏率高。据北京汽车技师学院2018年全年不完全统计，汽车系实训和培训期间，发动机螺栓丢失、损坏现象严重，气缸垫和气环也有丢失、损坏的情况。拆装工具中的套筒和活塞环拆装器也出现了丢失和损坏。

（3）拆装过程缺少有效监控，实训效果难以保障。部分学生为了完成教师的作业要求被动拆装实训，存在应付心理，积极性不高，拆装任务有时难以有效完成。例如，分小组练习拆装发动机气缸盖时，存在拆卸时有的学生不拆气缸垫，或者在装配时漏装气缸垫。

（4）汽油发动机结构复杂，存在装配不符合要求的现象。为了保证汽油机的正常工作，零件在拆卸和安装的过程中有特殊要求。例如，进气歧管和排气歧管的安装需要满足平面度的要求，在拆卸和安装时，进气和排气歧管上的固定螺栓都需要分2次～3次按正确顺序拆卸和安装。在实训前，教师会跟学生详细讲解拆装顺序和拆装注意事项，并提供拆装任务工单，让学生严格按要求拆装，但是在实际拆装过程中仍然会出现“偷工减料”现象，学生不按步骤操作，拆装步骤不符合规程，损坏工具或螺栓的现象时有发生。而汽油发动机上的零件数量都是成套配置的，如果在拆装的过程中造成零件的丢失或损坏，就会造成发动机不能正常使用，导致实训设备的浪费。所以让学生养成良好的拆装习惯尤为重要。

1.2 虚拟现实技术在课堂教学中应用的可行性

基于虚拟现实技术的模拟仿真教学具有独有的浸没感、交互性和想象性。虚拟现实技术早已成功应用于课堂教学，如卡罗莱纳州立大学建立了基于Web的探索式虚拟物理实验室；清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统，可以检测发动机的基本运行参数；西北工业大学开发了航空发动机虚拟教学实验系统；山东理工大学的车辆工程与交通虚拟仿真实验教学中心面向车辆工程、交通运输和热能与动力工程等专业的学生开设虚拟仿真实验项目。

汽油发动机由2个机构5个系统组成，如图1所示，发动机结构复杂，零件繁多，适合采用虚拟现实技术将发动机拆装过程可视化、立体化、体验化。

2 虚拟现实技术在发动机拆装中的应用

2.1 虚拟现实技术在发动机拆装实训教学中的应用

北京汽车技师学院以奔驰M274发动机为原型，制作了发动机拆装与检测虚拟现实教学中心（图2）。该软件按奔驰发动机的结构分为多个独立的学习模块，包括冷却系统、进排气系统、配气机构、增压系统、起动系统、曲柄连杆机构、润滑系统、燃油供给系统和点火系统等。

图2 发动机拆装与检测虚拟现实教学中心（截屏）

学生带上VR眼镜，手持VR手柄，点击奔驰M274发动机软件后进入发动机拆装虚拟环境。然后点击待学习的机构或系统，进入到相应的学习模块，观察相关设备的具体结构，并按照设定的操作规程分步进行拆装。我们以点火系统里的点火线圈的拆装为例，研究虚拟现实技术在发动机拆装中的应用。

用VR手柄点击点火系统，在弹出的面板中选择火花塞的拆卸，进入火花塞的拆卸场景。场景中随即出现一个提示板，给出拆卸火花塞的提示，同时场景中还有工具车、工具箱和工具，如图3所示。

学生手持VR手柄，靠近气缸盖，气缸盖上的4个火花塞其中一个会相应变成红色，将VR手柄靠近红色的火花塞并按下手柄，火花塞被取出。转动VR手柄，可以观察火花塞的各个面的结构。然后，按既定的正确顺序依次取出其他各缸的火花塞，并将取出的火花塞整齐地摆放在旁边的桌面上，如图4所示。

2.2 虚拟现实技术在发动机拆装学生竞赛中的应用

图3 虚拟场景中的工具箱和工具

图4 取出火花塞并将火花塞摆放在桌面上

目前，学院采用虚拟现实技术进行发动机拆装已经应用于在校学生竞赛中。竞赛分为两种形式，一是虚拟现实操作竞赛，即学生使用虚拟现实设备，虚拟现实中的一个模块或多个模块为比赛内容，教师根据学生完成比赛内容用时长短来评判，用时最短者获胜；二是通过虚拟现实拆装系统中发动机的某个模块与发动机实物某个模块的拆装相结合，比赛分为虚拟现实操作和实物拆装操作两部分，学生按要求进行操作并计时，教师根据学生完成任务质量和用时长短来进行评判，最终以两项成绩最优者获胜，如图5所示。通过竞赛，教师可以了解学生对发动机拆装技术的掌握程度和熟练度。

图5 学生参加发动机拆装竞赛

3 虚拟现实技术在发动机拆装中的应用价值

3.1 提高学生学习兴趣，解决教学中“观”与“摹”的问题

中高职院校或技工院校的学生处于青少年时期，喜欢虚拟现实技术带来的全新的体验感，能激发学生的好奇心和求知欲，提高学生学习兴趣。同时虚拟现实还解决了职业院校师生比例偏小、学生人数偏多带来的学生观看教师操作困难、模拟操作不方便等问题。教师在虚拟现实中操作演示时，学生可以通过电子屏同视角观看教师的操作，这样学生更容易理解学习内容，更容易领会拆装要领。教师操作演示完之后，会安排学生进行轮流操作（图6），每个学生的操作过程都会被班里其他同学同视角看到，在这个循环往复的过程中，每一位学生都操作了一遍观看了若干遍，学生在操作过程中出现的问题也会暴露在所有同学的视野中，其他同学可以帮助该学生解决问题。

3.2 提升学习效果，强化规范操作

虚拟现实中的环境是根据学校的实训场地并模拟企业的工作环境科学设计的，学生可以在虚拟操作的过程中熟悉以后的工作环境。虚拟环境中除了有实操环境中配备的设施设备和拆装工具，还配备了提示板，提示板会给出关键步骤的操作提示，初学者在提示板的帮助下可以获得很好的自学效果。学生在不同学习模块的练习过程中，可以发现自己的薄弱部分，有的放矢地进行针对性学习和训练，从而提高学习效果。

图6 学生在课堂上练习虚拟现实操作要领

在虚拟现实中拆装发动机时，很多关键环节的拆卸或安装顺序是系统预先设置的，例如，气缸盖上的紧固螺栓、进气和排气歧管上的紧固螺栓、点火系统等。学生必须按照正确的提示步骤进行拆卸，否则操作将无法继续进行，在这样的训练模式下会强化学生的规范拆装思维和肌肉记忆，使学生在潜移默化中掌握正确的操作流程，形成良好的操作习惯，提高知识留存率。

3.2 降低了实训设备损坏率

学生通过虚拟现实的实训后，掌握了正确的拆装方法和拆装注意事项，再进行发动机各个模块实体拆装时，会大大降低因没有掌握拆装要领而导致实训设备设施损坏的现象，从而可以有效降低发动机零部件的丢失和损坏率，提高实训设备的使用效率。

3.3 对技工类专业具有较大的推广价值

虚拟现实技术适用于机械类拆装实训的教学。不同型号发动机的基本结构类似，基于这一点，数字化资源可以在大多数技工类学校不同专业的课堂教学中适用。同时软件资源可复制，传播方便，还可以不断完善升级，是学校的一笔无形资产，对提升学校的信息化教学水平和技术竞争力大有裨益。另外，虚拟现实技术在发动机拆装中的应用使发动机实物拆装的频率降低，相对于购置造价高昂的发动机，可以在一定程度上降低教学成本。