虚拟现实技术在发动机拆装课程中的应用

杨远满 郑华磊 孙凯燕

摘 要：虚拟现实技术具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特点，在职业教育领域具有广泛的应用。基于虚拟现实技术的发动机拆装实训衍生出近乎真实操作的新型可视化仿真教学系统，授课内容以大量翔实、生动、直观的体验环节为基础，强化了学生的操作技能，改变了传统职业技术院校的课堂教学模式和实训模式，提高了教学质量。

关键词：虚拟现实技术  发动机拆装  仿真教学系统

课 题：本文系北京市技工教育和职业培训教科研课题（课题编号：BC18-003）研究成果。

在我国技工类院校或中高职院校，发动机拆装实训是汽车维修、汽车制造与装配等相关专业的必修课。目前，我国汽车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。在产教融合的大背景下，北京汽车技师学院与北京奔驰有限公司合作办学，设立了奔驰定向班。奔驰班的学生在校培养的过程中注重利用虚拟现实技术进行奔驰发动机装配的训练，以便更快适应工作岗位。

一、虚拟发动机拆装平台建设背景

1.传统发动机拆装实训课堂中急需解决的问题

（1）拆装设备数量少，难以满足学生实操需求。在实训教学中，技工院校可操作性的设备一般数量较少，难以满足每位学生的实操需求。以北京汽车技师学院为例，学校用于拆装实训的发动机有SAAB发动机40余台，奔驰生产线上奔驰发动机20余台。相对于汽车系参加发动机实训的学生人数和培训部组织的参训社会人员的数量，发动机的数量不能满足现实需求。

（2）拆装设备丢失损坏率高，实训成本较大。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。

（3）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，不同零部件在拆卸和安装的过程中还有特殊要求。例如，进气歧管和排气歧管的安装需要满足平面度的要求，在拆卸和安装时进排气歧管上的固定螺栓都需要分两到三次按正确顺序拆卸和安装。在实训前，老师会向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，但在实际拆装过程中仍然会出现懒现象，学生不按程序操作。所以如何让技工类院校或中高职类院校的学生养成良好的拆装习惯也尤为重要。

（4）拆装过程缺少有效监控，实训效果难以保障。部分学生为了完成老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汽缸盖时，存在拆卸时有的学生不拆汽缸垫，或者在装配时汽缸垫漏装的问题。

2.VR技术在汽油机实训教学中应用的可行性

汽油机的结构包括两大机构和五大系统，分别为曲柄连杆结构和配气结构，燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和启动系统，整体结构复杂，零件繁多，每一结构和系统都有独立的工作原理和不同的装配调适方法，可以通过三维立体建模模拟操作，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。

二、VR技术在发动机拆装中的应用

1.VR技术在发动机拆装实训教學中的应用

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，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、启动系统、曲柄连杆机构、润滑系统、燃油供给系统和点火系统等虚拟模块。

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，提示拆卸火花塞，同时场景中还有工具车、工具箱和工具。

学生手持VR手柄，靠近汽缸盖，汽缸盖上的四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平面的结构。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到旁边的桌面上，提示板提示火花塞拆卸完成。

2.VR技术在发动机拆装学生竞赛中的应用

目前，北京汽车技师学院采用VR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VR虚拟现实操作竞赛，即学生使用VR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，老师根据学生完成比赛内容用时长短来评判;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VR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，老师根据学生完成任务的质量和用时长短进行评判，最终以两项成绩最优者获胜。

三、VR技术在发动机拆装中的应用价值

1.提升了学生学习效果，解决了教学“观”与“摹”的问题

中高职院校或技工院校的学生喜欢VR技术带来的全新体验感，能激发学生的好奇心和求知欲，提高学习的兴趣，增强学习效果。

老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老师的操作，这样学生更容易理解和领会拆装要领。老师操作演示完之后，会安排某位学生操作，该学生的操作过程也会被班里其他学生同视角看到。班里的所有学生都会被安排操作一遍，在这个循环往复的过程中，每一位学生都操作了一遍，旁观了若干遍。

在VR环境下进行发动机拆装，拆装环境系统参照了学校的实训场地并模拟了企业的工作环境，学生可以在虚拟操作的过程中熟悉实操环境和将来的实际工作环境。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，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。

2.降低了实训设备损坏率

在虚拟现实环境中很多关键环节的拆卸或安装顺序都是系统预先设置的。例如，汽缸盖上的紧固螺栓、进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拆卸，否则操作将无法继续进行，在这样的训练模式下训练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规程，形成良好的操作习惯，提高知识留存率，再次进行发动机拆装时，就会大大减少因没有掌握拆装要领而导致的实训设备设施损坏现象，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.对技工类专业具有较大的推广价值

虚拟现实技术可广泛适用于机械类拆装实训的教学，不同型号的同类机械设备基本结构类似，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，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，虚拟现实技术在机械设备拆装中的应用使机械设备实物拆装的频率降低，相对于购置某些造价昂贵的机械设备，教学成本有一定程度降低，将虚拟现实技术与职业教育相结合具有一定的开创意义。

参考文献：

[1]中共中央国务院.中国教育现代化2035[N].人民日报，2019-02-24.

[2]李传昌，屠建中，刘新田.虚拟实验在现代实践教学中的运用[J].现代职业教育，2015（3）.

（作者单位：北京汽车技师学院）