虚拟仿真技术在中职汽车专业实训教学中的应用与思考

王莹

摘 要：中职汽车专业实训教学面临着实训普及率低的痛点，不利学生技能的培养，建立虚拟仿真实训平台，引进基于3D/VR/AR技术的实训教学资源，开展虚拟仿真实训教学，利用仿真技术加强汽车专业技能实训教学，推动信息技术与教育教学深度融合，有利于提高实训普及率，有利于解决“三高三难”，推动汽车专业教学变革创新。我校是汽车专业群大力推进虚拟仿真实训基地建设，在VR技术应用方面积累了一些的经验，对虚拟仿真实训教学应用进行了一些思考，提出了改进的建议。

关键词：虚拟仿真 中职教育 汽车专业

中职汽车专业引入虚拟仿真实训资源，既是改革传统教学育人手段，推进人才培养模式创新的迫切需要，也是强化理论教学和实训教学相融合的教育教学活动，有效弥补职业教育实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等特殊困难的重要措施。汽车专业群是中职教育的大类专业，在专业技能实训方面引入虚拟仿真资源在将一定程度上改善汽车实训的普及率，通过虚拟仿真，把学生引入到生动、直观的教学环境中，提高了学生的积极性，有利于提高学生的技能水平。

1 汽车专业实训设备跟不上教育教学改革的需求

由于实训设备跟不上教学的需求，学生动手实训时间少，技能训练水平跟不上岗位需求。实训设备跟不上教学需求主要矛盾是汽车专业学生人数多，实训设备台套少。汽车专业在很多工科类院校里是大专业，学生人数众多，开设校汽车运用与维修专业的职业学校，该专业每年招生少则100人，多则上1000人。大部分院校的设备配套是跟不上的，包括实训设备的场地小开设的实训室有限、设备的种类少开设的实训项目不多、设备的数量数少不能分组操作。

这个客观存在的矛盾造成了学生在学习技能时人均训练时间不足，技能水平难以达到岗位要求，因此，要提高职业技能教育质量，必须要先想方设法解决这个矛盾。

同时，随着新能源汽车类课程的开设，高压安全防护成为教学中需要认真对待的现实问题，特别是初学者的作业安全防护、作业技能不规范、不熟悉，实训教学过程存在一定要安全隐患。

虚拟仿真技术的出现，在汽车实训教学上的使用，是技能教学和实操训练的有效弥补。科学、合理的使用，有可能成为解决实训教学中“高投入、高损耗、高风险、难实施、难观摩、难再现”三高三难  的问题，提高汽车专业实训教学的质量。

2 虚拟仿真技术的发展现状

我国虚拟仿真技术的起步较晚，但是发展较为迅速，早期的虚拟仿真技术主要用于军事和科研领域。2010前后部分企业研发了基于二维平面的汽车虚拟仿真实训平台，并投入实训教学应用当中，2016年虚拟现实（VR技术）正式推出，2016年被定义为VR技术发展的元年，VR技术的发展进入产业阶段，随后出现的增强现实（AR技术）、混合现实（MR技术）。VR技术、AR技术、MR技术都属于把虚拟世界直接凝实为人类感知的技术。

虚拟现实发展至今已有突破性的进展，且各行各业都开始投入运用VR技术。随着信息技术的发展，虚拟仿真技术在医学、艺术、教育及工业制造管理等多个相关领域得到了广泛应用。

目前，VR技术广泛应用于教育领域，新能源汽车VR技术更是重要的组成部分，VR设备相对成熟稳定，教学资源不断的丰富，在汽车构造认识、汽车发动机拆装、汽车维护作业、新能源汽车构造认知、新能源汽车拆装作业、新能源汽车“三电”系统认知与维护等实训教学内容上均达到了较好的使用效果，初步具备了实训教学的使用价值。

3 虚拟仿真技术在汽车专业教学中的应用

虚拟方向仿真技术在汽车专业教学的应用方面，主要应用于以下几个方面：

3.1 VR虚拟仿真体验教学

VR虚拟仿真体验教学主要以对汽车结构的观察、体验为主，解决了观察难、有危险等情况下的教学。主要针对设备原理、运动机构等方面的知识的探索和学习。例如新能源汽车高压电系统的教学，因为涉及到高压电，对于初学的学生来说，在车辆上进行拆装认知有一定的安全风险，因此可以通过VR虚拟仿真技术进行体验。

3.2 VR虚拟仿真教学课程

基于VR技术开发相关汽车专业课程，用于实训教学。新能源汽车专业目前的主要课程有《新能源汽车构造》、《新能源汽车电机拆装与检测》、《新能源汽车维护与保养》、《新能源汽车电池拆装与检测》、《新能源汽车底盘构造》、《新能源汽车控制系统检测》等的实训教学资源。使用VR技术可以让学生对虚拟现实中的设备进行操作。对于汽车零部件的装配类课程，如车辆部件拆装等，运用虚拟外部设备，在虚拟现实的装配环境中，通过人机交互，用操作手柄完成各种操作，实现对各类零部件的系列化操作，完成装配。在这种装配环境中，解决了学生在学习中造成零部件、工具意外破损的问题，同时操作的安全性有了保证。

学生通过自由探索学习汽车的内部构造，真实中的许多部件是不可进入的，其运动也是不可显视的，而用VR技术来虚拟这些部件的工作，其真实感十分好，效果非常逼真。

VR课程的实训教学，VR设备少的情况下可以采用分组教学进行，以小组自由探索、讨论、共同学习的方式完成老师指定的学习任务。VR设备足够的情况下，可以按人手一台设备开展实训，有效提高学生实训的普及率。

3.3 VR虚拟仿真实验台

主要针对需要反复训练、需要交互性、材料费用比较高的场景教学，可以提供更真实、更细节的临场体验，如新能源汽车模拟驾驶操作、高压电系统上、下电作业等。在这种形式下，VR资源一般不适合课堂内全体学生同時使用。

新能源汽车拆装作业、新能源汽车“三电”系统认知与维护等实训教学内容上均达到了较好的使用效果。

虚拟实验台实训项目的开发，严格按照操作规程进行。因为学生进实验台上进行实训的时候必须基于操作规程进行，有效的强化了学生的作业的规范性问题。实验台基于操作规程，开发操作考核系统，可以对学生的操作情况进行自动考核评价，在学生完成作业后生成考核成绩，并汇总到教师系统便于老师对学生学习情况的了解。

3.4 课程资源的建设和开发

建设课程资源开发中心，为学校后续开展的虚拟仿真项目提供设计、开发、调试等技术支持，服务专业教学课程体系更新，教学资源更新，教学模式更新。引入企业资源，进行校企合作，技术交流，提高学生专业技术水平和虚拟技术创新水平。

4 基于虚拟仿真实训教学的实训室（配置）建设应用

虚拟仿真应用场景的不同，虚拟仿真实训室的设备配置差异较大，高职学院侧重于资源的开发，中职学校则侧重于实训教学的应用，因此。中职学校汽车专业的虚拟仿真实训室配置倾向于将虚拟仿真软硬件资源打造成学生的实训工位，提高学生实训的普及率，解决实训中的“三高三难”问题。

基于这样的建设思路，硬件主要配置教师端设备+学生端设备，学生端设备根据人数的需求建设40台—50台，保障一个教学班级人手一台。硬件设备可以是图形工作站+VR头盔，也可是全息3D工作站。

软件及教学资源的配置是虚拟仿真实训室建设的关键，软件资源必须实现以下的功能：

1、实训教学资源实训项目要与实际教学项目对应；

2、实训教学资源作业步骤和相关参数必须符合汽车维修作业规范，从工具的选择、参数查阅设定到基本动作要领能达到参考车型的维修手册实现；

3、教师端安装有教学管理平台，通过平台，教师能实现实训教学的便捷管理，如实训任务的发布、学生端的作业进程、作业评价；

4、实训教学数据的汇总。学生在虚拟设备上的操作自动生成相关数据，便于教师立进行实训数据的处理，并借助数据处理软件进行剖析，有效应用于操作考评。

5 基于虚拟仿真技术的汽车专业实训课程体系与教学模式创新

汽车专业课程体系的建设路径如下：首先对本专业的岗位人才需求进行调研分析，在此基础上提炼形成专业核心能力，确定人才培养目标，进而构建有效的实训课程体系、创新实训教学模式，在课程开发的过程中，确定虚拟仿真实训平台，开展虚拟仿真实训室的建设，通过校企合作等方式开发虚拟仿真实训项目，编制实训教学资料，培培师资，形成虚拟仿真实训教学体系。通过教学分析评价、问卷调查研究等方式评估虚拟仿真实训教学的效果。

根据虚拟仿真技术的特点，基于人才培养目标，开发虚拟仿真实训课程，选定虚拟仿真教学平台，开展实训室建设，制作虚拟仿真实训教学资源，提高教师虚拟仿真教学能力，在“能实不虚”的原则下，构建“虚实结合、层次递进”的实训教学体系，创新实训教学模式。校内实训平台可以实现专项技能点实训、课程综合性实训、专业综合性实训以及校企合作实训。同时，充分利用省级及国家级虚拟仿真实训资源，开展创新、兴趣学习和实训，促进学生的个性发展需要。

实训教学分层次开展，依次为体验实训、认知实训、应用实训与探索实训，实训教学服务于汽车类专业课程体系，包含专业平台课程群（汽车发动机课程、汽车底盘课程）、专业方向课程群（新能源汽车三电课程、汽车车身修复课程、汽车故障诊断与维修课程）等。虚拟仿真实训教学按“先易后难、逐层推进”的方式进行，按照体验、认知、应用与探索的顺序展教学，使学生容易接受。

6 虚拟仿真实训教学的考核模式

虚拟仿真实训教学的考核方式要结合传统课堂的管理，引入智能化考評平台，优化考核模式，既能强化课堂的纪律管理，又能快速的了解记录学生的操作情况。

6.1 常规课堂管理

结合学校常规教学管理规定，加强对学生的出勤、6S、仪表仪容、课堂纪律、课堂表现等和管理，在日常行为的管理中渗透职业素养教育和思政教育，提高学生的综合素质，并记录为学生的平时表现成绩，按一定的权重综合到最终成绩。

6.2 虚拟实训教学的实施与考核

虚拟仿真实训是一种新的实训教学方式，可以引入信息化管理的手段，融入智能化管理，在教学过程监督、结果评价方面形成有效的管理体系，提高课堂的管理效率。打造有高效的课堂管理平台，实现实训作业数据的有效分类、汇总、引用，形成实训大数据平台，有效快捷的助力教师课堂数据的管理。教师基于教学管理平台开展汽车专业虚拟仿真实训活动，借助平台的智能化管理，对学生的实操效果进行自动评分，提高作业评价的规范性和课堂的管理效率。

7 虚拟仿真实训教学有待解决以下问题

7.1 师资匮乏，必须要培养出一批熟悉虚拟教学模式的老师

虚拟实训教学注重学生自主探究学习，和传统教学不同，虚拟仿真教学在某种意义上弱化了老师的作用，在教学过程中，老师的主导者变成了课堂的组织者、引导者。在课堂教学过程中，教师教学活动的积极主动性可能会缺少，出现对学生的学习过程监督管理不到位的情况，而且教学活动的开展由软件系统引导，教师缺少主动干预和与学习者的互动，造成教师的主导性弱化。虚拟仿真教学的教师需要调整教学方式，熟悉虚拟仿真教学项目的内容，准确把握教学管理节点，结合实训管理平台，适时开展理论教学、任务发布、过程监管、结果收集、效果评价等活动，开创虚拟仿真教学的新模式。因此，需要培养一批熟悉虚拟教学模式和评价模式的老师，加强材和VR实训教学项目应用的培训，开发配套的实训方案和引导工单，提高教学质量和效果。

7.2 虚拟仿真教学软件要求较高，作业流程规范性和兼容性涵待解决

目前，虚拟仿真教学软件待问题还比较多，如教学资源模型陈旧、操作步骤过于简单，仿真效果与实际场景偏差大等，其中作业流程不规范和各个开发厂商资源不能兼容两个问题尤其突出。

1.虚拟仿真实训项目在开发时必须参照相关技术规范标准，规范作业标准和流程。在汽车维修作业方面，汽车维修手册是重要的作业规范文件，在作业流程和作业标准方面都有明确的规定，是工艺正确和作业安全的重要保障，虚拟仿真实训教学项目必须严格参照维修手册进行开发，才能实现虚拟仿真操作与真实操作的一致性和正确性。

2.各个厂商在开发虚拟仿真实训资源时，须考虑资源的兼容性，确保各自优质资源互通使用。资源的兼容包括软件与硬件的兼容及资源在各管理平台的通用。

7.3 虚拟实训注重于操作步骤的推演，与实际操作存在一定的偏差，需要在真实环境的教学中纠偏

和传统教学比较，虚拟仿真教学活动虽然让学习者的主动性和自主性大幅提高，但是学习者的自主学习往往缺乏目的性，比较随意，同时由于用虚拟仿真代替了传统实训，也大大降低了学习者的动手实训能力，如果缺乏教师的管理和指导，可能就不能完全达到理论和实训教学目标。虚拟实训作为技能训练的辅助手段和补充，对于初学者来是很适用的实训学习方式，但随着专业技能学习的深入，虚拟仿真学习过程中的无质感和作业细节偏差的特点越显突出，必须在真实的实训设备上进行训练才能真正的提高。

8 结束语

传统实训教学方式比较枯燥乏味，汽车专业知识相对学生的基础来说相对较难，学生学习比较吃力。通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合破解了职业学校实验、实习、实训中的老大难问题， 解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题，使用虚拟仿真系统开展实训教学后，大大提升了学生的学习兴趣，特别是形象化的VR图像有利于学生的理解。

基金项目：教育部高等學校科学研究发展中心《虚拟仿真技术在职业教育教学中的创新应用》专项课题（课题编号ZJXF2022315）。

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