北京汽車技師學(xué)院 楊遠(yuǎn)滿

在產(chǎn)教融合的大背景下，我校與北京奔馳有限公司合作辦學(xué)，設(shè)立了奔馳定向班，在培養(yǎng)奔馳定向班學(xué)生的過程中注重奔馳發(fā)動機裝配的訓(xùn)練，以便更快適應(yīng)工作崗位。在我國技工類院?；蛑懈呗氼愒盒?，發(fā)動機拆裝實訓(xùn)是汽車維修專業(yè)或汽車制造與裝配等相關(guān)汽車類專業(yè)的必修課。目前，我國各類院校用于發(fā)動機拆裝實訓(xùn)的多是汽油發(fā)動機，零件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以將發(fā)動機拆裝過程構(gòu)建為一個虛擬拆裝系統(tǒng)。學(xué)生可以先通過該虛擬系統(tǒng)學(xué)習(xí)和練習(xí)拆裝過程，再拆裝發(fā)動機實物。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域，是對教學(xué)模式的一種改革，不僅可以提升教學(xué)質(zhì)量，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，降低事故隱患。

1 虛擬發(fā)動機拆裝平臺建設(shè)背景

1.1 發(fā)動機拆裝實訓(xùn)中存在的問題

（1）拆裝設(shè)備數(shù)量少，難以滿足學(xué)生實操需求。以北京汽車技師學(xué)院為例，學(xué)校用于拆裝實訓(xùn)的發(fā)動機只有40余臺SAAB發(fā)動機，奔馳生產(chǎn)線上奔馳發(fā)動機20余臺。相對于在汽車系參加發(fā)動機實訓(xùn)的學(xué)生人數(shù)和培訓(xùn)部組織的社會人員的數(shù)量，發(fā)動機的數(shù)量不能滿足需求。

（2）拆裝設(shè)備丟失、損壞率高。由于學(xué)生缺少足夠的實操技術(shù)，拆裝實訓(xùn)過程中發(fā)動機零件和拆裝工具丟失、損壞率高。據(jù)北京汽車技師學(xué)院2018年全年不完全統(tǒng)計，汽車系實訓(xùn)和培訓(xùn)期間，發(fā)動機螺栓丟失、損壞現(xiàn)象嚴(yán)重，氣缸墊和氣環(huán)也有丟失、損壞的情況。拆裝工具中的套筒和活塞環(huán)拆裝器也出現(xiàn)了丟失和損壞。

（3）拆裝過程缺少有效監(jiān)控，實訓(xùn)效果難以保障。部分學(xué)生為了完成教師的作業(yè)要求被動拆裝實訓(xùn)，存在應(yīng)付心理，積極性不高，拆裝任務(wù)有時難以有效完成。例如，分小組練習(xí)拆裝發(fā)動機氣缸蓋時，存在拆卸時有的學(xué)生不拆氣缸墊，或者在裝配時漏裝氣缸墊。

（4）汽油發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在裝配不符合要求的現(xiàn)象。為了保證汽油機的正常工作，零件在拆卸和安裝的過程中有特殊要求。例如，進氣歧管和排氣歧管的安裝需要滿足平面度的要求，在拆卸和安裝時，進氣和排氣歧管上的固定螺栓都需要分2次～3次按正確順序拆卸和安裝。在實訓(xùn)前，教師會跟學(xué)生詳細(xì)講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務(wù)工單，讓學(xué)生嚴(yán)格按要求拆裝，但是在實際拆裝過程中仍然會出現(xiàn)“偷工減料”現(xiàn)象，學(xué)生不按步驟操作，拆裝步驟不符合規(guī)程，損壞工具或螺栓的現(xiàn)象時有發(fā)生。而汽油發(fā)動機上的零件數(shù)量都是成套配置的，如果在拆裝的過程中造成零件的丟失或損壞，就會造成發(fā)動機不能正常使用，導(dǎo)致實訓(xùn)設(shè)備的浪費。所以讓學(xué)生養(yǎng)成良好的拆裝習(xí)慣尤為重要。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂教學(xué)中應(yīng)用的可行性

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬仿真教學(xué)具有獨有的浸沒感、交互性和想象性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)早已成功應(yīng)用于課堂教學(xué)，如卡羅萊納州立大學(xué)建立了基于Web的探索式虛擬物理實驗室；清華大學(xué)利用虛擬儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，可以檢測發(fā)動機的基本運行參數(shù)；西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了航空發(fā)動機虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)；山東理工大學(xué)的車輛工程與交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心面向車輛工程、交通運輸和熱能與動力工程等專業(yè)的學(xué)生開設(shè)虛擬仿真實驗項目。

汽油發(fā)動機由2個機構(gòu)5個系統(tǒng)組成，如圖1所示，發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，適合采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將發(fā)動機拆裝過程可視化、立體化、體驗化。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝中的應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

北京汽車技師學(xué)院以奔馳M274發(fā)動機為原型，制作了發(fā)動機拆裝與檢測虛擬現(xiàn)實教學(xué)中心（圖2）。該軟件按奔馳發(fā)動機的結(jié)構(gòu)分為多個獨立的學(xué)習(xí)模塊，包括冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、配氣機構(gòu)、增壓系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、曲柄連桿機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和點火系統(tǒng)等。

圖2 發(fā)動機拆裝與檢測虛擬現(xiàn)實教學(xué)中心（截屏）

學(xué)生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發(fā)動機軟件后進入發(fā)動機拆裝虛擬環(huán)境。然后點擊待學(xué)習(xí)的機構(gòu)或系統(tǒng)，進入到相應(yīng)的學(xué)習(xí)模塊，觀察相關(guān)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，并按照設(shè)定的操作規(guī)程分步進行拆裝。我們以點火系統(tǒng)里的點火線圈的拆裝為例，研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝中的應(yīng)用。

用VR手柄點擊點火系統(tǒng)，在彈出的面板中選擇火花塞的拆卸，進入火花塞的拆卸場景。場景中隨即出現(xiàn)一個提示板，給出拆卸火花塞的提示，同時場景中還有工具車、工具箱和工具，如圖3所示。

學(xué)生手持VR手柄，靠近氣缸蓋，氣缸蓋上的4個火花塞其中一個會相應(yīng)變成紅色，將VR手柄靠近紅色的火花塞并按下手柄，火花塞被取出。轉(zhuǎn)動VR手柄，可以觀察火花塞的各個面的結(jié)構(gòu)。然后，按既定的正確順序依次取出其他各缸的火花塞，并將取出的火花塞整齊地擺放在旁邊的桌面上，如圖4所示。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝學(xué)生競賽中的應(yīng)用

圖3 虛擬場景中的工具箱和工具

圖4 取出火花塞并將火花塞擺放在桌面上

目前，學(xué)院采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行發(fā)動機拆裝已經(jīng)應(yīng)用于在校學(xué)生競賽中。競賽分為兩種形式，一是虛擬現(xiàn)實操作競賽，即學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備，虛擬現(xiàn)實中的一個模塊或多個模塊為比賽內(nèi)容，教師根據(jù)學(xué)生完成比賽內(nèi)容用時長短來評判，用時最短者獲勝；二是通過虛擬現(xiàn)實拆裝系統(tǒng)中發(fā)動機的某個模塊與發(fā)動機實物某個模塊的拆裝相結(jié)合，比賽分為虛擬現(xiàn)實操作和實物拆裝操作兩部分，學(xué)生按要求進行操作并計時，教師根據(jù)學(xué)生完成任務(wù)質(zhì)量和用時長短來進行評判，最終以兩項成績最優(yōu)者獲勝，如圖5所示。通過競賽，教師可以了解學(xué)生對發(fā)動機拆裝技術(shù)的掌握程度和熟練度。

圖5 學(xué)生參加發(fā)動機拆裝競賽

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝中的應(yīng)用價值

3.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，解決教學(xué)中“觀”與“摹”的問題

中高職院校或技工院校的學(xué)生處于青少年時期，喜歡虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶來的全新的體驗感，能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時虛擬現(xiàn)實還解決了職業(yè)院校師生比例偏小、學(xué)生人數(shù)偏多帶來的學(xué)生觀看教師操作困難、模擬操作不方便等問題。教師在虛擬現(xiàn)實中操作演示時，學(xué)生可以通過電子屏同視角觀看教師的操作，這樣學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，更容易領(lǐng)會拆裝要領(lǐng)。教師操作演示完之后，會安排學(xué)生進行輪流操作（圖6），每個學(xué)生的操作過程都會被班里其他同學(xué)同視角看到，在這個循環(huán)往復(fù)的過程中，每一位學(xué)生都操作了一遍觀看了若干遍，學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的問題也會暴露在所有同學(xué)的視野中，其他同學(xué)可以幫助該學(xué)生解決問題。

3.2 提升學(xué)習(xí)效果，強化規(guī)范操作

虛擬現(xiàn)實中的環(huán)境是根據(jù)學(xué)校的實訓(xùn)場地并模擬企業(yè)的工作環(huán)境科學(xué)設(shè)計的，學(xué)生可以在虛擬操作的過程中熟悉以后的工作環(huán)境。虛擬環(huán)境中除了有實操環(huán)境中配備的設(shè)施設(shè)備和拆裝工具，還配備了提示板，提示板會給出關(guān)鍵步驟的操作提示，初學(xué)者在提示板的幫助下可以獲得很好的自學(xué)效果。學(xué)生在不同學(xué)習(xí)模塊的練習(xí)過程中，可以發(fā)現(xiàn)自己的薄弱部分，有的放矢地進行針對性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而提高學(xué)習(xí)效果。

圖6 學(xué)生在課堂上練習(xí)虛擬現(xiàn)實操作要領(lǐng)

在虛擬現(xiàn)實中拆裝發(fā)動機時，很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)的拆卸或安裝順序是系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的，例如，氣缸蓋上的緊固螺栓、進氣和排氣歧管上的緊固螺栓、點火系統(tǒng)等。學(xué)生必須按照正確的提示步驟進行拆卸，否則操作將無法繼續(xù)進行，在這樣的訓(xùn)練模式下會強化學(xué)生的規(guī)范拆裝思維和肌肉記憶，使學(xué)生在潛移默化中掌握正確的操作流程，形成良好的操作習(xí)慣，提高知識留存率。

3.2 降低了實訓(xùn)設(shè)備損壞率

學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)后，掌握了正確的拆裝方法和拆裝注意事項，再進行發(fā)動機各個模塊實體拆裝時，會大大降低因沒有掌握拆裝要領(lǐng)而導(dǎo)致實訓(xùn)設(shè)備設(shè)施損壞的現(xiàn)象，從而可以有效降低發(fā)動機零部件的丟失和損壞率，提高實訓(xùn)設(shè)備的使用效率。

3.3 對技工類專業(yè)具有較大的推廣價值

虛擬現(xiàn)實技術(shù)適用于機械類拆裝實訓(xùn)的教學(xué)。不同型號發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)類似，基于這一點，數(shù)字化資源可以在大多數(shù)技工類學(xué)校不同專業(yè)的課堂教學(xué)中適用。同時軟件資源可復(fù)制，傳播方便，還可以不斷完善升級，是學(xué)校的一筆無形資產(chǎn)，對提升學(xué)校的信息化教學(xué)水平和技術(shù)競爭力大有裨益。另外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在發(fā)動機拆裝中的應(yīng)用使發(fā)動機實物拆裝的頻率降低，相對于購置造價高昂的發(fā)動機，可以在一定程度上降低教學(xué)成本。