基于VR技術(shù)的汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王迎輝 盧振生 王九龍 張 巖

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

從汽車服務(wù)工程專業(yè)的強(qiáng)應(yīng)用角度出發(fā)，以具有理論應(yīng)用能力、實(shí)踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，適應(yīng)汽車服務(wù)發(fā)展需要，能夠在汽車運(yùn)用保障服務(wù)、汽車金融保險(xiǎn)服務(wù)、汽車專業(yè)技術(shù)服務(wù)等領(lǐng)域中致力于技術(shù)或管理工作方面的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)在專業(yè)教學(xué)中的實(shí)際地位，傳統(tǒng)教學(xué)方式難以滿足學(xué)生探究性、綜合性和設(shè)計(jì)性以及線上線下的學(xué)習(xí)要求，因此深入探究與分析虛擬現(xiàn)實(shí)（VR,VirtualReality）技術(shù)在汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略顯得非常重要。

一、VR技術(shù)在汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)分析

虛擬現(xiàn)實(shí)，也可稱作虛擬仿真，隨著VR技術(shù)的迅速發(fā)展，在教育部對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的支持下，我校不斷鼓勵(lì)各專業(yè)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，VR技術(shù)是采用三維幾何模型、音頻播放及其它專業(yè)的外圍設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)生成三維空間上的交互式動(dòng)態(tài)視景[1]，其在1989年被美國(guó)VPL公司正式提出，并于1992年正式成立第一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)室[2]。如今，我國(guó)已有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)與高等院校對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行深入研究和運(yùn)用，北京航天航空大學(xué)對(duì)分布式飛行模擬仿真方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)側(cè)重于人機(jī)交互上的成果，安徽大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校都對(duì)VR技術(shù)方面進(jìn)行了相關(guān)的科學(xué)研究，其主要研究均集中于公共課虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法，在汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)設(shè)計(jì)理論研究方面關(guān)注較少[3]。

二、基于VR技術(shù)的汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)策略

依據(jù)傳統(tǒng)的建構(gòu)主義原理可知，學(xué)生收獲文化知識(shí)不是依靠教師的傳授，而是學(xué)生在一系列復(fù)雜的社會(huì)及文化背景下，即通過(guò)教師與同伴的協(xié)助，借助有效的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)意義建構(gòu)的方法獲得相應(yīng)的知識(shí)與能力。而VR技術(shù)的特性有利于實(shí)現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的四要素，即“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”，其中情境對(duì)于汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)非常重要，汽車由上數(shù)以萬(wàn)計(jì)的零部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不同系統(tǒng)工作原理各不相同，且在工作上存在較為復(fù)雜的連帶關(guān)系[4]，為此如何運(yùn)用VR技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的教學(xué)情境顯得尤為重要。

為實(shí)現(xiàn)情境的真實(shí)性，在情境設(shè)計(jì)中需規(guī)范情境所包含的知識(shí)，體現(xiàn)出知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用，VR技術(shù)由于其具有真實(shí)的存在感和良好的交互特性，再結(jié)合三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)，學(xué)生既可以在虛擬學(xué)習(xí)情境中進(jìn)行探究、訓(xùn)練和體驗(yàn)，還可以通過(guò)與機(jī)器的互動(dòng)加深對(duì)知識(shí)的應(yīng)用理解[5]。認(rèn)知心理學(xué)將知識(shí)分為陳述性和程序性兩類，對(duì)汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)課程而言，其大量?jī)?nèi)容為陳述性知識(shí)，對(duì)于VR中視覺(jué)表征擬真程度要求較高，因此在現(xiàn)實(shí)的教學(xué)中應(yīng)遵循科學(xué)規(guī)律因素，即應(yīng)該合理運(yùn)用物理引擎，真實(shí)清楚地模擬現(xiàn)實(shí)中的客觀規(guī)律，從而準(zhǔn)確地把知識(shí)在真實(shí)中運(yùn)用的方式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者[5]?；谝陨蠈?duì)VR技術(shù)與教學(xué)方法的研究，本文所設(shè)計(jì)的教學(xué)策略如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)策略設(shè)計(jì)

三、VR技術(shù)在汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)

為滿足學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)要求，結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的教學(xué)策略，汽車構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包括汽車虛擬零部件拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、汽車虛擬總成拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與整車仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中整車仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)讓學(xué)生了解整部汽車主要組成部分和各個(gè)系統(tǒng)的整體構(gòu)造與功能；汽車虛擬零部件拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)和汽車虛擬總成拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用型高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，綏化學(xué)院汽車服務(wù)工程專業(yè)所搭建的虛擬拆裝軟件可以模擬不同車型的拆裝實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，并配有與4S店工作車間完全吻合的實(shí)訓(xùn)中心，對(duì)車間實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景圖像可進(jìn)行 360 度旋轉(zhuǎn)，如圖2所示為虛擬實(shí)訓(xùn)中心場(chǎng)景，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)拖曳或觸屏點(diǎn)擊操作與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互；學(xué)生還可以選擇對(duì)總成的零部件進(jìn)行拆解，同時(shí)選擇不同的拆裝工具，按照維修裝配手冊(cè)中的規(guī)范步驟對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)地拆裝操作，在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中會(huì)相應(yīng)的顯示操作失誤的緣由，在最終的實(shí)訓(xùn)考核系統(tǒng)中完成專業(yè)化與合理化的打分。

圖2 虛擬實(shí)訓(xùn)中心場(chǎng)景

基于對(duì)汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方案與策略設(shè)計(jì)，本文開(kāi)發(fā)了“汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)”三維虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)資源，主要經(jīng)過(guò)以下流程如圖3所示。

圖3 三維虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)資源開(kāi)發(fā)流程

將SolidWorks三維繪圖軟件生成的幾何零件模型導(dǎo)入3DMAX軟件后，其網(wǎng)格模式為NURBS形式，當(dāng)存在部分的曲面出現(xiàn)法線方向反轉(zhuǎn)時(shí)，可手動(dòng)調(diào)整曲面的反轉(zhuǎn)方向，使所有曲面的法線保持向外。在SolidWorks三維繪圖軟件中，使用材質(zhì)編輯器對(duì)模型的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)金屬零件的質(zhì)感，同時(shí)SolidWorks三維繪圖軟件可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)演示，最終將三維動(dòng)畫(huà)模擬仿真軟件導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)引擎中，并定義模型對(duì)象的邏輯信息和用戶的交互舉措，其中捷達(dá)轎車的人機(jī)交互如圖4～6所示。

圖4 捷達(dá)轎車零部件與總成概覽的人機(jī)交互

圖5 捷達(dá)轎車拆裝演示的人機(jī)交互

圖6 捷達(dá)轎車拆裝考核的人機(jī)交互

通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生們可以更好地發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，能夠更好地符合教學(xué)中的學(xué)生主觀特性的需求，從而實(shí)現(xiàn)校內(nèi)課程實(shí)訓(xùn)與人才需求企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)之間的統(tǒng)一?；赩R技術(shù)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境，可以不斷更新教學(xué)內(nèi)容以滿足各類教學(xué)需求。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)也更為安全，在避免學(xué)生們危險(xiǎn)操作的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而大幅地提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能。

四、結(jié)論

學(xué)生是課堂教學(xué)的核心，在教學(xué)中一方面要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，另一方面不斷更新和改進(jìn)教學(xué)方法，VR技術(shù)在應(yīng)用型本科院校的汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，可迅速激發(fā)學(xué)生對(duì)本門(mén)課的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)在一定限度內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，最終達(dá)到提升汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)，在VR技術(shù)的協(xié)助下，學(xué)生可在豐富的線上資源里將理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生線下的實(shí)踐操作與動(dòng)手能力。依據(jù)十九屆四中全會(huì)對(duì)教育的指示精神，VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用可滿足學(xué)生的終身學(xué)習(xí)需求，使學(xué)生能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中理解個(gè)人、團(tuán)隊(duì)和負(fù)責(zé)人的角色內(nèi)涵，并且可承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員和負(fù)責(zé)人等角色的相關(guān)工作；具有較為開(kāi)闊的國(guó)際視野和跨文化交際的能力；因此，本文所研究的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車構(gòu)造實(shí)驗(yàn)課程中的廣泛應(yīng)用，不僅可以在一定程度上提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，而且該技術(shù)值得在汽車服務(wù)工程專業(yè)其它實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。