基于三維虛擬仿真技術(shù)的汽車維修教學(xué)實(shí)踐研究

摘? 要：VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在被引入到教育領(lǐng)域之后也助力了教育領(lǐng)域的快速發(fā)展，建立了桌面式三維虛擬空間，如此對于學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識內(nèi)容是非常有益的，它能夠在一定程度上改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，確保汽車維修教學(xué)實(shí)踐有效到位。為此，文章著重探討了汽車維修教學(xué)課程實(shí)踐中所采用的三維虛擬仿真技術(shù)，希望學(xué)生能夠在三維虛擬仿真技術(shù)的輔助下開展相應(yīng)教學(xué)過程，保證專業(yè)教學(xué)實(shí)踐體現(xiàn)其一定的教育價(jià)值性，并進(jìn)行教學(xué)反思。

關(guān)鍵詞：三維虛擬仿真技術(shù);汽車維修教學(xué)實(shí)踐;教學(xué)方法

中圖分類號：TP391.4;G434? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0193-04

Research on Automobile Maintenance Teaching Practice Based on 3D Virtual Simulation Technology

XIAN Aman

（School of Automobile， Xianyang Vocational Technical College， Xianyang? 712000， China）

Abstract： After being introduced into the field of education， VR virtual reality technology also contributes to the rapid development of the field of education， establishes a desktop 3D virtual space， which is very beneficial for students to learn professional knowledge. It can change the traditional teaching mode to a certain extent and ensure that the teaching practice of automobile maintenance is effective and in place. Therefore， this paper focuses on the 3D virtual simulation technology used in the practice of automobile maintenance teaching course， hoping that students can carry out the corresponding teaching process with the help of 3D virtual simulation technology， ensure that professional teaching practice reflects its a certain educational value， and carry out teaching reflection.

Keywords： 3D virtual simulation technology; teaching practice of automobile maintenance; teaching method

0? 引? 言

在汽車專業(yè)中需要分析其教學(xué)設(shè)計(jì)與教育管理目標(biāo)，充分先進(jìn)技術(shù)內(nèi)容功能全面展開教學(xué)過程，搭建虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。例如在汽車底盤齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)教學(xué)中，教師就充分運(yùn)用到了VC++6.0以及3Dmax 2010開發(fā)平臺，建立了人機(jī)交互平臺，形成了一套完整的汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。在平臺開發(fā)過程中，主要利用到了CAN總線配合RS485通訊機(jī)制，直接植入人工控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，保證采集環(huán)節(jié)設(shè)備狀態(tài)信息有效優(yōu)化，同時收發(fā)指令內(nèi)容。在這一過程中也必須合理運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，保證圖形化人機(jī)交互技術(shù)實(shí)施到位，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。

1? 三維虛擬仿真技術(shù)的基本概述

三維虛擬仿真技術(shù)源自VR技術(shù)系統(tǒng)，它所建立的是方便、靈活的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在使用計(jì)算機(jī)屏幕標(biāo)作為使用者查看窗口的同時，也充分運(yùn)用了大量交互技術(shù)內(nèi)容，建立了高度逼真的3D交互虛擬情境，實(shí)現(xiàn)了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的有效交互。整體看來，目前廣泛應(yīng)用于教育平臺領(lǐng)域的桌面式三維虛擬仿真技術(shù)在成本實(shí)現(xiàn)上相對較低，應(yīng)用更為方便靈活，可以借助立體投影儀增大顯示屏幕，進(jìn)而形成一種沉浸感體驗(yàn)，滿足多人觀看學(xué)習(xí)要求[1]。就內(nèi)容的呈現(xiàn)與場景的構(gòu)建上也實(shí)現(xiàn)了有效突破，構(gòu)建了最為逼真的三維教學(xué)環(huán)境。簡言之，就是在相對復(fù)雜的日常教學(xué)環(huán)境下展開教學(xué)活動過程。在這里，三維虛擬仿真技術(shù)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與好奇心，學(xué)習(xí)主動性也有所增強(qiáng)[2]。

就目前所開展的汽車維修管理教學(xué)內(nèi)容存在一定缺陷，它未能有效運(yùn)用到三維虛擬仿真技術(shù)內(nèi)容，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)操相互結(jié)合，這在極大程度上影響到了學(xué)生的歇息成果，也導(dǎo)致教師在教學(xué)過程中面臨困境，避免了學(xué)生在某些學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)上的重復(fù)操作，教學(xué)應(yīng)用價(jià)值上可見一斑[3]。

2? 三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)實(shí)踐中的具體應(yīng)用內(nèi)容與設(shè)計(jì)思路

在汽車維修教學(xué)實(shí)踐中，三維虛擬仿真技術(shù)被深入融入基礎(chǔ)教學(xué)中，例如在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)汽車底盤典型故障與疑難故障中建立了重要的技術(shù)指導(dǎo)基礎(chǔ)，同時也對汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了探索，配合故障案例引發(fā)學(xué)生思考共鳴。這一過程中學(xué)生會擁有身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，分析與解決問題的能力也會有所提升。在本文看來，利用三維虛擬仿真技術(shù)恰當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生探究汽車維修教學(xué)實(shí)踐中相關(guān)問題，例如識別零部件名稱、掌握齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的拆裝過程等等，這對于指導(dǎo)學(xué)生從不同角度思考問題是很有幫助的。在教學(xué)中，教師也借助桌面式三維虛擬仿真技術(shù)指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、游戲激趣、情境遷移、全面鞏固提高學(xué)生運(yùn)用三維虛擬仿真技術(shù)解決問題的能力[4]。在三維虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中，教師要明確多元思路開發(fā)，保證通過自主實(shí)踐與討論來共同指導(dǎo)學(xué)生展開技術(shù)背景下的汽車維修教學(xué)時間過程，提高教學(xué)質(zhì)量。在三維虛擬仿真技術(shù)教學(xué)中教師也要通過真實(shí)案例引發(fā)學(xué)生思考，相應(yīng)補(bǔ)充教學(xué)主題內(nèi)容，為學(xué)生帶來優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

在教學(xué)活動中，其設(shè)計(jì)思路主要圍繞學(xué)生身心發(fā)展出發(fā)思考問題，教師會利用三維虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生建立學(xué)習(xí)情境，結(jié)合一系列虛擬教學(xué)系統(tǒng)工具來設(shè)置展開教學(xué)任務(wù)，靈活運(yùn)用教學(xué)資源，展開教學(xué)有效組合過程。這一過程中，學(xué)生逐漸從靜態(tài)學(xué)習(xí)體驗(yàn)逐漸轉(zhuǎn)為動態(tài)，這主要就是因?yàn)榻⒘私换ナ?、桌面式汽車維修三維虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)模型，其中所構(gòu)建的基本素材庫蘊(yùn)含了大量的文本、音頻與視頻動畫供學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用，完善實(shí)訓(xùn)課程體系內(nèi)容。在采用上機(jī)操作過程中創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境，配合先實(shí)踐、后理論的教學(xué)過程展開教學(xué)，如此對于提高課堂教學(xué)效率是頗有幫助的[5]。

3? 三維虛擬仿真技術(shù)在汽車維修教學(xué)實(shí)踐中的具體設(shè)計(jì)流程

就以《汽車底盤構(gòu)造與維修》課程為例，教師會首先為學(xué)生講解齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的基本結(jié)構(gòu)特征，它的結(jié)構(gòu)特征相對簡單，傳動效率較高，操作輕便，重量較輕，不需要轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿。在教學(xué)中，要有效解決逆?zhèn)鲃有瘦^高以及轉(zhuǎn)向器可變速比等等問題，就目前汽車產(chǎn)業(yè)中如本田、五菱等汽車品牌都采用到了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。為了讓學(xué)生深入了解該課知識內(nèi)容，教師專門為學(xué)生打開了三維虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)，運(yùn)用總成圖講解知識，與學(xué)生展開互動，通過系統(tǒng)中案例提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的交流、表達(dá)能力。例如在左右拉桿內(nèi)球頭教學(xué)中。而在這一過程中，學(xué)生要自主利用拉桿內(nèi)球頭實(shí)現(xiàn)螺紋與齒條連接過程中合理運(yùn)用到三維虛擬仿真模型，一邊移動一邊分析其模型結(jié)構(gòu)的主要組成部分，學(xué)生在操作過程中也會深度觀察模型最后操作虛擬模型，深入學(xué)習(xí)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)知識的有效運(yùn)用過程。在整個教學(xué)過程中，教師要先后進(jìn)行資源制作與資源庫建設(shè)，集中統(tǒng)一管理汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)功能模塊，確保學(xué)習(xí)過程更加生動有趣[6]。

3.1? 收集教學(xué)資料

結(jié)合汽車維修教學(xué)中的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)過程。具體來講，在系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)過程中采用了基于對話框的先進(jìn)技術(shù)，配合鼠標(biāo)操作方便用戶快速執(zhí)行軟件任務(wù)。在這里就運(yùn)用到了VC++6.0作為開發(fā)語言，配合CATIA以及3Dmax作為虛擬三維建模工具，同時利用Vega作為動態(tài)仿真渲染工具，確保仿真實(shí)踐教學(xué)功能有效優(yōu)化，體現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)一定的移植性以及可擴(kuò)展性，汽車三維虛擬仿真3Dmax軟件建模如圖2所示。就系統(tǒng)操作過程而言，它其中通過汽車三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)來為學(xué)生播放動畫、視頻內(nèi)容，確保仿真技術(shù)應(yīng)用到位，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)興趣，同時建立仿真與實(shí)際操作教學(xué)機(jī)制，避免學(xué)生過分依賴仿真系統(tǒng)。而在VC++開發(fā)平臺下，汽車仿真教學(xué)系統(tǒng)包含多種功能模塊，保證系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)過程順暢化。在這一過程中也要建立Vega系統(tǒng)理論課程內(nèi)容，確保實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)實(shí)施到位，建立多個教學(xué)模塊，從多個方面加強(qiáng)學(xué)生對于學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)興趣，同時為學(xué)生在三維虛擬仿真技術(shù)系統(tǒng)中建立教學(xué)方案。這里主要運(yùn)用到了3D max三維造型軟件、汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)等等，全面構(gòu)建高逼真三維模型，結(jié)合平面圖形軟件如Photoshop CS制作模型貼圖材質(zhì)。大體來講就是根據(jù)專業(yè)教學(xué)實(shí)際需要形成教學(xué)建模內(nèi)容，將實(shí)物內(nèi)容拆解下來，測量尺寸并記錄數(shù)據(jù)，豐富三維虛擬模型資源庫，汽車三維虛擬仿真資源庫如圖3所示。

3.2? 創(chuàng)建三維虛擬仿真3D模型

在講解汽車底盤齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器過程中，教師專門采用到3Dmax軟件進(jìn)行建模，制作三維虛擬仿真模型。在系統(tǒng)虛擬模型構(gòu)建過程中主要結(jié)合汽車齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器零部件實(shí)物制作模型，模型內(nèi)容就包括了齒輪、齒條、內(nèi)外球頭、控制閥等諸多內(nèi)容。考慮到模型內(nèi)容相對復(fù)雜，所以在采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)幾何體建模之外，也嘗試采用到了三維多邊形建模技術(shù)方法，比如說在制作螺絲孔過程中就專門運(yùn)用到布爾運(yùn)算方法，先進(jìn)行樣條曲線繪制，然后實(shí)施放樣操作[7]。

在分析汽車底盤齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器材質(zhì)過程中，教師運(yùn)用三維虛擬仿真模型附加材質(zhì)確保模型顯示正常不變形，確保模型精細(xì)化，給人一種真實(shí)感，如此能達(dá)到一種以假亂真的教學(xué)效果，更好吸引學(xué)生參與其中。而在貼圖方面，則采用三維虛擬仿真模型建立貼圖紋理素材分析機(jī)制，確保讓客觀反映物體模型建設(shè)機(jī)制，保證物體模型材質(zhì)更為精細(xì)真實(shí)，體現(xiàn)其質(zhì)感優(yōu)勢，建立良好的三維虛擬仿真模型，然后導(dǎo)出.3DS文件格式，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的教學(xué)交互功能夯實(shí)基礎(chǔ)。

最后，教師要利用汽車維修虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)與學(xué)生形成3D模型交互，其中主要對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行多方位呈現(xiàn)，實(shí)施360°旋轉(zhuǎn)、垂直平移操作，并利用模型調(diào)試、發(fā)布輸出系統(tǒng)內(nèi)容，最后直接導(dǎo)出*EXE文件，為學(xué)生形成三維虛擬仿真模型平臺輸出效果圖[8]，如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

在利用三維虛擬仿真技術(shù)開展汽車維修教學(xué)實(shí)踐過程中，教師充分運(yùn)用到了技術(shù)系統(tǒng)移動端實(shí)施教學(xué)，為學(xué)生虛擬展示了諸如汽車底盤齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器失誤內(nèi)容，形成了豐富的多媒體視頻教學(xué)資源。就虛擬混合學(xué)習(xí)模式過程中，教師還結(jié)合虛擬仿真系統(tǒng)建立了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，這對于汽車維修專業(yè)學(xué)生學(xué)好專業(yè)知識內(nèi)容是頗有幫助的，它也說明了虛擬仿真系統(tǒng)在專業(yè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中發(fā)揮了不可替代的重要價(jià)值作用。就目前職業(yè)教育更加強(qiáng)調(diào)一體化教學(xué)的大環(huán)境下，虛擬仿真教學(xué)確實(shí)做到了對于教學(xué)方式方法與教學(xué)內(nèi)容的成熟性融合，實(shí)現(xiàn)了更多教學(xué)層面的思考與探索過程。

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作者簡介：仙阿曼（1989.03—）女，漢族，陜西咸陽人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化，汽車檢測與維修技術(shù)。