虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝課程中的應(yīng)用

楊遠(yuǎn)滿 鄭華磊 孫凱燕

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特點(diǎn)，在職業(yè)教育領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)衍生出近乎真實(shí)操作的新型可視化仿真教學(xué)系統(tǒng)，授課內(nèi)容以大量翔實(shí)、生動、直觀的體驗(yàn)環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化了學(xué)生的操作技能，改變了傳統(tǒng)職業(yè)技術(shù)院校的課堂教學(xué)模式和實(shí)訓(xùn)模式，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)? 發(fā)動機(jī)拆裝? 仿真教學(xué)系統(tǒng)

課 題：本文系北京市技工教育和職業(yè)培訓(xùn)教科研課題（課題編號：BC18-003）研究成果。

在我國技工類院?；蛑懈呗氃盒＃l(fā)動機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)是汽車維修、汽車制造與裝配等相關(guān)專業(yè)的必修課。目前，我國汽車類院校用于發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)的多是汽油發(fā)動機(jī)，零件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將發(fā)動機(jī)拆裝過程構(gòu)建為一個虛擬拆裝系統(tǒng)。在產(chǎn)教融合的大背景下，北京汽車技師學(xué)院與北京奔馳有限公司合作辦學(xué)，設(shè)立了奔馳定向班。奔馳班的學(xué)生在校培養(yǎng)的過程中注重利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行奔馳發(fā)動機(jī)裝配的訓(xùn)練，以便更快適應(yīng)工作崗位。

一、虛擬發(fā)動機(jī)拆裝平臺建設(shè)背景

1.傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)訓(xùn)課堂中急需解決的問題

（1）拆裝設(shè)備數(shù)量少，難以滿足學(xué)生實(shí)操需求。在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，技工院?？刹僮餍缘脑O(shè)備一般數(shù)量較少，難以滿足每位學(xué)生的實(shí)操需求。以北京汽車技師學(xué)院為例，學(xué)校用于拆裝實(shí)訓(xùn)的發(fā)動機(jī)有SAAB發(fā)動機(jī)40余臺，奔馳生產(chǎn)線上奔馳發(fā)動機(jī)20余臺。相對于汽車系參加發(fā)動機(jī)實(shí)訓(xùn)的學(xué)生人數(shù)和培訓(xùn)部組織的參訓(xùn)社會人員的數(shù)量，發(fā)動機(jī)的數(shù)量不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。

（2）拆裝設(shè)備丟失損壞率高，實(shí)訓(xùn)成本較大。由于學(xué)生缺少足夠的實(shí)操技術(shù)，拆裝實(shí)訓(xùn)過程中發(fā)動機(jī)零件和拆裝工具丟失損壞率高。

（3）汽油發(fā)動機(jī)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(jī)的正常工作，不同零部件在拆卸和安裝的過程中還有特殊要求。例如，進(jìn)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(jìn)排氣歧管上的固定螺栓都需要分兩到三次按正確順序拆卸和安裝。在實(shí)訓(xùn)前，老師會向?qū)W生詳細(xì)講解拆裝順序和拆裝注意事項(xiàng)，并提供拆裝任務(wù)工單，讓學(xué)生嚴(yán)格按要求拆裝，但在實(shí)際拆裝過程中仍然會出現(xiàn)懶現(xiàn)象，學(xué)生不按程序操作。所以如何讓技工類院?；蛑懈呗氼愒盒５膶W(xué)生養(yǎng)成良好的拆裝習(xí)慣也尤為重要。

（4）拆裝過程缺少有效監(jiān)控，實(shí)訓(xùn)效果難以保障。部分學(xué)生為了完成老師的作業(yè)要求被動拆裝實(shí)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(jī)汽缸蓋時，存在拆卸時有的學(xué)生不拆汽缸墊，或者在裝配時汽缸墊漏裝的問題。

2.VR技術(shù)在汽油機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性

汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)包括兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)，分別為曲柄連桿結(jié)構(gòu)和配氣結(jié)構(gòu)，燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，每一結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)都有獨(dú)立的工作原理和不同的裝配調(diào)適方法，可以通過三維立體建模模擬操作，適合采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將發(fā)動機(jī)拆裝過程可視化、立體化、體驗(yàn)化。

二、VR技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝中的應(yīng)用

1.VR技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)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(jī)為原型，制作了發(fā)動機(jī)拆裝與檢測虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)中心，該軟件按奔馳發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)分為多個獨(dú)立的學(xué)習(xí)模塊，包括冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、增壓系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等虛擬模塊。

學(xué)生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點(diǎn)擊奔馳M274發(fā)動機(jī)軟件后進(jìn)入發(fā)動機(jī)拆裝虛擬環(huán)境。然后點(diǎn)擊待學(xué)習(xí)的機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)，進(jìn)入相應(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(jìn)行拆裝。我們以點(diǎn)火系統(tǒng)里的點(diǎn)火線圈的拆裝為例，研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝中的應(yīng)用。

用VR手柄點(diǎn)擊點(diǎn)火系統(tǒng)，在彈出的面板中選擇火花塞的拆卸，進(jìn)入火花塞的拆卸場景。場景中隨即出現(xiàn)一個提示板，提示拆卸火花塞，同時場景中還有工具車、工具箱和工具。

學(xué)生手持VR手柄，靠近汽缸蓋，汽缸蓋上的四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平面的結(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到旁邊的桌面上，提示板提示火花塞拆卸完成。

2.VR技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝學(xué)生競賽中的應(yīng)用

目前，北京汽車技師學(xué)院采用VR技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)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VR虛擬現(xiàn)實(shí)操作競賽，即學(xué)生使用VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)中的一個模塊或多個模塊為比賽內(nèi)容，老師根據(jù)學(xué)生完成比賽內(nèi)容用時長短來評判;二是通過虛擬現(xiàn)實(shí)拆裝系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)的某個模塊與發(fā)動機(jī)實(shí)物某個模塊的拆裝相結(jié)合，比賽分為VR虛擬現(xiàn)實(shí)操作和實(shí)物拆裝操作兩部分，學(xué)生按要求進(jìn)行操作并計時，老師根據(jù)學(xué)生完成任務(wù)的質(zhì)量和用時長短進(jìn)行評判，最終以兩項(xiàng)成績最優(yōu)者獲勝。

三、VR技術(shù)在發(fā)動機(jī)拆裝中的應(yīng)用價值

1.提升了學(xué)生學(xué)習(xí)效果，解決了教學(xué)“觀”與“摹”的問題

中高職院校或技工院校的學(xué)生喜歡VR技術(shù)帶來的全新體驗(yàn)感，能激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，提高學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

老師在虛擬現(xiàn)實(shí)中操作演示時，學(xué)生可以通過電子屏同視角觀看老師的操作，這樣學(xué)生更容易理解和領(lǐng)會拆裝要領(lǐng)。老師操作演示完之后，會安排某位學(xué)生操作，該學(xué)生的操作過程也會被班里其他學(xué)生同視角看到。班里的所有學(xué)生都會被安排操作一遍，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，旁觀了若干遍。

在VR環(huán)境下進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝，拆裝環(huán)境系統(tǒng)參照了學(xué)校的實(shí)訓(xùn)場地并模擬了企業(yè)的工作環(huán)境，學(xué)生可以在虛擬操作的過程中熟悉實(shí)操環(huán)境和將來的實(shí)際工作環(huán)境。虛擬環(huán)境中除了有實(shí)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，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(jìn)行針對性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而提高學(xué)習(xí)效果。

2.降低了實(shí)訓(xùn)設(shè)備損壞率

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中很多關(guān)鍵環(huán)節(jié)的拆卸或安裝順序都是系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的。例如，汽缸蓋上的緊固螺栓、進(jìn)排氣歧管上的緊固螺栓、點(diǎn)火系統(tǒng)等。學(xué)生必須按照正確的提示步驟拆卸，否則操作將無法繼續(xù)進(jìn)行，在這樣的訓(xùn)練模式下訓(xùn)練會強(qiáng)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規(guī)程，形成良好的操作習(xí)慣，提高知識留存率，再次進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝時，就會大大減少因沒有掌握拆裝要領(lǐng)而導(dǎo)致的實(shí)訓(xùn)設(shè)備設(shè)施損壞現(xiàn)象，從而可以有效降低發(fā)動機(jī)零部件的丟失和損壞率，提高實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用效率。

3.對技工類專業(yè)具有較大的推廣價值

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可廣泛適用于機(jī)械類拆裝實(shí)訓(xùn)的教學(xué)，不同型號的同類機(jī)械設(shè)備基本結(jié)構(gòu)類似，基于這一點(diǎn)，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，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(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備拆裝中的應(yīng)用使機(jī)械設(shè)備實(shí)物拆裝的頻率降低，相對于購置某些造價昂貴的機(jī)械設(shè)備，教學(xué)成本有一定程度降低，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與職業(yè)教育相結(jié)合具有一定的開創(chuàng)意義。

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（作者單位：北京汽車技師學(xué)院）