汽車發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)*

◆梁甜 石連栓 申榮衛(wèi)

汽車發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)*

◆梁甜 石連栓 申榮衛(wèi)

針對虛擬仿真教學(xué)平臺在汽修理實一體化實際教學(xué)應(yīng)用中存在的與實際教學(xué)、實訓(xùn)室設(shè)備型號不匹配的問題，基于項目化教學(xué)理念和崗位工作過程，運(yùn)用Unity3D引擎構(gòu)建與理實一體化教學(xué)、實訓(xùn)、設(shè)備型號匹配的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，旨在彌補(bǔ)實際教學(xué)中軟硬件資源的不足，更好地發(fā)揮理實一體化教學(xué)模式的優(yōu)勢，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。以大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)為例，詳細(xì)闡述基于工作過程的汽車發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建過程。

虛擬仿真教學(xué)；理實一體化；Unity3D引擎

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.036

1 前言

職業(yè)教育主要是為企業(yè)培養(yǎng)技能型人才，培養(yǎng)學(xué)生在實際工作中解決問題的能力［1］。我國職業(yè)院校汽修專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)模式是理論教學(xué)在教室內(nèi)進(jìn)行，實訓(xùn)教學(xué)在實訓(xùn)室內(nèi)進(jìn)行，課程實訓(xùn)集中在理論教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行。這就使學(xué)生學(xué)習(xí)困難，不能即學(xué)即練，將理論應(yīng)用于實踐，影響技能型人才的培養(yǎng)。“基于工作過程的理實一體化”教學(xué)模式，突破以往理論與實訓(xùn)、教學(xué)與工作相脫節(jié)的現(xiàn)象，在教學(xué)環(huán)節(jié)將理論和實踐交替進(jìn)行，重視學(xué)生動手能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣［2］。

由于汽車品牌型號多樣、實訓(xùn)設(shè)備昂貴，在汽修專業(yè)理實一體化教學(xué)實施中，存在學(xué)生多、設(shè)備少、教學(xué)資源不足、教學(xué)過程不規(guī)范的問題，使學(xué)生很難掌握器械內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實際檢修過程。伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)已經(jīng)逐步進(jìn)入課堂教學(xué)領(lǐng)域［3］。通過計算機(jī)虛擬仿真再現(xiàn)實際工作情境，輔助理實一體化教學(xué)，將彌補(bǔ)軟硬件的配置不足，提升教學(xué)質(zhì)量。

針對上述問題，開發(fā)滿足職業(yè)院校汽修專業(yè)理實一體化實際教學(xué)需求的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，將彌補(bǔ)軟硬件配置不足，提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)。由于發(fā)動機(jī)是汽車的核心部件，發(fā)動機(jī)構(gòu)造與檢修又是汽修專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，因此，本研究在充分調(diào)研汽修理實一體化教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合眾多汽車維修和虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究成果，設(shè)計并構(gòu)建發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)。充分發(fā)揮教育技術(shù)學(xué)學(xué)科優(yōu)勢，將計算機(jī)技術(shù)與先進(jìn)教育理念應(yīng)用于汽修專業(yè)實際教學(xué)，優(yōu)化并解決了教育教學(xué)的實際問題。

圖1 理實一體化教室設(shè)計

2 基于工作過程的理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計（以大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)為例）

大眾汽車公司的1.4TSI汽油發(fā)動機(jī)，采用先進(jìn)的渦輪增壓和分層直噴技術(shù)；渦輪增壓技術(shù)利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣將進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，分層直噴技術(shù)促進(jìn)汽缸內(nèi)的壓縮空氣與燃料噴霧充分混合，使燃燒更充分［4］。學(xué)習(xí)掌握典型的先進(jìn)的汽油發(fā)動機(jī)工作原理以及檢修技術(shù)，將為學(xué)生以后從事汽修工作打下堅實的基礎(chǔ)。

支持虛擬教學(xué)的理實一體化教室設(shè)計 支持虛擬教學(xué)的理實一體化教室，在傳統(tǒng)的一體化教室中添加電腦，安裝虛擬教學(xué)軟件，可以發(fā)揮兩方面的作用。

1）理論講解階段：教師可以借助電腦以及配套的虛擬教學(xué)軟件在屏幕上呈現(xiàn)發(fā)動機(jī)部件的結(jié)構(gòu)、工作過程以及項目操作過程等，輔助教師上課，易于學(xué)生理解、觀察，增強(qiáng)教學(xué)效果。

2）項目實施階段：將學(xué)生分為虛擬操作和實際操作兩組，借助虛擬教學(xué)軟件與實際設(shè)備的交替使用，從而緩解實訓(xùn)設(shè)備的不足，使教學(xué)工作得以有效開展，提升學(xué)生的職業(yè)技能水平。

大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)以項目化教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，利用Photoshop、Flash、3ds Max、Unity3D等軟件進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)建出一個具有界面信息顯示、結(jié)構(gòu)教學(xué)、原理教學(xué)、實訓(xùn)演示、自主練習(xí)、實訓(xùn)考核、教學(xué)評價分析等功能的虛擬教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

1）界面信息顯示功能模塊。界面信息顯示功能模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)介紹、系統(tǒng)設(shè)置、幫助說明、教學(xué)項目、教學(xué)任務(wù)、實訓(xùn)模式等信息的顯示。該模塊可對實訓(xùn)工具、教學(xué)項目、操作步驟、操作時間等信息進(jìn)行動態(tài)顯示、存放及提取。學(xué)習(xí)者可以根據(jù)不同的信息做出相應(yīng)的操作，實現(xiàn)虛擬交互。

2）知識準(zhǔn)備功能模塊。知識準(zhǔn)備功能模塊主要包含結(jié)構(gòu)教學(xué)、原理教學(xué)兩個部分，在理論教學(xué)階段發(fā)揮其重要作用。教師可以借助虛擬系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)零部件直觀展示出其結(jié)構(gòu)與工作原理，使原本不易理解的理論知識以直觀、生動、形象的方式呈現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3）項目實施功能模塊。項目實施功能模塊主要包含操作演示、自主練習(xí)、操作考核三個部分，在實訓(xùn)教學(xué)階段發(fā)揮其重要作用。學(xué)生可以通過虛擬軟件熟悉標(biāo)準(zhǔn)的施工流程后，再進(jìn)行實際操作，將會提高施工操作的規(guī)范性與正確性，降低因經(jīng)驗不足造成對設(shè)備的損壞度。

4）教學(xué)評價分析功能模塊。教學(xué)評價分析功能模塊主要包含實施分析和技能測評兩個部分，旨在輔助教師在課堂教學(xué)評估階段對學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行合理的評價。

3 大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)理實一體化虛擬教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

該研究主要通過三維掃描以及3ds Max建模軟件構(gòu)建實訓(xùn)工具、發(fā)動機(jī)總成以及虛擬實訓(xùn)場景模型，應(yīng)用iTween插件控制物體運(yùn)動，通過Unity3D引擎實現(xiàn)三維場景及發(fā)動機(jī)總成的交互和渲染。

建立大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)模型資源庫 為了保證1.4TSI建模的精準(zhǔn)度，本研究采用三維掃描儀對發(fā)動機(jī)零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過三維建模軟件來構(gòu)建發(fā)動機(jī)的模型資源庫。大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)三維模型開發(fā)流程圖如圖3所示。

三維掃描與數(shù)字化模型開發(fā)是虛擬教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，開發(fā)的模型將直接影響到后期的交互以及用戶體驗。本研究主要采用編輯多邊形的建模方式來制作發(fā)動機(jī)實訓(xùn)部件、操作工具以及實訓(xùn)室場景的模型，并利用法線貼圖技術(shù)［5］，通過將高精度的模型烘焙到優(yōu)化后的低模上，進(jìn)而呈現(xiàn)逼真的效果，大大降低模型的面數(shù)，減少資源的消耗。

交互實現(xiàn)

1）發(fā)動機(jī)控制。用戶進(jìn)入虛擬場景，使用鼠標(biāo)左鍵點擊拖拽控制攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)，鼠標(biāo)滾輪控制攝像機(jī)距離發(fā)動機(jī)的遠(yuǎn)近，鼠標(biāo)左鍵雙擊控制發(fā)動機(jī)零部件的顯示/隱藏，通過Input.GetAxis（″Mouse X/Mouse Y″）獲取鼠標(biāo)的改變量，通過Input.GetAxis（″Mouse ScrollWheel″）獲取鼠標(biāo)滾輪的改變量，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)近距離觀察，定義旋轉(zhuǎn)速度并通過Quaternion.Euler（y，x，0.0f）控制目標(biāo)物體的旋轉(zhuǎn)，定義位移速度并通過Transform.positon來控制目標(biāo)物體的位置，同時通過Mathf.Clamp（）方法設(shè)置最遠(yuǎn)和最近觀察距離，使得發(fā)動機(jī)的位置在可控范圍內(nèi)；通過Shader.Find（″Transparent/Diffuse″）方法改變發(fā)動機(jī)零部件的著色器設(shè)置，使用戶能夠通過顯示/隱藏部分發(fā)動機(jī)零部件來觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 1.4TSI發(fā)動機(jī)三維模型資源庫構(gòu)建流程

2）發(fā)動機(jī)零部件的動畫控制與碰撞檢測。用戶進(jìn)入虛擬教學(xué)系統(tǒng)的項目實施場景，演示部分主要采用Animator動畫控制技術(shù)，通過Animator.SetInteger（）方法來實現(xiàn)攝像機(jī)的不同動畫狀態(tài)的控制，通過Animator組件的enabled屬性實現(xiàn)發(fā)動機(jī)零部件拆裝動畫的播放，通過AnimatorStateInfo.normalizedTime（）方法來判斷任意步驟的動畫是否播放完畢，如果返回值為真，再激活下一步發(fā)動機(jī)零部件的動畫。自主練習(xí)部分主要通過iTween插件以及射線碰撞技術(shù)［6］來實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)零部件的自主操作：通過Physics.RayCast（ray，out hit）方法實現(xiàn)射線的投射，判斷碰撞物體是否是規(guī)定的拆卸部件，如果返回值為真，則通過iTween.ColorTo（）改變零部件顏色；通過iTween. MoveTo（）方法來控制零部件按照預(yù)定軌跡運(yùn)動，如果返回值為假，則在界面上給予操作錯誤的提示。

3）發(fā)動機(jī)零部件教學(xué)信息顯示。當(dāng)用戶選擇某一發(fā)動機(jī)零部件時，其名稱和知識介紹會在虛擬場景中顯示。項目當(dāng)中引入MySql.Data.dll組件，主要通過MySqlConnection類與MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接。在數(shù)據(jù)庫中建立發(fā)動機(jī)零部件信息表，由腳本控制層從前臺獲取用戶點擊的零部件名稱，通過MySqlDataAdapter類向數(shù)據(jù)庫發(fā)送相應(yīng)的Select語句并獲取返回值到DataTable中，再通過控制層顯示到相應(yīng)的界面位置上。

4）教學(xué)評價信息顯示和存取。在虛擬考核場景中，編寫Recorder類記錄用戶的操作過程，即將每一步的零部件名稱記錄并與數(shù)據(jù)庫中的正確操作步驟名稱進(jìn)行對比，按照步驟難度設(shè)置給出考試成績，最終顯示到前臺界面上。另外，教師可以在系統(tǒng)界面的考核項目中填寫學(xué)生的課堂表現(xiàn)分?jǐn)?shù)，通過提交存入后臺數(shù)據(jù)庫中。

4 總結(jié)

以大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)為例設(shè)計開發(fā)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)，針對汽車運(yùn)用與維修技術(shù)領(lǐng)域職業(yè)崗位的任職要求，從職業(yè)院校理實一體化教學(xué)實際出發(fā)，借助計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬呈現(xiàn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、原理知識以及項目實施過程，將多維度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得課堂講解更加容易、直觀、形象，實踐教學(xué)更加安全、便捷、有效。同時，采用虛擬仿真教學(xué)軟件輔助實際教學(xué)，將彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足，提高教學(xué)質(zhì)量。■

［1］石連栓，孫文苑.基于Virtools的沖孔模拆裝虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.職教論壇，2014（18）:83-85.

［2］劉治安，張軍偉.開展理實一體化教學(xué)需要注意的若干問題［J］.中國電力教育，2009（21）:70-72.

［3］張沖，趙亮.高職《汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)造與維修》教學(xué)新模式研究［J］.職業(yè)教育研究，2012（4）:92-93.

［4］王亮.大眾1.4TSI發(fā)動機(jī)的技術(shù)淺談［J］.硅谷，2012（21）:16-17.

［5］李然.淺談次世代游戲制作中normal貼圖技術(shù)［J］.湖北成人教育學(xué)院學(xué)報，2015（1）:100-101.

［6］呂萌萌，郭新宇，陸聲鏈，等.基于Unity3D果樹交互虛擬修剪技術(shù)及其實現(xiàn)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015（4）:7-11.

TP391.9

B

1671-489X（2015）24-0036-03

*項目來源：全國教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃2010度教育部重點課題“中職學(xué)校虛擬實驗課程系統(tǒng)的研制與開發(fā)”（編號：GJA104004。主持人：石連栓）。

作者：梁甜，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為虛擬教育軟件的研制與開發(fā)；石連栓，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為虛擬教育軟件的研制與開發(fā)；申榮衛(wèi)，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為汽車電子技術(shù)與職業(yè)教育課程開發(fā)（300222）。