虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用

李　未，滕　菲，李慶華

( 長春大學 機械與汽車工程學院，長春 130022)

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虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用

李未，滕菲，李慶華

( 長春大學 機械與汽車工程學院，長春 130022)

摘要：汽車構造課程是車輛專業的一門重要基礎課程，其實驗教學環節在該課程中占很大比重，傳統的實驗教學方法是指導教師對汽車構造和工作原理進行講解，并演示發動機等總成的拆裝過程，學生再分組進行實際拆裝練習。本文研究了虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用，研究表明，虛擬現實技術可以有效地提高教學質量，提高學生學習的主動性，增加了實驗教學的深度和廣度，減少了教學成本。

關鍵詞：虛擬現實；汽車構造；虛擬實驗

近年來，隨著電子、多媒體和網絡等技術迅猛發展，傳統教學模式已受到越來越大的挑戰，計算機已在教學領域中成為一種高效的教學和學習工具。虛擬現實技術(Virtual Reality，簡稱VR)，VR是一種新型的計算機技術，它將計算機圖形技術、人工智能、仿真技術、網絡并行技術、傳感技術和顯示技術等集成在一起。它可以用計算機制造出虛擬場景，用戶可以直接觀察周圍的環境，用工具或者手對其進行觸摸、檢測和控制等交互式操作[1]。目前虛擬現實技術已在軍事、航天、教育培訓、醫療和商業等諸多領域得到了廣泛應用[2]。采用虛擬現實技術建立的虛擬教學系統，系統中的“部件”和“設備”大部分都是虛擬的，根據需要可進行隨時進行更新，這便于增加教學內容的深度和廣度。我國對教學實踐部分越來越重視，提出了更高的要求，這更加促進了虛擬現實技術在教學領域的發展。虛擬現實技術在教育領域的發展具有無限的潛力，它可以作為輔助理論教學的一個重要工具，在實際教學中發揮巨大的作用。傳統的汽車構造拆裝培訓，采用的是真實發動機和變速器等設備，通常是指導教師通過視頻等進行培訓，然后由學生進行拆裝實驗操作，這種形式設備容易損耗，存在安全事故隱患，且學習效果不夠理想[3]。采用虛擬現實技術，可以將發動機和變速器等拆裝過程建立一個虛擬拆裝系統。學生可以先通過該系統學習和演練拆裝過程，再對真實的發動機等設備進行拆裝。將虛擬現實技術應用到教學領域，是對教學模式的一種改革，不僅可以提升教學質量，還可以提高學生的學習積極性，降低事故隱患。

1虛擬現實技術

虛擬現實，也稱為虛擬仿真，在1989年由美國VPL公司的創始人拉尼爾提出的。美國在20世紀90年代開始對虛擬現實進行研究，研究和應用的領域也最為廣泛[4]。MIT媒體實驗室在1978年應用虛擬現實技術開發了一款名為Aspen Movie Map的地圖軟件，該軟件不同于普通的地圖軟件，它采用模擬開車來在ASPEN這個城市的街道穿行，用戶通過游戲桿或觸摸屏控制開車的速度和方向。之后蘋果公司和微軟公司也紛紛研發了虛擬現實應用系統，虛擬現實技術得到飛速發展。虛擬現實技術已在國內外諸多的領域進行了研究和應用。華盛頓大學的人機界面技術實驗室，把虛擬現實技術應在教育、設計和制造等領域。我國對虛擬現實技術的研究與發達國家相比，起步相對較晚，應用和研發能力還存在一定的差距。但近年來已受到國家相關部門以及科研機構的高度重視，例如，國家自然科學基金會、九五規劃和國家高技術研究發展計劃等都把虛擬現實技術作為研究項目，我國多個科研單位和高等院校也已經開始對虛擬現實技術進行研究和應用。北京航空航天大學是國內最早對虛擬現實技術進行研究的機構，他們首先對虛擬現實技術的基礎知識進行研究，并對技術中的物理特性和處理進行了大量的研究，開發了虛擬現實技術中視覺接口硬件，以及相關的算法和實現技術。浙江大學的國家重點實驗室也開發了一套虛擬建筑實時漫游的虛擬現實系統，通過立體圖像實現了畫面真實感和系統實時交互性，并開發了快速漫游和快遞網格算法。清華大學對虛擬現實技術的臨場感著重進行了研究，提出了球面屏幕顯示、克服立體圖閃爍和圖像隨動等方法。

虛擬現實技術不僅包含計算機領域，還與其他領域相互交叉，如人工智能、傳感器、電子學和心理學等，虛擬現實技術是一種處理多為信息的系統和工具。虛擬現實具有三個基本特點，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和構想性(Imagination)。[5]

(1)沉浸性。沉浸性是指利用虛擬現實技術根據人類視覺和聽覺的特點，通過計算機制造出逼真的三維立體圖像和環境，用戶通過頭盔和數據手套等設備與機器進行交互，用戶能夠全身心地進入虛擬環境中，仿佛在現實世界的環境一樣。使用者還可以通過交互設備對虛擬環境進行操作，虛擬環境會根據操作進行變化，給使用者一種身臨其境之感。

(2)交互性。虛擬現實為使用者提供了一種接近自然的交互性，它利用傳感器等設備接收和跟蹤使用者的行為，實時地調整虛擬系統的圖像和聲音等，使用者可以通過特殊頭盔、鼠標和數據手套等傳感設備與虛擬系統進行交互。

(3)構想性。虛擬現實為使用者提供了可以充分發揮想象力的空間，它改變了傳統的定量計算為主的方法，轉變為從定量和定性綜合的方法，發揮使用者的主觀能動性。

隨著虛擬現實和計算機技術的繼續發展和完善，它將憑借其自身的優勢和潛力，受到更多教育工作者的關注。天津大學于1996年在SGI平臺上，研發創立了虛擬校園系統，這是虛擬現實技術首次在教育領域進行應用，在此之后，虛擬現實技術開始不斷地應用在教育領域。四川大學在虛擬現實技術基礎上，采用虛擬儀器的構思，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”；清華大學研發了的發動機檢測虛擬系統。虛擬現實技術的生動性、虛擬性和互動性在教育領域發揮著極大作用，虛擬現實技術在教育領域的應用主要在以下幾個方面：

(1)科學研究。目前很多高校和研究機構都在積極地研究虛擬現實技術，相繼創立了虛擬仿真實驗室，目前已有大量的研究成果。中國科技大學建立了幾何光學的虛擬仿真實驗平臺，是第一套用虛擬現實技術開發的教學儀器系統，系統把計算機技術、虛擬現實技術、智能化儀器和物理教學儀器結合。

(2)虛擬課堂。采用虛擬現實技術改變了傳統的授課方式，營造出生動的學習環境，為學生提供更廣闊的虛擬學習體驗。例如，在大學物理課堂中，可以用虛擬現實技術模擬物體運動過程，以及模擬宇宙、原子、分子等事物；在機械課程中，虛擬現實技術可以模擬機床的運作，讓學生觀察機床的組成及工作原理，使學生可以更加直觀地進行學習；營銷類課程可以用虛擬現實技術來營造虛擬商務環境，讓學生有身臨其境之感。

(3)虛擬實驗室。采用虛擬現實技術可以建立虛擬的實驗系統，包括實驗環境、實驗設備和實驗信息等。例如采用虛擬現實技術可以建立做物理、化學、地理和生物實驗室等，這可以突破時間和空間的限制。教師可以通過虛擬現實技術向學生演示實驗，有效地提高學習質量。

(4)虛擬校園。我國教育部曾在一系列文件中多次提及虛擬校園，闡明其意義并鼓勵建立虛擬校園。目前，國內很多大學都已經陸續建立了虛擬校園，有三個由淺入深的應用層面，以適應不同學校的需求。虛擬校園一般具有瀏覽學校簡介和漫游校園的功能，有的具有教務和教學等較多功能的基礎平臺。

(5)遠程教育。虛擬現實技術可以提供終端開放的遠程教育教學，擴大了高校的招生，創造了更大的利益。在虛擬遠程教育課堂中，學生可以獲得和真實上課一樣的體驗，可以與教師進行互動，通過虛擬現實技術還可以做各種教學需要的實驗，可以加深學生對知識的理解。

2汽車構造實驗教學特點和現狀

2.1汽車構造實驗課程特點

汽車構造課程是車輛工程、交通運輸等專業的重要專業基礎課程，對該課程知識的掌握程度，直接影響到后續相關專業課程的學習。汽車構造主要是系統地講解汽車的結構及其工作原理，課程涉及內容廣泛，并且該課程具有較強的實踐性。只依靠在課堂上對汽車結構理論的學習，沒有對汽車實踐性地拆裝學習，學生難以很好地掌握汽車的構造知識，因此，搞好汽車構造實驗課程的學習尤為重要。

汽車構造實驗課程具有以下三個特點：

(1)信息量較大，涉及知識內容廣泛。汽車構造課程分為汽車構造上冊和下冊，上冊主要講解發動機的構造及其工作原理，下冊主要講解汽車底盤各個系統構造和工作原理。汽車結構較復雜，由上萬個零部件組成，并且汽車產品更新換代速度快，實驗教學需要與理論課程相結合，因此，汽車構造實驗課程內容十分廣泛。

(2)汽車的零部件數量多，且結構復雜。汽車是由上萬個形狀各異和功能不同的零部件組成的，以發動機的活塞連桿組為例，主要包括活塞、活塞環、連桿和活塞銷等機件組成。

(3)汽車構造的幾大系統工作原理不同。汽車由四大系統組成，包括發動機、底盤、車身和電器設備，其中底盤又包括行駛系、轉向系、傳動系和制動系。各系統的構成和工作原理差異較大，這就增加了汽車構造實驗課程的學習復雜度和難度。

2.2汽車構造實驗教學現狀

目前汽車構造實驗課堂教學有三個步驟，首先采用多媒體設備講解各系統及零部件的結構和工作原理，并演示汽車各系統拆裝過程，包括拆裝的順序和工具的使用方法；指導教師先演示一遍拆裝過程，學生提出疑問，由教師進行解答；最后指導教師對學生進行分組，學生動手進行拆裝實驗，指導教師對拆裝過程進行實時指導。

近年來，各個學校都已經增加了對實驗課程的關注度，盡管各個學校都在不斷地改善實驗的硬件建設，但是因為各種原因，實驗教學依然存在一些弊端。目前汽車構造實驗教學主要表現在以下幾個方面：

(1)實驗設備落伍和陳舊。汽車技術的飛速發展，導致實驗設備也要及時增添新設備才能夠跟上汽車技術發展的步伐。但是汽車構造實驗設備一般都比較昂貴，因此新技術設備更新較慢，導致實驗設備落伍。汽車構造的實驗設備使用頻繁，設備耗損嚴重，因此設備都比較陳舊。

(2)實驗設備損耗大。在汽車構造實驗時，由于某些學生的錯誤操作，容易導致實驗設備的損壞。汽車構造的實驗設備一般較為昂貴，因此設備損壞后的損失較大。很多學校的汽車構造實驗室平時是封鎖的，只在實驗課時才允許學生進行拆裝。

(3)實驗工位不足。汽車構造實驗的設備有限，不能每個學生都有實驗工位，因此大部分學校都是指導教師先給學生進行分組，學生以小組為單位對一組設備進行拆裝實驗。這樣容易導致部分學生動手實驗，部分學生只觀看不動手的問題，同時這種實驗方式容易降低學生的學習積極性。

(4)指導教師精力有限。汽車構造實驗雖然是以學生為主體，但是指導教師的作用也是不可忽視的。指導教師要在學生進行拆裝實驗過程中實時地進行指導和糾正。指導教師的精力是有限的，通常是由一個或兩個教師指導一個班級的學生。指導教師很難對每個學生都進行指導，勤奮的學生會主動鉆研和學習繼承，對于自控力較差和學習不主動的學生，沒有指導教師進行實時地約束和指導，很可能在實驗過程中一無所獲。

3虛擬現實在汽車構造實驗中的應用

3.1汽車構造實驗虛擬仿真系統

隨著虛擬現實技術的發展，這一新技術逐漸開始應用在教學領域，成為新的教學媒體。虛擬現實技術在汽車領域的應用，主要有汽車仿真實驗系統、汽車仿真駕駛系統、汽車虛擬設計系統。用于教學使用的主要有汽車總成拆裝實訓系統、汽車故障診斷系統、常規維護系統和車身測量系統等。

汽車虛擬拆裝實驗是以三維互動方式更加直觀地展現汽車基本結構和工作原理，且可進行虛擬拆裝，拆裝主要包括2種類型，即總成拆裝和零部件拆裝，課程中常用到的拆裝為發動機總成拆裝實訓、曲軸拆裝實訓、氣缸蓋拆裝實訓、凸輪軸拆裝實訓和活塞拆裝實訓等。汽車構造的虛擬拆裝實驗主要包括以下幾個功能：

圖1　虛擬實訓中心場景

圖2　虛擬拆裝系統的發動機臺架

(1)虛擬拆裝軟件可以模擬拆裝實訓車間的場景，配置有發動機拆裝臺架、零件車、工具車和拆裝維修手冊，實訓車間采用3D圖像技術，對場景圖像可進行360度旋轉，如圖1所示為虛擬實訓中心場景。通過鼠標與系統進行實時交互，學生可以對發動機臺架沿曲軸軸線進行360度的旋轉，如圖2所示為虛擬拆裝系統中的發動機臺架。

(2)學生還可以選擇拆裝零部件、選擇拆裝工具和組合工具，然后按照維修拆裝手冊中的流程對發動機進行拆裝操作，系統中為學生提供工具車，工具車中包含各種型號的套筒、扭力扳手、專用鉗子和扳手等，在工具車中進行組合和拆卸，如圖3所示為虛擬拆裝系統中學生選擇拆裝工具的界面，學生首先選擇一個拆裝工具，系統會顯示該工具的具體參數。

圖3　拆裝工具選擇界面

圖4　 發動機虛擬拆裝界面

(3)選擇好工具后，進入虛擬拆裝界面，如圖4所示，在虛擬拆裝實驗過程中，系統會嚴格規范拆裝工藝過程，包含螺栓的拆裝順序、部件潤滑和螺栓安裝扭矩等，零部件的擺放位置也有相應的要求，必須將其擺放在零件車中。學生可以對拆卸后擺放在零件車中的零件進行3D展示，可以任意放大、縮小和按任意角度旋轉，系統還提供汽車各總成和主要零件透視圖，學生可以更加直觀地掌握它們的結構。

(4)學生在計算機上通過虛擬現實軟件模擬拆裝汽車各部件及總成，系統會根據學生每一次的拆裝速度和出錯情況自動對學生的裝配結果進行評分，并將實訓報告打印輸出，供指導教師評估和查看。學生通過虛擬拆裝操作，詳細了解汽車各部件的內部結構，掌握正確的拆裝順序與注意事項，從而有效地指導學生的實際拆裝過程。

3.2虛擬現實應用的必要性和可行性

目前的汽車構造實驗是以指導教師通過圖片和視頻對汽車構造進行講解，理論講解比較枯燥，很多學生逐漸形成了不愛提出問題，不動腦思考的習慣，缺少學習的主動性。虛擬現實實驗系統可以給學生提供多種感官的綜合體驗，有利于學生主動學習和探索。采用虛擬仿真實驗系統可以提升學生的創新思維和能力，提高學生的學習主動性，可以讓每個學生都進行實驗操作。因此，虛擬現實技術應用在汽車構造實驗上，是改革和提升其實驗教學質量的最佳方法。

把虛擬現實應用在汽車構造實驗教學上，主要是通過虛擬仿真軟件進行汽車構造和工作原理學習，以及進行虛擬拆裝練習。虛擬實驗室的建立主要是通過購買計算機及虛擬仿真實驗軟件，因此，汽車構造虛擬實驗室建立是可行的。

3.3虛擬現實應用在汽車構造實驗的優點

虛擬現實技術經過不斷的發展，目前技術已很成熟，把虛擬現實技術應用在汽車構造實驗上，可以有效地提高教學效果，優點主要表現在以下幾個方面：

(1)改革汽車構造實驗教學模式。把虛擬現實應用在汽車構造實驗，突破了傳統實驗教學在時間和空間的限制，就像把實驗工間搬到了課堂。教學不再只是枯燥的知識講解，多媒體教學不再局限于圖片和視頻展示，學生可以直接參與到課堂中，親身去感受虛擬學習環境。

(2)提高學生學習興趣。采用虛擬現實的實驗課程擺脫了傳統的教學模式，能夠模擬真實的實驗場景，為學生提供了多種感官刺激。在實驗過程中，虛擬現實可以提供專業知識的游戲教學模式，可以激發學生強烈的學習欲望，提高學生的學習興趣。每個學生都可以參加到虛擬實驗的課堂，解決了部分學生沒有參與動手的弊端，這可以提高所有學生的學習積極性。

(3)提高實驗效率。學生在進行真實的拆裝學習之前，先在虛擬拆裝軟件中進行拆裝學習和練習，可以減少在真實的拆裝過程中產生錯誤操作。學生在熟悉了拆裝過程后再進行真實的實驗，可以有效地提高實驗的效果和效率。

(4)降低實驗教學成本。學生先在虛擬拆裝軟件練習后，再進行實際拆裝可以減小和避免錯誤操作，減小了對設備的損壞，同時也降低了設備維修的成本。汽車實驗仿真軟件具有價格低和擴展性好的特點，而且可以反復使用。

(5)增加實驗教學的深度和廣度。有些危險高和難以開展的實驗，且實際操作的實驗不可能面面俱到，這些都可以采用虛擬現實技術進行虛擬實驗，這可以增加實驗教學的深度。汽車技術不斷發展，需要不斷的購買新實驗設備才能追上技術更新的步伐。采用虛擬仿真軟件，只需要對軟件內容進行擴展，讓學生對新技術產品進行學習和拆裝練習，這增加了實驗教學的深度。

(6)優化了實驗考核方式。傳統的實驗教學對學生的考核方式主要是實驗報告和實驗操作，采用虛擬仿真軟件，可以打破這種傳統的考核方式。虛擬仿真軟件可以把學生虛擬拆裝操作的準確度和速度作為評價指標，自動對其操作進行評分。虛擬軟件還可以設置虛擬考試系統，隨機抽取試題，系統會記錄學生在考試過程中的操作，進行科學和公正的評分。

4結論

虛擬現實技術應用在汽車構造實驗中，能夠有效地提高學習效率和學生學習興趣，有效地提升實驗教學質量。通過該技術能夠幫助學生把理論知識與實際操作結合在一起，提升學生的實踐動手能力，并且激發了學生的自主學習能力和學習興趣。因此，虛擬現實技術應用在汽車構造實驗可以極大地提高其教學質量，值得在汽車構造實驗教學領域進行使用和推廣。

參考文獻：

[1]杜寶國, 唐運榜, 馮立巖,等. 虛擬現實技術在內燃機拆裝實習教學中的應用[J].實驗室科學, 2015,18(5):168-170.

[2]姜學智,李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2004,23(2):238-240.

[3]楊建軍,黃海波,王永忠,等.汽車構造實驗教學環節探討[J].實驗科學與技術,2011,9(2):105-108.

[4]朱海,李瑞芬,趙輝.談虛擬現實技術及實踐教學的虛擬化[J].現代遠距離教育,2005(3):64-66.

[5]溫樹杰,周俊卿.基于虛擬現實技術的實踐教學探討[J].江西理工大學學報, 2010, 31(6):66-68.

責任編輯：劉琳

Application of Virtual Reality Technology in Automobile Structure Experiment Teaching

LI Wei， TENG Fei, LI Qinghua

(College of Machinery and Vehicle Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

Abstract：Automobile construction course is an important foundation course in vehicle engineering major, in which the experimental teaching occupies a large proportion. The traditional experimental teaching method requires the instructor to explain the automobile structure and working principles, then display the process of dismounting the engine assembly, finally, divide the students into groups to make actual practice. This paper discusses the application of virtual reality technology in experimental teaching of automobile structure, showing that virtual reality technology can effectively improve teaching quality, promote students’ learning initiative, increase the depth and breadth of the experiment teaching, and reduce the teaching cost.

Keywords：virtual reality; automobile construction; virtual experiment

收稿日期：2015-12-27

基金項目：吉林省教育廳項目(SJYB15-03)；長春大學教學改革項目(XJYB12-12)

作者簡介：李未(1982-)，女，長春人，講師，博士，主要從事汽車系統動力學研究；滕菲(1985-)，女，長春人，實驗師，博士，主要從事汽車材料研究；李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，教授，博士，主要從事機械數字化設計與制造研究。

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)06-0089-05