汽車維修虛擬仿真教學設計與策略

劉超平

摘 要：將虛擬仿真技術應用到汽車維修教學工作中，不僅能給教學帶來更好的學習體驗，而且可以解決技術學校實訓設備短缺、設備更新緩慢等現實問題。這有利于實現交互教學，提高教學的有效性，對改變傳統的汽車維修專業的教學模式有著很大的幫助。

關鍵詞：汽車維修 虛擬仿真教學 教學設計

一、引言

目前，我國業已成為世界上汽車生產和消費的大國，汽車產業的發展推動著行業經濟的發展和科技的進步。“互聯網+”和產業轉型升級等國家戰略的提出和汽車產業的繁榮，也對汽車維修技術人才提出了更高的要求。新時期汽車維修行業需要大批觀念新穎，技術進步的專業維修技術人員。因此，技術學校與時俱進不斷提高教學質量，才能為社會輸出適合本地經濟的新型技術技能人才。

隨著電控、網絡和新能源技術的發展，汽修行業的技術水平發生了較大的變化，因此，汽車維修教學也需要不斷調整教學內容，改進教學手段。虛擬現實技術是可以創建一個虛擬世界的電腦應用技術。它利用一些輸入輸出設備，讓使用者與虛擬環境的對象進行交互，實時體驗和移動虛擬世界中的物體，讓人身臨其境。隨著三維虛擬技術的不斷完善，在汽車維修教學中加入三維虛擬仿真技術的應用，既可以激發學生的學習興趣，提高學習積極性；又可以讓學生在實訓過程中身臨其境反復操作，不用擔心消耗器材成本，是當前理想的教學方式。教學設計是在教學理論與實踐之間起著橋梁的作用，決定著教學活動的方向和質量。做好汽車維修虛擬仿真教學設計與策略是實現維修教學實效性的前提和保障。

二、汽車維修學習者的特征與需求

汽車維修技術專業學生較高職和高校學生而言，存在一定的學習惰性和厭學情緒。學習觀念淡漠，缺乏自信心和主動性。又學生大多文化基礎薄弱，年齡大多15、16歲，學習行為習慣較差。

汽車維修專業學生的學習需求存在于對學習狀況的期望與現狀之間的差距。通過調研了解到學生對虛擬仿真教學的需求，歸納出以下仿真教學系統需求指標體系：（1）教學內容方面，知識點明確突出，鏈接的其他學科知識自然而有連續性；（2）教學設計方面，教學目標應清晰準確和規范，符合學生的認知水平；教學策略設計先進應用得當，能發揮教學應用軟件的作用；教學交互性好，且操作簡便、有趣、效果好；（3）仿真效果方面，模型逼真、只做效果具有吸引力，能激發學生的學習興趣，促進他們的創新思維；（4）技術應用方面，操作簡便、布局合理，容錯性強，無“死機”現象，符合視覺心理。

三、汽車維修虛擬仿真教學系統的設計與策略

汽車維修虛擬仿真教學體統的設計包含了開發工具、開發流程以及系統總體框架及其功能等幾個主要方面的內容。

1、開發工具

三維虛擬仿真系統的設計師基于C3D-VLE.SDK虛擬仿真引擎技術、使用C++語言和VC6.0進行二次開發。構建汽車維修三維虛擬仿真教學系統結合了OpenGL技術，以實現人機交互的操作界面。

2、開發原則和流程

汽車維修虛擬教學系統的設計遵循兼顧“直觀性、交互性和共享性”的三大原則。開發流程主要包括了資料收集、創建3D模型以及交互功能的實現等三個階段。以齒輪條式轉向器教學為例：虛擬教學系統的搭建具體做法：首先使用照相機拍下系統部件照片為建模內容尋找基本素材，豐富虛擬模型資源庫。然后，運用三維圖形技術，如使用 3Dsmax 三維造型軟件，構建高逼真的汽車齒輪齒條式轉向器系統各組成部分實體的三維模型，并結合平面圖形軟件如 Photoshop CS6 制作模型貼圖材質。3D模型創建界面和貼圖界面分別如下圖1，2所示：

根據現實中汽車齒輪齒條式轉向器零部件實物制作的齒輪齒條式轉向器系統的虛擬三維模型構包括：齒輪，齒條，防塵罩，左右橫拉桿，內外球頭，壓緊裝置，控制閥等內容。而教學資源系統設計結構包含三維模型展示、對總成部件的拆卸組裝以及相關零配件的分解和組裝過程。鼠標可以影響物體的位移和旋轉。3D模型創建完成以后需根據實際需求導出模型，為實現下一步的交互功能奠定基礎。在汽車維修虛擬教學系統中為了實現交互功能，利用 Visual C++和Open GL 來開發程序。通過鼠標控制來實現交互功能。

在對齒輪齒條式轉向器教學過程中，需要對轉向器進行多方位的呈現：旋轉、平移，以及放大和縮小等在設計中換成了齊次坐標系下的矩陣控制，實現鼠標的交互操作。實際開發的汽車維修虛擬仿真教學系統可以在 Windows 7，windows8 等操作系統環境中運行，也可以在學校機房的系統和校園網中運行。仿真技術在汽車維修虛擬教學平臺、3D虛擬學習引擎、網絡通信引擎（TCP/IP協議：CST體系結構）、以及實訓教育資源庫中雙向應用，能使學生更好的掌握齒輪齒條式轉向器的知識。

3、課程教學設計

開展以學習活動為中心的課程教學設計。具體包括以下幾個部分（以齒輪齒條式轉向器為例）：

教學任務：通過一系列的教學工具的使用，說出齒輪齒條式轉向器的作用、組成、功能和工作原理；會拆裝齒輪齒條轉向器。

教學活動：首先，教師準備教學材料、資料、課件和工具，然后清點學生人數檢查儀表，接著采用情景教學法、互動法、講授法等方法通過列舉汽車轉向器的作用和小故事的引領激發學生對汽車轉向系的興趣，進而穿插介紹其構造原理、組成元素、功能等（約20分鐘）引導學生去思考問題，從而開始認識轉向器。然后實施虛擬仿真教學依據以下步驟操作（1） 在電腦桌面上找到“汽車維修虛擬教學教學系統”（2）雙擊打開系統（3） 在左欄選擇要移動的模型（4）移動觀察模型（5）操作組裝（嘗試不同的組裝順序）寫出組合順序，學生根據所寫出的組合順序，制定出齒輪齒條轉向器的拆裝等（約45分鐘）。之后，運用實物轉向器拆裝（180分鐘）學生分組進行齒輪齒條轉向器拆裝練習，促其掌握正確拆裝步驟，正確選用工具匯報拆裝過程、心得，并進行獎勵并指定該組匯報人進行匯報。

教學模式：教學實訓課程教學先通過上機操作，讓學生在虛擬仿真環境中進行學習，當他們有了一定的認知后，再回到實訓車間拆裝實物。采用這種先虛擬后實操的教學模式，不但能減少零部件的損耗，而且能提高學習效率。

教學資源：汽車維修三維虛擬仿真教學系統，文本、音頻或視頻動畫等基本素材以及理論試題庫構成了豐富的虛擬仿真教學資源。

教學評價：每位同學獨立操作拆裝齒輪齒條式轉向器（限時15 分鐘）五位同學同時進行，其余同學在旁邊觀看。采用小組成員自評；（占10%）組間成員互評。（占10%）老師給分評定。（占50%）

四、結束語

隨著技術的發展，虛擬仿真教系統的應用將越來越普及。利用三維虛擬仿真技術在汽車維修專業教學中進行應用，這樣完全可以提高學生學習的積極性，學習效果自然會好，學生學習主動性得到發揮。同時，教學要圍繞技工院校汽車維修專業課程的要求來組織內容，采用自主學習和游戲激趣等策略，才能積極引導學生獨立思考齒輪齒條式轉向器各組成器件之間的關系和組裝結構，掌握相應知識，提高動手能力和安全意識。

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