基于虛擬仿真技術在高校汽車類專業教學實踐的探索

馬馴

摘 要：本文舉例了虛擬現實技術在國內外發展的現狀，對于我國高校汽車專業在教學實踐存在的問題進行分析研究，闡述虛擬現實技術對于國內汽車專業的教學質量及學生實踐能力的所產生的作用，從而論證虛擬現實技術與高校汽車專業教學緊密結合，將對于解決高校汽車專業教學的現狀和問題具有重大意義。

關鍵詞：虛擬現實技術；高校汽車專業教學；節約高效安全

一.我國高校眼下汽車專業教學的現狀及問題

汽車被稱為是“改變世界的機器”和推進國民經濟向前發展的“發動機”，汽車產業深入涉及社會各方面領域，并帶動了鋼鐵、塑料、玻璃、器械等諸多相關聯上下游產業，汽車產業能否穩定快速的發展對于中國制造業乃至全社會經濟的平穩運行有著直接關系。我國汽車行業發展和起步時間都較晚，直到2010年國內開始普及汽車，逐年呈井噴式增長。行業的發展離不開人才，如何盡快解決國內汽車專業人才緊缺的問題迫在眉睫。

我國汽車類專業發展較晚，現開設汽車類專業教育的一類院校達到52所，二類院校200余所，而每年汽車類院校新增近20所，每年為汽車行業企業提供從業人數大約為2萬多人次，按發達國家對于汽車行業發展需要的人才儲備情況分析，我國近幾年對汽車從業人數的需求總量大約為35萬人。汽車類專業教學具有實踐性、程序性、協作性等特點。實踐性需要學生有較強的動手能力、程序性需要嚴格按照步驟進行操作、協作性需要團隊合作。據走訪了解，汽車類專業院校在日常教學和教學管理中存在些許問題：

第一、教學資源浪費

汽車類專業教學會針對不同的課程在實踐動手環節準備不同的汽車器械。大量的汽車器械不僅占用了教學場地，增加了教師管理的難度，并且較大型的器械無法做到人手一個。器械需要平時日常的維護和保養，部分零件經過長時間的拆裝會磨損、變形、老化，學生如果違規操作，很多零件當場報廢，不能投入到日后的實踐教學中，每次課程結束都有零件丟失的現象，如果無法補齊，做為廢件打入“冷宮”。院校每學期都需要盡快更替報廢的器具零件，增加了學院開支，大量的浪費不利于專業建設，學生很有機會難接觸到大型的器具，降低了教學效果。

第二、實驗過程監督

汽車拆裝需要遵循嚴格的程序步驟。教師經過理論講解和組裝示范后，學生開始進行拆裝實踐，繁瑣的拆裝過程無法保證每個學生都熟練掌握，有限的師資力量無法點對點的監督每個學生的拆裝過程，縱然教師反復提醒關鍵要點，學生在拆裝過程中也會粗心犯錯，直接導致實訓結果的差強人意。課后教師還需將零件還原，以供下批學生的使用，浪費教師大量時間。學生課后，沒有器具無法進行實踐練習，影響了學生的學習熱情。

第三、教學安全隱患

實訓過程中注意安全是每位教師在實訓課程中反復強調，違規操作是明令禁止的。但實訓過程中即使教師再保護得當，學生難免會在的實訓過程中，不小心被各類器械割傷。任課教師上課提心吊膽，生怕發生教學事故，如何在實訓過程中既安全，又高效的給學生傳達正確完整的操作演示的方法是需要迫切解決的。

第四、教學場地約束

學生需要實訓練習必須在制定的實訓教室，隨著汽車類專業生源的擴招，部分院校的實訓場地存在滯后現象。有限的實訓場地無法滿足學生的實訓訴求和教師的科研場所。汽車類專業的學生將來從業崗位大部分都是一線的操作型人才，需要大量的實戰練習增加熟練度，當務之急是如何解決師生實訓課程中教學場地約束的問題。

二.虛擬仿真在汽車類專業教學中的作用

2016年是VR元年Unity3D所實現的交互式可操作動畫。Unity3D是UnityTechnologies開發的一個讓用戶輕松創建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、時時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。

第一、教學零件成本

教學方面應用虛擬仿真技術，可以為汽車專業節約成本，減少對于器械方面的資金投放，可以將省下的資金用來增強師資力量、優化教學環境等方面的教學，同時減少學校對于實時監控教學器械的質量以及對教學器械進行采購的時間，學生也可以對于器械零件更加仔細的進行觀察，而不會因為座位距離的遠近或者投影的像素問題而造成學習上的不便。

第二、教師課堂的管理與學生知識的掌握

虛擬仿真技術的操作過程可以直接模擬呈現，遠比傳統的手動操作高效，可以節省不少找零件或應對一些突發狀況的時間，同時還能提高學生的學習興趣。通過配合教師的指導理論可以讓學生更加直觀地觀察零件的樣貌與組合，從而配合教師的教學進度，即使是在課堂上對于器械的組裝任有疑問，在課余的時間，也可以通過電腦觀看交互動畫進行即使的復習，在親自實際操作的過程中也能更加順利的進行。

第三、教學安全隱患

虛擬仿真可以讓教師一邊進行講解，一邊做動畫演示及器械零件的介紹，防止學生有時候會因為為了跟上教師的操作而手忙腳亂造成被器械零件割傷，或是導致他人受傷的狀況。

三、項目設計和項目標準

1、項目設計

第一、項目選材

本次項目經調研討論后決定選取了高校汽車類專業教學中常用的19個汽車部件，這些零件結構往往是學生難以理解，授課過程中較難闡述，具有一定的現實意義。

第二、調研學習

在調研學習階段，需要了解每種汽車部件的結構、造型、工作原理、材質屬性、拆裝順序等知識點。調研學習需翻閱大量資料，必要時需汽車專業教師親自面授。

例如：盤式制動器主要組成

A制動盤

1.制動盤直徑

制動盤直徑D應盡可能取大些，這時制動盤的有效半徑得到增加，可以降低制動鉗的夾緊力，減少襯塊的單位壓力和工作溫度。受輪輞直徑的限制，制動盤的直徑通常選擇為輪輞直徑的70%一79%。總質量大于2t的汽車應取上限。

2.制動盤厚度

制動盤厚度對制動盤質量和工作時的溫升有影響。為使質量小些，制動盤厚度不宜取得很大；為了降低溫度，制動盤厚度又不宜取得過小。制動盤可以做成實心的，或者為了散熱通風的需要在制動盤中間鑄出通風孔道。一般實心制動盤厚度可取為10—20mm，通風式制動盤厚度取為20～50mm，采用較多的是20—30mm。在高速運動下緊急制動，制動盤會形成熱變形，產生顫抖。為提高制動盤摩擦面的散熱性能，大多把制動盤做成中間空洞的通風式制動盤，這樣可使制動盤溫度降低20 %～30%。

B摩擦襯塊

摩擦襯塊是指鉗夾活塞推動擠壓在制動盤上的摩擦材料。摩擦襯塊分為摩擦材料和底板，兩者直接壓嵌在一起。

摩擦襯塊外半徑只與內半徑及推薦摩擦襯塊外半徑與內半徑的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作時襯塊的外緣與內側圓周速度相差較多，磨損不均勻，接觸面積減少，最終導致制動力矩變化大。

對于盤式制動器襯塊工作面積A，推薦根據制動襯塊單位面積占有的汽車質量在1.6～3.5（千克╱平方厘米）范圍內選用。

制動盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉動。分泵固定在制動器的底板上固定不動，制動鉗上的兩個摩擦片分別裝在制動盤的兩側，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動摩擦片壓向制動盤發生摩擦制動，動作起來就好像用鉗子鉗住旋轉中的盤子，迫使它停下來一樣。

第三、測量制圖

經歷過調研和學習階段后，正式進入項目制作階段，測量產品是第一步，項目采用了工業級的手持式激光三維掃描儀對實體模型進行測量，通過635nm的紅色激光II級光對產品進行多方位掃描，每秒2000點高精度采樣點，導入點云數據，再利用Capture模塊對掃描完成的點云進行處理，再利用Wrap模塊進行點和點之間的鏈接，形成三角網格面處理，處理過的模型可根據最后翻模的對象進行Shape模塊的NURBS曲面處理或者在Fashion模塊進行CAD曲面處理，最后達到千分之一誤差的高精度三維模型，相較于傳統測量方式，節約了大量的測量時間，做到了準確無誤。

第四、模型制作

三維模型制作階段考慮到Unity3D虛擬仿真的模型承載量，最后需要發布的平臺性能的差異，決定利用低面數的多邊形和法線貼圖的三維技術進行模型制作，單個模型的最高多邊形數不能超過10萬個多邊形，三維貼圖的大小不能超過1024*1024像素。建模的基礎在三維掃描設備生成的高精度模型上進行翻模，三維掃描生成的模型精確度較高，工業級別，但是模型面數過多，虛擬仿真平臺無法承受，動輒單個模型幾百萬面數是不是一般虛擬仿真平臺能承受的，所以翻模成符合需求的低精度模型勢在必行。

2、項目標準

第一、實驗教學項目硬件要求描述

用戶硬件配置要求（如主頻、內存、顯存、存儲容量等）

1.計算機硬件配置要求

PC端：Intel Core i7-8700K，16 GB內存DDR4內存，硬盤至少留有2 GB存儲空間，1080TI 11G/GTX1080 8G顯存的獨立顯卡。

移動客戶端：高通驍龍（Qualcomm Snapdragon）、蘋果（Apple）、海思麒麟（HiSilicon Kirin）等ARM構架雙核處理器，主頻1.6 GHz，2 GB RAM，至少保留2 GB ROM存儲空間。

2.其他計算終端硬件配置要求

Intel Xeon E3/E5四核八線程處理器×2，8 GB×2 ECC RAM，2 TB Serial Attached SCSI（SAS）10 krpm硬盤及磁盤陣列系統，千兆網絡接口，冗余電源。

用戶特殊外置硬件要求（如可穿戴設備等）

計算機特殊外置硬件要求

HTC Vive Pro專業版頭顯，智能VR眼鏡 PCVR 3D頭盔，屏幕為2個3.5英寸AMOLED顯示屏，分辨率單眼分辨率1440*1600像素，雙眼分辨率3K（2880*1600），刷新率90Hz，視場角110度，音頻輸出Hi-Res Audio人證頭戴式設備，Hi-Res Audio人證耳機（可拆卸式），支持高阻抗耳機，音頻輸入為內置麥克風，連接口為USB-C3.0，DP1.2、藍牙。

第二、實驗教學項目技術架構及主要研發技術

第三、實驗方法與步驟要求

1.實驗方法描述

用戶借助電腦、平板、智能手機、VR設備等網絡終端設備，訪問《汽車零件拆裝虛擬仿真實驗》教學系統就可對《汽車零件拆裝虛擬仿真實驗》開展在線虛擬觀摩、仿真操作學習。

2.學生交互性操作步驟說明

按照菜單提示步驟，從渦輪增壓（含6個零件，12步操作）、內平衡閥式膨脹閥機構（含9個零件，18步操作）、盤式制動器（含9個零件，18步操作）、活塞連桿組（含13個零件，26步操作）、外平衡閥式膨脹閥機構（含9個零件，18步操作）、交流發電機結構（含12個零件，24步操作）、機體組（含4個零件，8步操作）、vvt里的控制閥（含7個零件，14步操作）、配氣機構（含6個零件，12步操作）、曲軸飛輪組（含16個零件，32步操作）、柴油機噴油器（含5個零件，10步操作）、電磁離合器（含3個零件，6步操作）、搖板式壓縮機結構（含12個零件，24步操作作）、液壓助力控制閥（含5個零件，10步操作）、斜盤式壓縮機結構（含11個零件，22步操作）、鼓式制動器（含7個零件，14步操作）、啟動機結構（含6個零件，12步操作）、鎖環式同步器（含6個零件，12步操作）、柴油機高壓油泵（含27個零件，54步操作）等，完成汽車拆裝虛擬仿真實驗操作。

四、項目效果

項目考核

學生通過PC、平板、智能手機登錄《汽車零件拆裝虛擬仿真實驗》教學系統，在3D系統中，點擊“虛擬考核”模塊，完成對汽車拆裝虛擬仿真實驗流程的“規范性”、從形態上“識別”汽車部件、各零件在汽車的“空間分布位置”的考核。在線考核成績由系統自動評判。

通過在線考核，只有達到一定成績的“合格者”才能取得進入拆裝實驗室開展相關拆裝操作的資格，在線考核成績計入學生總成績。

參考文獻

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[5]黃雁鵬 仿真模擬技術在職業教育中的應用 遠程教育雜志[J]2009

（作者單位：江蘇原力動畫制作股份有限公司）