虛擬仿真教學環境的混合式學習探索與實踐
——以“汽車構造”課程為例

鄭彬

（攀枝花學院交通與汽車工程學院，四川 攀枝花 617000）

前言

針對強化應用型人才能力培養，以車輛工程專業的汽車構造課程為出發點，其人才培養的目標是培養出面向生產、設計和管理等需要的高端應用型人才。面向的工作崗位主要有汽車產品及零部件的設計、制造、裝配、操作和調試等，車輛工程行業范圍較大，所涉及的產品種類繁多，需要學生掌握很多技能。采用傳統教學方法，學生難以較好地掌握汽車構造的眾多知識點，因此需探索新的教學方法。

郭烈[1]在汽車發動機原理課程中，結合虛擬現實技術、網絡通信技術和現代教育技術開發了一套虛擬仿真教學系統，實現了課堂與現場的有機融合、可視化環境下的師生互動，增加學生主動參與和實踐動手的機會，有效提高教學效果。業紅玲[2]針對應用型本科院校對人才培養的要求，考慮到汽車構造教學過程中的不足，采用虛擬仿真技術設計汽車構造課程教學系統，為學生提供課堂教學資源，有效地提高課堂教學質量。張忠洋[3]根據新能源車輛工程專業重視學生的能力培養，運用虛擬仿真技術使學生深刻掌握理論和實踐操作知識。本文以攀枝花學院車輛工程專業汽車構造課程教學存在的問題為出發點，詳細介紹了虛擬仿真教學環境的混合式學習模式的優點及實踐方法，以提高車輛工程專業學生的培養質量。

1 汽車構造課程教學現狀

汽車構造是車輛工程的重要基礎課程之一，學生對汽車構造課程的掌握及理解程度，將直接影響后續專業課程的學習，如汽車理論、汽車動力裝置和汽車數字化開發技術等[4]。汽車構造課程主要講解汽車零部件結構和工作原理，所涉及的課程內容多而且廣泛。采用傳統的教學方法對汽車構造進行課堂講解，學生難以較好地掌握該課程的知識，因此需探索新的教學方法。

汽車構造課程具有以下特點。

（1）課程知識點多、內容廣泛。車輛工程專業的汽車構造分為汽車構造1和汽車構造2，其中汽車構造1主要包括發動機工作原理、兩大機構和五大系統；汽車構造2為汽車底盤的四大系統。因此，汽車構造課程的知識點多、內容非常廣泛。

（2）工作原理各不相同。汽車構造1中的曲柄連桿機構和配氣機構的工作原理分別為機械原理中的四桿機構和凸輪機構。汽車構造2中的傳動系、行駛系、轉向系和制動系又分別為機械原理中的輪系、差動輪系、蝸輪蝸桿機構和凸輪機構。各系統的組成和工作原理差異很大，增加了課程的學習難度。

（3）零部件繁多、結構復雜。一輛汽車是由成千上萬個零部件組成，而每個零部件又具有不同外形尺寸和功能，因此導致系統結構復雜。以發動機的配氣機構為例，主要包括凸輪軸、氣缸蓋、氣門、搖臂、推桿和挺柱等部件組成；又如發動機潤滑系統主要包括機油泵、集濾器、油底殼、機油濾清器和溢流閥等部件[5]。

2 虛擬仿真教學在汽車構造課程中的探索

虛擬仿真是指借助于計算機軟件技術，建立專業課程的各類三維模型、運動仿真視頻，讓學生在虛擬的情境下進行探究和學習。虛擬仿真可以和其他先進教學方法相結合，因此在車輛工程類課程的教學中，將虛擬仿真教學與其他教學方法相結合有助于提高課程教學效果，而且成本低、效率高，使學生可以不受場地與設備的限制，掌握更多的技能，在車輛工程類課程的教學中具有重要的意義。

虛擬仿真教學有利于提高學生興趣，使學生在較短時間內進入相應情境，真實的體驗在現實生活中進行操作的感覺，以達到更快掌握操作技能的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優勢創造出多種動畫、視頻等，使學生掌握更多的操作技能。如汽車構造實踐課程針對不同汽車零部件需要不同的實驗設備與實驗場地，而且實踐課程必須在實驗室進行。當采用虛擬仿真技術后，只需在計算機機房中安裝相應的軟件，學生即可進行相關實驗。

基于車輛工程專業教學中的實際情況，探索出一系列切實可行的計算機虛擬仿真教學方案。通過調研，建立虛擬仿真教學模式，對汽車構造課程的調查與分析，尋找合適的三維建模及運動仿真軟件，建立課程中重要零部件的動畫、視頻。制定具體的教學方案，通過理論分析和實際的課堂教學，探索出虛擬仿真在專業課程中的最佳應用辦法。

因此，基于虛擬仿真技術，針對汽車構造教材中較難理解內容，如汽車曲軸、連桿和制動系統等，以常見車型為基礎，在測繪的基礎上，建立各自的三維模型并進行虛擬裝配和運動仿真。同時，在三維模型的基礎上，培養學生建立二維工程圖，以提高學生動手能力與實踐能力。采用虛擬仿真教學方法，相對傳統教學，有以下優勢。

（1）將虛擬仿真技術與課堂教學更加緊密的結合起來，可較好地實現“教、學、做”一體化，改善現有課堂教學條件、提高課堂教學效果的同時減少設備消耗，尤其是耗材的使用量。以鼓式制動器為例，通過SolidWorks建模軟件平臺，建立三維模型并進行裝配，如圖1所示。

圖1 鼓式制動器三維模型

同時，也可以通過建模軟件平臺對裝配后的鼓式制動器進行分解，以使學生更清楚的理解制動鼓、摩擦襯片、制動蹄和制動底板等各零部件之間的相對位置及運動方式，如圖2所示。

（2）通過虛擬仿真，將教材上難以掌握的功能部件的工作原理、運動方式以三維動畫方式進行講解，使學生更容易接受。以汽車發動機為例，將發動機的各主要零部件建立三維模型并裝配后，可通過“運動算例”對其進行運行仿真如圖3所示。

圖2 鼓式制動器三維模型爆炸圖

圖3 汽車發動機運動仿真模型

3 混合式教學在汽車構造課程中的實踐

混合式學習是指學生在“適當的”時間，通過“適當”的學習方法及手段與“學習”風格相吻合，從而獲得最優化的學習效果的學習方式。我國于2003年引入“混合式教學”，經過十余年的發展，當前已經成為高校各類教學研究與教學改革的重要課題。

根據混合式學習的特點，攀枝花學院交通與汽車工程學院針對車輛工程專業的汽車構造課程開展了混合式教學課程建設。汽車構造屬于車輛工程專業的基礎課程，主要包括汽車發動機及底盤兩大部分。而針對某些系統結構及工作原理，如對稱式錐齒輪差速器的組成較復雜且工作原理相對抽象，在傳統有限的教學時間內可能達不到預期的教學目標。因此可通過混合式學習方法，讓學生利用“碎片時間”，如課間休息、排隊候車時通過混合式學習平臺對相關教學視頻、虛擬仿真動畫、微課、教學PPT等資源進行自主學習。一方面，學生可通過混合式學習平臺對課堂上的教學難點或重點進行多次、重復性學習直至掌握該教學難點或重點；另一方面，通過在混合式學習平臺上共享汽車零部件的三維模型、運動仿真視頻以提高學生對該課程的學習興趣，掌握在傳統課堂上難以理解的工作原理或運動方式，加強相關教學知識點的理解與掌握。

目前，《汽車構造》混合式學習平臺主要包括以下四大模塊：

（1）單元學習。以模塊化方式進行學習，如：發動機的基本知識模塊、曲柄連桿機構模塊、配氣機構模塊、燃料供給系統模塊、冷卻模塊、潤滑模塊、傳動系統模塊、行駛系統模塊、轉向系統模塊和制動系統模塊等。而每一模塊內又包括：學習反思、分享、在線測試、課后自測和作業等子模塊。

（2）課程資源。該模塊主要以教學PPT為主，但該模塊的PPT比課堂教學時的PPT內容更豐富。能夠引導學生有興趣有信心有效率的自主學習汽車構造的相關章節內容。

（3）課程活動。課程活動模塊下設答疑討論、播課單元、課程問卷、常見問題、研究型教學和試題試卷庫等模塊。

（4）課后實踐。課后實踐模塊主要包括兩個子模塊：根據實踐教學對理論知識進行拓展與延伸；教師依據教學進度設置相關教學模塊的探究性實踐任務，如制動系統的發展新技術，如盤式與鼓式制動器相結合的盤鼓制動器等，通過課后實踐模塊，再次拓展學生對相關章節內容的自主學習。

4 結論

學生是課堂的主體，在教學過程中更應該考慮學生的學習需求，根據學生的反饋不斷改進教學方法。本文通過將虛擬仿真教學、混合式學習與應用型人才能力等相結合，設計最合適的教學情境，在最大化的節約教學硬件設備的基礎上，將虛擬仿真與課堂教學有機結合，建立更多汽車構造的教學動畫及視頻，以激發學生的學習興趣。