虛擬現實技術在發動機拆裝課程中的應用

楊遠滿 鄭華磊 孫凱燕

摘 要：虛擬現實技術具有多感知性、沉浸感、交互性、想象性等特點，在職業教育領域具有廣泛的應用。基于虛擬現實技術的發動機拆裝實訓衍生出近乎真實操作的新型可視化仿真教學系統，授課內容以大量翔實、生動、直觀的體驗環節為基礎，強化了學生的操作技能，改變了傳統職業技術院校的課堂教學模式和實訓模式，提高了教學質量。

關鍵詞：虛擬現實技術? 發動機拆裝? 仿真教學系統

課 題：本文系北京市技工教育和職業培訓教科研課題（課題編號：BC18-003）研究成果。

在我國技工類院校或中高職院校，發動機拆裝實訓是汽車維修、汽車制造與裝配等相關專業的必修課。目前，我國汽車類院校用于發動機拆裝實訓的多是汽油發動機，零件眾多，結構復雜。采用虛擬現實技術，可以將發動機拆裝過程構建為一個虛擬拆裝系統。在產教融合的大背景下，北京汽車技師學院與北京奔馳有限公司合作辦學，設立了奔馳定向班。奔馳班的學生在校培養的過程中注重利用虛擬現實技術進行奔馳發動機裝配的訓練，以便更快適應工作崗位。

一、虛擬發動機拆裝平臺建設背景

1.傳統發動機拆裝實訓課堂中急需解決的問題

（1）拆裝設備數量少，難以滿足學生實操需求。在實訓教學中，技工院校可操作性的設備一般數量較少，難以滿足每位學生的實操需求。以北京汽車技師學院為例，學校用于拆裝實訓的發動機有SAAB發動機40余臺，奔馳生產線上奔馳發動機20余臺。相對于汽車系參加發動機實訓的學生人數和培訓部組織的參訓社會人員的數量，發動機的數量不能滿足現實需求。

（2）拆裝設備丟失損壞率高，實訓成本較大。由于學生缺少足夠的實操技術，拆裝實訓過程中發動機零件和拆裝工具丟失損壞率高。

（3）汽油發動機結構復雜，存在裝配不符合要求的現象。為了保證汽油機的正常工作，不同零部件在拆卸和安裝的過程中還有特殊要求。例如，進氣歧管和排氣歧管的安裝需要滿足平面度的要求，在拆卸和安裝時進排氣歧管上的固定螺栓都需要分兩到三次按正確順序拆卸和安裝。在實訓前，老師會向學生詳細講解拆裝順序和拆裝注意事項，并提供拆裝任務工單，讓學生嚴格按要求拆裝，但在實際拆裝過程中仍然會出現懶現象，學生不按程序操作。所以如何讓技工類院校或中高職類院校的學生養成良好的拆裝習慣也尤為重要。

（4）拆裝過程缺少有效監控，實訓效果難以保障。部分學生為了完成老師的作業要求被動拆裝實訓，存在應付心理，積極性不高，拆裝任務有時難以有效完成。例如，分小組練習拆裝發動機汽缸蓋時，存在拆卸時有的學生不拆汽缸墊，或者在裝配時汽缸墊漏裝的問題。

2.VR技術在汽油機實訓教學中應用的可行性

汽油機的結構包括兩大機構和五大系統，分別為曲柄連桿結構和配氣結構，燃料供給系統、點火系統、冷卻系統、潤滑系統和啟動系統，整體結構復雜，零件繁多，每一結構和系統都有獨立的工作原理和不同的裝配調適方法，可以通過三維立體建模模擬操作，適合采用虛擬現實技術將發動機拆裝過程可視化、立體化、體驗化。

二、VR技術在發動機拆裝中的應用

1.VR技術在發動機拆裝實訓教學中的應用

北京汽車技師學院以奔馳M274發動機為原型，制作了發動機拆裝與檢測虛擬現實教學中心，該軟件按奔馳發動機的結構分為多個獨立的學習模塊，包括冷卻系統、進排氣系統、配氣機構、增壓系統、啟動系統、曲柄連桿機構、潤滑系統、燃油供給系統和點火系統等虛擬模塊。

學生帶上VR眼鏡，手持VR手柄，點擊奔馳M274發動機軟件后進入發動機拆裝虛擬環境。然后點擊待學習的機構或系統，進入相應的學習模塊， 觀察相關設備的具體結構，并按照設定的操作規程分步進行拆裝。我們以點火系統里的點火線圈的拆裝為例，研究虛擬現實技術在發動機拆裝中的應用。

用VR手柄點擊點火系統，在彈出的面板中選擇火花塞的拆卸，進入火花塞的拆卸場景。場景中隨即出現一個提示板，提示拆卸火花塞，同時場景中還有工具車、工具箱和工具。

學生手持VR手柄，靠近汽缸蓋，汽缸蓋上的四個火花塞其中一個會相應變成紅色，將VR手柄靠近紅色的火花塞并按下手柄，火花塞被取出。轉動VR手柄，可以觀察火花塞的各平面的結構。然后，按既定的正確順序依次取出其他各缸的火花塞，并將取出的火花塞整齊地擺放到旁邊的桌面上，提示板提示火花塞拆卸完成。

2.VR技術在發動機拆裝學生競賽中的應用

目前，北京汽車技師學院采用VR技術進行發動機拆裝已經應用于在校學生競賽中。競賽分為兩種形式，一是VR虛擬現實操作競賽，即學生使用VR虛擬現實設備，虛擬現實中的一個模塊或多個模塊為比賽內容，老師根據學生完成比賽內容用時長短來評判;二是通過虛擬現實拆裝系統中發動機的某個模塊與發動機實物某個模塊的拆裝相結合，比賽分為VR虛擬現實操作和實物拆裝操作兩部分，學生按要求進行操作并計時，老師根據學生完成任務的質量和用時長短進行評判，最終以兩項成績最優者獲勝。

三、VR技術在發動機拆裝中的應用價值

1.提升了學生學習效果，解決了教學“觀”與“摹”的問題

中高職院校或技工院校的學生喜歡VR技術帶來的全新體驗感，能激發學生的好奇心和求知欲，提高學習的興趣，增強學習效果。

老師在虛擬現實中操作演示時，學生可以通過電子屏同視角觀看老師的操作，這樣學生更容易理解和領會拆裝要領。老師操作演示完之后，會安排某位學生操作，該學生的操作過程也會被班里其他學生同視角看到。班里的所有學生都會被安排操作一遍，在這個循環往復的過程中，每一位學生都操作了一遍，旁觀了若干遍。

在VR環境下進行發動機拆裝，拆裝環境系統參照了學校的實訓場地并模擬了企業的工作環境，學生可以在虛擬操作的過程中熟悉實操環境和將來的實際工作環境。虛擬環境中除了有實操環境中配備的設施設備和拆裝工具，還配備了提示板，初學者在提示板的幫助下可以獲得很好的自學效果。學生在不同學習模塊的練習過程中，可以發現自己的薄弱部分，有的放矢地進行針對性學習和訓練，從而提高學習效果。

2.降低了實訓設備損壞率

在虛擬現實環境中很多關鍵環節的拆卸或安裝順序都是系統預先設置的。例如，汽缸蓋上的緊固螺栓、進排氣歧管上的緊固螺栓、點火系統等。學生必須按照正確的提示步驟拆卸，否則操作將無法繼續進行，在這樣的訓練模式下訓練會強化學生的規范拆裝思維和肌肉記憶，使學生在潛移默化中掌握正確的操作規程，形成良好的操作習慣，提高知識留存率，再次進行發動機拆裝時，就會大大減少因沒有掌握拆裝要領而導致的實訓設備設施損壞現象，從而可以有效降低發動機零部件的丟失和損壞率，提高實訓設備的使用效率。

3.對技工類專業具有較大的推廣價值

虛擬現實技術可廣泛適用于機械類拆裝實訓的教學，不同型號的同類機械設備基本結構類似，基于這一點，數字化資源可以在大多數技工類學校不同專業的課堂教學中適用。同時軟件資源可復制，傳播方便，還可以不斷完善升級，對提升學校的信息化教學水平和技術競爭力大有裨益。

另外，虛擬現實技術在機械設備拆裝中的應用使機械設備實物拆裝的頻率降低，相對于購置某些造價昂貴的機械設備，教學成本有一定程度降低，將虛擬現實技術與職業教育相結合具有一定的開創意義。

參考文獻：

[1]中共中央國務院.中國教育現代化2035[N].人民日報，2019-02-24.

[2]李傳昌，屠建中，劉新田.虛擬實驗在現代實踐教學中的運用[J].現代職業教育，2015（3）.

（作者單位：北京汽車技師學院）