基于VR技術(shù)的汽車構(gòu)造實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

王迎輝 盧振生 王九龍 張 巖

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061）

從汽車服務(wù)工程專業(yè)的強應(yīng)用角度出發(fā)，以具有理論應(yīng)用能力、實踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，適應(yīng)汽車服務(wù)發(fā)展需要，能夠在汽車運用保障服務(wù)、汽車金融保險服務(wù)、汽車專業(yè)技術(shù)服務(wù)等領(lǐng)域中致力于技術(shù)或管理工作方面的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標為出發(fā)點，結(jié)合汽車構(gòu)造實驗在專業(yè)教學(xué)中的實際地位，傳統(tǒng)教學(xué)方式難以滿足學(xué)生探究性、綜合性和設(shè)計性以及線上線下的學(xué)習(xí)要求，因此深入探究與分析虛擬現(xiàn)實（VR,VirtualReality）技術(shù)在汽車構(gòu)造實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略顯得非常重要。

一、VR技術(shù)在汽車構(gòu)造實驗教學(xué)中的優(yōu)勢分析

虛擬現(xiàn)實，也可稱作虛擬仿真，隨著VR技術(shù)的迅速發(fā)展，在教育部對虛擬仿真實驗室的支持下，我校不斷鼓勵各專業(yè)建立虛擬仿真實驗教學(xué)項目，VR技術(shù)是采用三維幾何模型、音頻播放及其它專業(yè)的外圍設(shè)備，通過計算機生成三維空間上的交互式動態(tài)視景[1]，其在1989年被美國VPL公司正式提出，并于1992年正式成立第一個虛擬現(xiàn)實技術(shù)與仿真實驗室[2]。如今，我國已有多個科研機構(gòu)與高等院校對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行深入研究和運用，北京航天航空大學(xué)對分布式飛行模擬仿真方面的應(yīng)用進行了深入研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)側(cè)重于人機交互上的成果，安徽大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校都對VR技術(shù)方面進行了相關(guān)的科學(xué)研究，其主要研究均集中于公共課虛擬現(xiàn)實實驗的實現(xiàn)方法，在汽車構(gòu)造實驗教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)設(shè)計理論研究方面關(guān)注較少[3]。

二、基于VR技術(shù)的汽車構(gòu)造實驗教學(xué)設(shè)計策略

依據(jù)傳統(tǒng)的建構(gòu)主義原理可知，學(xué)生收獲文化知識不是依靠教師的傳授，而是學(xué)生在一系列復(fù)雜的社會及文化背景下，即通過教師與同伴的協(xié)助，借助有效的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方法獲得相應(yīng)的知識與能力。而VR技術(shù)的特性有利于實現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論中的四要素，即“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”，其中情境對于汽車構(gòu)造實驗的學(xué)習(xí)非常重要，汽車由上數(shù)以萬計的零部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不同系統(tǒng)工作原理各不相同，且在工作上存在較為復(fù)雜的連帶關(guān)系[4]，為此如何運用VR技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)有效的教學(xué)情境顯得尤為重要。

為實現(xiàn)情境的真實性，在情境設(shè)計中需規(guī)范情境所包含的知識，體現(xiàn)出知識在現(xiàn)實中的運用，VR技術(shù)由于其具有真實的存在感和良好的交互特性，再結(jié)合三維動畫技術(shù)，學(xué)生既可以在虛擬學(xué)習(xí)情境中進行探究、訓(xùn)練和體驗，還可以通過與機器的互動加深對知識的應(yīng)用理解[5]。認知心理學(xué)將知識分為陳述性和程序性兩類，對汽車構(gòu)造實驗課程而言，其大量內(nèi)容為陳述性知識，對于VR中視覺表征擬真程度要求較高，因此在現(xiàn)實的教學(xué)中應(yīng)遵循科學(xué)規(guī)律因素，即應(yīng)該合理運用物理引擎，真實清楚地模擬現(xiàn)實中的客觀規(guī)律，從而準確地把知識在真實中運用的方式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者[5]。基于以上對VR技術(shù)與教學(xué)方法的研究，本文所設(shè)計的教學(xué)策略如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實教學(xué)策略設(shè)計

三、VR技術(shù)在汽車構(gòu)造實驗中的應(yīng)用與開發(fā)

為滿足學(xué)生對汽車構(gòu)造實驗的學(xué)習(xí)要求，結(jié)合本文所設(shè)計的教學(xué)策略，汽車構(gòu)造虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)應(yīng)包括汽車虛擬零部件拆裝實訓(xùn)系統(tǒng)、汽車虛擬總成拆裝實訓(xùn)系統(tǒng)與整車仿真實驗系統(tǒng)，其中整車仿真實驗系統(tǒng)讓學(xué)生了解整部汽車主要組成部分和各個系統(tǒng)的整體構(gòu)造與功能；汽車虛擬零部件拆裝實訓(xùn)系統(tǒng)和汽車虛擬總成拆裝實訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用型高校實驗教學(xué)的特點，綏化學(xué)院汽車服務(wù)工程專業(yè)所搭建的虛擬拆裝軟件可以模擬不同車型的拆裝實訓(xùn)場景，并配有與4S店工作車間完全吻合的實訓(xùn)中心，對車間實訓(xùn)場景圖像可進行 360 度旋轉(zhuǎn)，如圖2所示為虛擬實訓(xùn)中心場景，學(xué)生可以通過鼠標拖曳或觸屏點擊操作與實驗系統(tǒng)進行實時交互；學(xué)生還可以選擇對總成的零部件進行拆解，同時選擇不同的拆裝工具，按照維修裝配手冊中的規(guī)范步驟對發(fā)動機進行相應(yīng)地拆裝操作，在實訓(xùn)系統(tǒng)中會相應(yīng)的顯示操作失誤的緣由，在最終的實訓(xùn)考核系統(tǒng)中完成專業(yè)化與合理化的打分。

圖2 虛擬實訓(xùn)中心場景

基于對汽車構(gòu)造實驗的教學(xué)方案與策略設(shè)計，本文開發(fā)了“汽車構(gòu)造實驗”三維虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)資源，主要經(jīng)過以下流程如圖3所示。

圖3 三維虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)資源開發(fā)流程

將SolidWorks三維繪圖軟件生成的幾何零件模型導(dǎo)入3DMAX軟件后，其網(wǎng)格模式為NURBS形式，當存在部分的曲面出現(xiàn)法線方向反轉(zhuǎn)時，可手動調(diào)整曲面的反轉(zhuǎn)方向，使所有曲面的法線保持向外。在SolidWorks三維繪圖軟件中，使用材質(zhì)編輯器對模型的材質(zhì)進行設(shè)置，可以實現(xiàn)金屬零件的質(zhì)感，同時SolidWorks三維繪圖軟件可實現(xiàn)動畫演示，最終將三維動畫模擬仿真軟件導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎中，并定義模型對象的邏輯信息和用戶的交互舉措，其中捷達轎車的人機交互如圖4～6所示。

圖4 捷達轎車零部件與總成概覽的人機交互

圖5 捷達轎車拆裝演示的人機交互

圖6 捷達轎車拆裝考核的人機交互

通過虛擬仿真實訓(xùn)，學(xué)生們可以更好地發(fā)揮其主觀能動性，能夠更好地符合教學(xué)中的學(xué)生主觀特性的需求，從而實現(xiàn)校內(nèi)課程實訓(xùn)與人才需求企業(yè)實際生產(chǎn)之間的統(tǒng)一。基于VR技術(shù)的虛擬仿真實訓(xùn)環(huán)境，可以不斷更新教學(xué)內(nèi)容以滿足各類教學(xué)需求。虛擬仿真實訓(xùn)也更為安全，在避免學(xué)生們危險操作的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)訓(xùn)練，進而大幅地提高學(xué)生的實踐操作技能。

四、結(jié)論

學(xué)生是課堂教學(xué)的核心，在教學(xué)中一方面要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，另一方面不斷更新和改進教學(xué)方法，VR技術(shù)在應(yīng)用型本科院校的汽車構(gòu)造實驗中應(yīng)用，可迅速激發(fā)學(xué)生對本門課的學(xué)習(xí)興趣，同時在一定限度內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，最終達到提升汽車構(gòu)造實驗課教學(xué)質(zhì)量的目標，在VR技術(shù)的協(xié)助下，學(xué)生可在豐富的線上資源里將理論知識與實際操作相結(jié)合，進而增強學(xué)生線下的實踐操作與動手能力。依據(jù)十九屆四中全會對教育的指示精神，VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用可滿足學(xué)生的終身學(xué)習(xí)需求，使學(xué)生能夠在多學(xué)科背景下的團隊中理解個人、團隊和負責(zé)人的角色內(nèi)涵，并且可承擔(dān)個體、團隊成員和負責(zé)人等角色的相關(guān)工作；具有較為開闊的國際視野和跨文化交際的能力；因此，本文所研究的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在汽車構(gòu)造實驗課程中的廣泛應(yīng)用，不僅可以在一定程度上提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，而且該技術(shù)值得在汽車服務(wù)工程專業(yè)其它實驗教學(xué)領(lǐng)域進行深入研究。