汽車發動機原理課程虛擬仿真教學系統研究

崔麗

摘 要：汽車發動機原理課程中的發動機拆裝實訓作為一個方便學生了解發動機結構，運用發動機理論知識的具體途徑對學生學習發動機原理而言是尤為重要的。文章在對傳統的發動機拆裝實訓的不足之處進行論述的基礎上，闡述了利用虛擬仿真教學系統進行發動機拆裝的優勢，另外還對虛擬仿真教學系統需要達到的功能以及要完成相應要求需具備的模塊和系統進行研究，從而促進汽車發動機原理課程虛擬仿真教學的發展。

關鍵詞：汽車發動機原理課程 發動機拆裝實訓 虛擬仿真教學系統

Research on Virtual Simulation Teaching System of Automobile Engine Principle Course

Cui Li

Abstract：The engine disassembly and assembly training in the course of automobile engine principle is a convenient way for students to understand the engine structure， and the specific way to use engine theory knowledge is particularly important for students to learn engine principles. Based on the discussion of the shortcomings of the traditional engine disassembly and assembly training， the article explains the advantages of using the virtual simulation teaching system for engine disassembly and assembly， and the functions and requirements of the virtual simulation teaching system to be achieved. The required modules and systems are studied to promote the development of virtual simulation teaching of automobile engine principle courses.

Key words：automobile engine principle course， engine disassembly and assembly training， virtual simulation teaching system

1 引言

隨著計算機技術、人工智能技術和網絡技術的不斷發展，虛擬仿真技術作為一項多領域集成性的技術也在不斷完善，日趨成熟。虛擬仿真技術可以實現現實情景或者虛構情景的呈現，讓使用者通過視覺、聽覺或觸覺來達到與虛擬情景的交互。該技術依靠其互動性、便捷性和真實性應用于越來越多的領域，如城市規劃、數字化校園、娛樂、藝術以及工業等。在教育領域虛擬仿真技術的應用可以更好的地構建數字化校園，也可以對課程內容和教授方式產生影響，帶來革新。本文以汽車發動機原理課程為對象，研究虛擬仿真教學系統在該課程中的作用。

2 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術是通過計算機系統對現實環境或者想象事物進行構建的一種技術，通過傳感裝置來完成用戶與系統之間的交互，給用戶真實的體驗。虛擬仿真教學系統即利用虛擬仿真技術搭建以教學內容為主要框架的教學平臺，通過平臺各個功能模塊實現對應的教學任務。汽車發動機原理課程是以發動機性能為主要研究對象的一門課程。該課程介紹了汽車發動機的基本理論和結構、工作原理與工作特點、影響因素、性能指標以及發動機發展的前沿技術[1]。該課程不僅要求學生熟知發動機的基礎理論，還要求學生能將理論知識應用到實際操作中，獨立地完成對發動機的拆裝。

3 傳統發動機拆裝實訓的不足

發動機的拆裝是發動機原理課程中重要的組成部分，是學生實踐理論知識的關鍵途徑。傳統的發動機拆裝實訓主要由老師帶領學生去專門的場地利用實物來進行拆裝訓練。但是傳統的拆裝方式有很多不足。首先傳統的拆裝容易受到場地、設備和人數的制約，因為設備是有限的，所以只能將學生分組進行拆裝，而一位老師不可能事無巨細地盯著每一個小組的拆裝過程，這就導致拆裝中會存在個別學生隨意操作，糊弄了事甚至消極怠工的情況;其次汽車的發動機是汽車的核心部分，是由許多零件組成的復雜裝置，交給剛剛學完發動機原理的學生來拆裝無疑是極具難度和挑戰性的，學生可能做不到系統地、準確地完成拆裝，致使零件丟失或零件接合不當，對設備造成損傷[2]。而且學生僅僅只能在一堂課的時間內進行動手操作，由于人數和時間的限制，往往沒有多余的練習時間，無法更好地了解拆裝過程和發動機的內在結構。

4 利用虛擬仿真教學系統進行發動機拆裝的優勢

針對傳統的發動機拆裝過程的不足，虛擬仿真教學系統開始被廣泛的應用到發動機的拆裝實訓。利用虛擬仿真教學系統進行發動機拆裝，可以有效降低場地和設備成本，減少發動機在人為拆裝過程中的損耗，解決高校資源不足、設備老舊等問題[3]。其次該系統還可以提高教學的效率和質量，每位學生都可以在系統中進行自己的拆裝，從而提高其獨立學習能力，并且老師可以根據系統的反饋了解學生拆裝的進度，最后依據結果給出公正的評分。由于系統的便捷性，學生也可以在課余時間進行發動機的拆裝，通過多次練習更好地掌握書本上的理論知識。虛擬仿真教學系統采用虛擬的數據，在安全性方面要遠勝于使用實物進行拆裝，同時作為一項先進的技術和新穎的教學方式也能更好地激發學生的興趣，提高學生學習的積極性。

5 虛擬仿真教學系統的功能要求

5.1 基于理論知識的完備的零件庫

虛擬仿真教學系統要完成對于整個汽車發動機的還原，需要有完備的零件庫作為支撐。在汽車發動機原理的理論知識教授中給出的范例可能是某些基礎的、較為老舊的發動機，而在虛擬仿真系統中則需要構建多種發動機的零件庫，讓學生通過對比加深對各類零件的認識，而且系統零件庫中的模型不僅要與實際一致，在學生需要使用或者想了解某個零件時還要能顯示具體的數據。

5.2 易于上手的交互系統

利用虛擬仿真系統進行發動機拆裝時，系統與人的交互應該是簡單的、易于上手的。學習者需要能夠通過鼠標和鍵盤對顯示的零件進行多角度的旋轉和大小的縮放，以便對零件有全面的認識;同時還要能夠通過簡單的指令對零件進行拼接，完成發動機的裝配。另外，在學生拖拽過程中，零件還需有足夠的空間和自由度方便學生從各個角度和位置進行組裝。易于上手的人機交互系統能夠簡化學生在實際拆裝中要完成的操作，節省了學生的時間成本和體力成本。

5.3 完整的發動機工作過程模擬

系統在得到相應命令后要能完成對汽車發動機的運轉過程，換氣過程、燃燒過程、增壓過程以及尾氣排放和控制過程的模擬和呈現[4]。在工作過程模擬階段，學生可以按照自己需求進行暫停，方便學生細致地觀察某一階段汽車發動機運轉過程中具體零件結構的動作。另外，在一個過程模擬完成后還應當有細致的講解來為學生鞏固理論知識，幫助學生將理論知識和實際過程更好的結合起來。

5.4 提供拆裝指導和結果反饋

虛擬仿真教學系統在使用時要能給予學生適當的指導和提示，對于裝配過程中的連接應當有和現實裝配中同樣的約束關系，比如零件的位置、裝配的順序等，同樣在學生操作失誤時也要能予以提醒和糾正。在學生完成發動機的拆裝練習后，虛擬仿真系統需要給學生提供結果反饋和完成度的評價，以便于學生對于自我能力有更清晰的認識。

6 虛擬仿真教學系統的搭建

6.1 功能模塊設置

虛擬仿真教學系統擬定設置四個功能模塊：零件庫模塊、裝配模塊、反饋模塊和檢測模塊。零件庫模塊顧名思義就是存放零件模型和零件信息的模塊。通過軟件和零件的實際數據對零件進行3D模型設計，已有的標準型零件可以直接從軟件的庫里獲取，節省時間和人力。設計好的零件模型標好零件的各項數據，比如零件的名稱、長度、厚度和硬度等信息，存放于零件庫模塊中。裝配模塊是對零件進行裝配的模塊。發動機的裝配模塊主要由發動機的主體結構所決定，主要分為機軸裝配模塊、氣缸裝配模塊和整機裝配模塊。每個裝配模塊在裝配過程中都會有結構連接方式和自由度的提示，完成裝配后會有清晰的動畫演示。學生在裝配過程中可以方便簡潔地使用鼠標將零件拖動到正確位置便可完成相應結構的組裝[5]。反饋模塊是一個輔助模塊，主要功能是在學生拆裝過程中提供合理的信息幫助、及時的錯誤糾正以及拆裝過程的結果反饋，同時還具備記錄功能，可以記錄下學習者的拆裝過程，在學習者需要時提供過程回放，方便學習者自查自糾。檢測模塊是拆裝過程的延伸拓展，教師可以在檢測模塊設置實際拆裝過程中會遇到的具體問題，比如零件的磨損，連接部位老化等問題，培養學生發現問題，解決問題的能力。

6.2 平臺系統設計

虛擬仿真系統的平臺系統設計應結合發動機原理和拆裝實際過程來綜合設計。首先利用三維建模軟件對拆裝過程中需要用到的發動機零件進行建模，為零件庫模塊提供基礎的素材，之后使用3DSMAX軟件對模型進行渲染、修改、附材質等操作，令軟件模型更加接近實際零件。然后通過unity3d軟件來設計人機交互系統，依靠程序的編輯以圖像、聲音、文字等形式實現操作內容的展示[6]。隨后利用零件庫的零件模型組合出基本結構，再將基本結構拼裝成完整的發動機模型。之后對發動機模型的拼裝過程進行動畫制作，并收集對應的實際中的發動機拆裝視頻作為參考數據，通過C#腳本代碼將參考樣本賦予系統中，作為拆裝實訓前的視頻資料供學生學習借鑒。拆裝的實際操作指令仍然是依靠unity3d軟件，通過鼠標拖拽零件，將零件拖動到指定位置后進行位置判定，隨后反饋給學生操作正確或是錯誤的提示[7]。

7 結語

虛擬仿真技術作為一種利用計算機系統生成三維世界的技術，可以借助交互系統給使用者真實而新奇的體驗。隨著虛擬仿真技術被應用于越來越多的領域，教育工作者們也應該注意到該技術的優勢和特點，將技術與課程進行結合。通過上文可以看出，在發動機的拆裝實訓中，利用好虛擬仿真教學系統不僅能提高教學的效率和質量，方便學生自主學習和練習，還能激發學生學習的熱情，讓學生全方位地投入其中。

課題項目：四川信息職業技術學院2020年一般項目《汽車發動機虛擬仿真實訓系統設計與研究》（編號：2020KC10）。

參考文獻：

[1]張學敏，李金鳳，侯秀寧，劉思瑤.工程教育認證導向的發動機課程教學模式構建與實踐[J].高教學刊，2020（34）：100-103.

[2]李士明，何海龍.虛擬現實技術在發動機拆裝教學中的應用[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（11）：127-128.

[3]劉亞麗，潘玉龍，李文哲，占才棟，李錚榮，安通.虛擬仿真技術在發動機拆裝實習中的應用[J].時代汽車，2020（01）：27-28.

[4]郭烈，申國哲，楊姝，亓昌.汽車發動機原理課程虛擬仿真教學系統構建[J].實驗室科學，2016，19（05）：71-73.

[5]全宏.汽車發動機虛擬裝配學習系統的設計與實現[J].電腦編程技巧與維護，2018（03）：124-125+141.

[6]王志瓊，劉津彤，苗淼，劉廣武，楊楠.發動機拆裝實驗教學綜合平臺的研制[J].實驗室研究與探索，2019，38（11）：70-72+82.

[7]王子正.汽車發動機拆裝實訓與學習虛擬仿真系統研發[D].沈陽：沈陽大學，2017.