基于虚拟仿真技术在高校汽车类专业教学实践的探索

基于虚拟仿真技术在高校汽车类专业教学实践的探索

摘要：本文举例了虚拟现实技术在国内外发展的现状，对于我国高校汽车专业在教学实践存在的问题进行分析研究，阐述虚拟现实技术对于国内汽车专业的教学质量及学生实践能力的所产生的作用，从而论证虚拟现实技术与高校汽车专业教学紧密结合，将对于解决高校汽车专业教学的现状和问题具有重大意义。

关键词：虚拟现实技术；高校汽车专业教学；节约高效安全

一.我国高校眼下汽车专业教学的现状及问题

汽车被称为是“改变世界的机器”和推进国民经济向前发展的“发动机”，汽车产业深入涉及社会各方面领域，并带动了钢铁、塑料、玻璃、器械等诸多相关联上下游产业，汽车产业能否稳定快速的发展对于中国制造业乃至全社会经济的平稳运行有着直接关系。我国汽车行业发展和起步时间都较晚，直到2010年国内开始普及汽车，逐年呈井喷式增长。行业的发展离不开人才，如何尽快解决国内汽车专业人才紧缺的问题迫在眉睫。

我国汽车类专业发展较晚，现开设汽车类专业教育的一类院校达到52所，二类院校200余所，而每年汽车类院校新增近20所，每年为汽车行业企业提供从业人数大约为2万多人次，按发达国家对于汽车行业发展需要的人才储备情况分析，我国近几年对汽车从业人数的需求总量大约为35万人。汽车类专业教学具有实践性、程序性、协作性等特点。实践性需要学生有较强的动手能力、程序性需要严格按照步骤进行操作、协作性需要团队合作。据走访了解，汽车类专业院校在日常教学和教学管理中存在些许问题：

第一、教学资源浪费

汽车类专业教学会针对不同的课程在实践动手环节准备不同的汽车器械。大量的汽车器械不仅占用了教学场地，增加了教师管理的难度，并且较大型的器械无法做到人手一个。器械需要平时日常的维护和保养，部分零件经过长时间的拆装会磨损、变形、老化，学生如果违规操作，很多零件当场报废，不能投入到日后的实践教学中，每次课程结束都有零件丢失的现象，如果无法补齐，做为废件打入“冷宫”。院校每学期都需要尽快更替报废的器具零件，增加了学院开支，大量的浪费不利于专业建设，学生很有机会难接触到大型的器具，降低了教学效果。

第二、实验过程监督

汽车拆装需要遵循严格的程序步骤。教师经过理论讲解和组装示范后，学生开始进行拆装实践，繁琐的拆装过程无法保证每个学生都熟练掌握，有限的师资力量无法点对点的监督每个学生的拆装过程，縱然教师反复提醒关键要点，学生在拆装过程中也会粗心犯错，直接导致实训结果的差强人意。课后教师还需将零件还原，以供下批学生的使用，浪费教师大量时间。学生课后，没有器具无法进

行实践练习，影响了学生的学习热情。

第三、教学安全隐患

实训过程中注意安全是每位教师在实训课程中反复强调，违规操作是明令禁止的。但实训过程中即使教师再保护得当，学生难免会在的实训过程中，不小心被各类器械割伤。任课教师上课提心吊胆，生怕发生教学事故，如何在实训过程中既安全，又高效的给学生传达正确完整的操作演示的方法是需要迫切解决的。

第四、教学场地约束

学生需要实训练习必须在制定的实训教室，随着汽车类专业生源的扩招，部分院校的实训场地存在滞后现象。有限的实训场地无法满足学生的实训诉求和教师的科研场所。汽车类专业的学生将来从业岗位大部分都是一线的操作型人才，需要大量的实战练习增加熟练度，当务之急是如何解决师生实训课程中教学场地约束的问题。

二.虚拟仿真在汽车类专业教学中的作用

2016年是VR元年Unity3D所实现的交互式可操作动画。Unity3D是UnityTechnologies开发的一个让用户轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、时时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

第一、教学零件成本

教学方面应用虚拟仿真技术，可以为汽车专业节约成本，减少对于器械方面的资金投放，可以将省下的资金用来增强师资力量、优化教学环境等方面的教学，同时减少学校对于实时监控教学器械的质量以及对教学器械进行采购的时间，学生也可以对于器械零件更加仔细的进行观察，而不会因为座位距离的远近或者投影的像素问题而造成学习上的不便。

第二、教师课堂的管理与学生知识的掌握

虚拟仿真技术的操作过程可以直接模拟呈现，远比传统的手动操作高效，可以节省不少找零件或应对一些突发状况的时间，同时还能提高学生的学习兴趣。通过配合教师的指导理论可以让学生更加直观地观察零件的样貌与组合，从而配合教师的教学进度，即使是在课堂上对于器械的组装任有疑问，在课余的时间，也可以通过电脑观看交互动画进行即使的复习，在亲自实际操作的过程中也能更加顺利的进行。

第三、教学安全隐患

虚拟仿真可以让教师一边进行讲解，一边做动画演示及器械零件的介绍，防

止学生有时候会因为为了跟上教师的操作而手忙脚乱造成被器械零件割伤，或是导致他人受伤的状况。

三、项目设计和项目标准

1、项目设计

第一、项目选材

本次项目经调研讨论后决定选取了高校汽车类专业教学中常用的19个汽车部件，这些零件结构往往是学生难以理解，授课过程中较难阐述，具有一定的现实意义。

第二、调研学习

在调研学习阶段，需要了解每种汽车部件的结构、造型、工作原理、材质属性、拆装顺序等知识点。调研学习需翻阅大量资料，必要时需汽车专业教师亲自面授。

例如：盘式制动器主要组成

A制动盘

1.制动盘直径

制动盘直径D应尽可能取大些，这时制动盘的有效半径得到增加，可以降低制动钳的夹紧力，减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的直径通常选择为轮辋直径的70%一79%。总质量大于2t的汽车应取上限。

2.制动盘厚度

制动盘厚度对制动盘质量和工作时的温升有影响。为使质量小些，制动盘厚度不宜取得很大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心的，或者为了散热通风的需要在制动盘中间铸出通风孔道。一般实心制动盘厚度可取为10—20mm，通风式制动盘厚度取为20～50mm，采用较多的是20—30mm。在高速运动下紧急制动，制动盘会形成热变形，产生颤抖。为提高制动盘摩擦面的散热性能，大多把制动盘做成中间空洞的通风式制动盘，这样可使制动盘温度降低20 %～30%。

B摩擦衬块

摩擦衬块是指钳夹活塞推动挤压在制动盘上的摩擦材料。摩擦衬块分为摩擦材料和底板，两者直接压嵌在一起。

摩擦衬块外半径只与内半径及推荐摩擦衬块外半径与内半径的比值不大于1.5。若此比值偏大，工作时衬块的外缘与内侧圆周速度相差较多，磨损不均匀，接触面积减少，最终导致制动力矩变化大。

对于盘式制动器衬块工作面积A，推荐根据制动衬块单位面积占有的汽车质量在1.6～3.5（千克╱平方厘米）范围内选用。

制动盘用合金钢制造并固定在车轮上，随车轮转动。分泵固定在制动器的底板上固定不动，制动钳上的两个摩擦片分别装在制动盘的两侧，分泵的活塞受油管输送来的液压作用，推动摩擦片压向制动盘发生摩擦制动，动作起来就好像用钳子钳住旋转中的盘子，迫使它停下来一样。

第三、测量制图

经历过调研和学习阶段后，正式进入项目制作阶段，测量产品是第一步，项目采用了工业级的手持式激光三维扫描仪对实体模型进行测量，通过635nm的红色激光II级光对产品进行多方位扫描，每秒2000点高精度采样点，导入点云数据，再利用Capture模块对扫描完成的点云进行处理，再利用Wrap模块进行点和点之间的链接，形成三角网格面处理，处理过的模型可根据最后翻模的对象进行Shape模块的NURBS曲面处理或者在Fashion模块进行CAD曲面处理，最后达到千分之一误差的高精度三维模型，相较于传统测量方式，节约了大量的测量时间，做到了准确无误。

第四、模型制作

三维模型制作阶段考虑到Unity3D虚拟仿真的模型承载量，最后需要发布的平台性能的差异，决定利用低面数的多边形和法线贴图的三维技术进行模型制作，单个模型的最高多边形数不能超过10万个多边形，三维贴图的大小不能超过1024*1024像素。建模的基础在三维扫描设备生成的高精度模型上进行翻模，三维扫描生成的模型精确度较高，工业级别，但是模型面数过多，虚拟仿真平台无法承受，动辄单个模型几百万面数是不是一般虚拟仿真平台能承受的，所以翻模成符合需求的低精度模型势在必行。

2、项目标准

第一、实验教学项目硬件要求描述

用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等）

1.计算机硬件配置要求

PC端：Intel Core i7-8700K，16 GB内存DDR4内存，硬盘至少留有2 GB存储空间，1080TI 11G/GTX1080 8G显存的独立显卡。

移动客户端：高通骁龙（Qualcomm Snapdragon）、苹果（Apple）、海思麒麟（HiSilicon Kirin）等ARM构架双核处理器，主频1.6 GHz，2 GB RAM，至少保留2 GB ROM存储空间。

2.其他计算终端硬件配置要求

Intel Xeon E3/E5四核八线程处理器×2，8 GB×2 ECC RAM，2 TB Serial Attached SCSI（SAS）10 krpm硬盘及磁盘阵列系统，千兆网络接口，冗余电源。

用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等）

计算机特殊外置硬件要求

HTC Vive Pro专业版头显，智能VR眼镜 PCVR 3D头盔，屏幕为2个3.5英寸AMOLED显示屏，分辨率单眼分辨率1440*1600像素，双眼分辨率3K（2880*1600），刷新率90Hz，视场角110度，音频输出Hi-Res Audio人证头戴式设备，Hi-Res Audio人证耳机（可拆卸式），支持高阻抗耳机，音频输入为内置麦克风，连接口为USB-C3.0，DP1.2、蓝牙。

第二、实验教学项目技术架构及主要研发技术

第三、实验方法与步骤要求

1.实验方法描述

用户借助电脑、平板、智能手机、VR设备等网络终端设备，访问《汽车零件拆装虚拟仿真实验》教学系统就可对《汽车零件拆装虚拟仿真实验》开展在线虚拟观摩、仿真操作学习。

2.学生交互性操作步骤说明

按照菜单提示步骤，从涡轮增压（含6个零件，12步操作）、内平衡阀式膨胀阀机构（含9个零件，18步操作）、盘式制动器（含9个零件，18步操作）、活塞连杆组（含13个零件，26步操作）、外平衡阀式膨胀阀机构（含9个零件，18步操作）、交流发电机结构（含12个零件，24步操作）、机体组（含4个零件，8步操作）、vvt里的控制阀（含7个零件，14步操作）、配气机构（含6个零件，12步操作）、曲轴飞轮组（含16个零件，32步操作）、柴油机喷油器（含5個零件，10步操作）、电磁离合器（含3个零件，6步操作）、摇板式压缩机结构（含12个零件，24步操作作）、液压助力控制阀（含5个零件，10步操作）、斜盘式压缩机结构（含11个零件，22步操作）、鼓式制动器（含7个零件，14步操作）、启动机结构（含6个零件，12步操作）、锁环式同步器（含6个零件，12步操作）、柴油机高压油泵（含27个零件，54步操作）等，完成汽车拆装虚拟仿真实验操作。

四、项目效果

项目考核

学生通过PC、平板、智能手机登录《汽车零件拆装虚拟仿真实验》教学系统，在3D系统中，点击“虚拟考核”模块，完成对汽车拆装虚拟仿真实验流程的“规范性”、从形态上“识别”汽车部件、各零件在汽车的“空间分布位置”的考核。在线考核成绩由系统自动评判。

通过在线考核，只有达到一定成绩的“合格者”才能取得进入拆装实验室开展相关拆装操作的资格，在线考核成绩计入学生总成绩。

参考文献

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