汽车发动机理实一体化虚拟教学系统的设计与开发*

◆梁甜 石连栓 申荣卫

汽车发动机理实一体化虚拟教学系统的设计与开发*

◆梁甜 石连栓 申荣卫

针对虚拟仿真教学平台在汽修理实一体化实际教学应用中存在的与实际教学、实训室设备型号不匹配的问题，基于项目化教学理念和岗位工作过程，运用Unity3D引擎构建与理实一体化教学、实训、设备型号匹配的虚拟教学系统，旨在弥补实际教学中软硬件资源的不足，更好地发挥理实一体化教学模式的优势，培养高素质人才。以大众1.4TSI发动机为例，详细阐述基于工作过程的汽车发动机理实一体化虚拟教学系统的构建过程。

虚拟仿真教学；理实一体化；Unity3D引擎

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.036

1 前言

职业教育主要是为企业培养技能型人才，培养学生在实际工作中解决问题的能力［1］。我国职业院校汽修专业传统的教学模式是理论教学在教室内进行，实训教学在实训室内进行，课程实训集中在理论教学结束后进行。这就使学生学习困难，不能即学即练，将理论应用于实践，影响技能型人才的培养。“基于工作过程的理实一体化”教学模式，突破以往理论与实训、教学与工作相脱节的现象，在教学环节将理论和实践交替进行，重视学生动手能力和专业技能的培养，充分调动和激发学生的学习兴趣［2］。

由于汽车品牌型号多样、实训设备昂贵，在汽修专业理实一体化教学实施中，存在学生多、设备少、教学资源不足、教学过程不规范的问题，使学生很难掌握器械内部结构与实际检修过程。伴随着计算机技术的发展，利用计算机进行辅助教学已经逐步进入课堂教学领域［3］。通过计算机虚拟仿真再现实际工作情境，辅助理实一体化教学，将弥补软硬件的配置不足，提升教学质量。

针对上述问题，开发满足职业院校汽修专业理实一体化实际教学需求的虚拟教学系统，将弥补软硬件配置不足，提高教学质量，促进学生就业。由于发动机是汽车的核心部件，发动机构造与检修又是汽修专业的基础核心课程，因此，本研究在充分调研汽修理实一体化教学需求的基础上，结合众多汽车维修和虚拟现实技术研究成果，设计并构建发动机理实一体化虚拟教学系统。充分发挥教育技术学学科优势，将计算机技术与先进教育理念应用于汽修专业实际教学，优化并解决了教育教学的实际问题。

图1 理实一体化教室设计

2 基于工作过程的理实一体化虚拟教学系统的总体设计（以大众1.4TSI发动机为例）

大众汽车公司的1.4TSI汽油发动机，采用先进的涡轮增压和分层直喷技术；涡轮增压技术利用发动机排出的废气将进气进行压缩，分层直喷技术促进汽缸内的压缩空气与燃料喷雾充分混合，使燃烧更充分［4］。学习掌握典型的先进的汽油发动机工作原理以及检修技术，将为学生以后从事汽修工作打下坚实的基础。

支持虚拟教学的理实一体化教室设计 支持虚拟教学的理实一体化教室，在传统的一体化教室中添加电脑，安装虚拟教学软件，可以发挥两方面的作用。

1）理论讲解阶段：教师可以借助电脑以及配套的虚拟教学软件在屏幕上呈现发动机部件的结构、工作过程以及项目操作过程等，辅助教师上课，易于学生理解、观察，增强教学效果。

2）项目实施阶段：将学生分为虚拟操作和实际操作两组，借助虚拟教学软件与实际设备的交替使用，从而缓解实训设备的不足，使教学工作得以有效开展，提升学生的职业技能水平。

大众1.4TSI发动机理实一体化虚拟教学系统功能设计理实一体化虚拟教学系统以项目化教学内容为基础，利用Photoshop、Flash、3ds Max、Unity3D等软件进行开发，构建出一个具有界面信息显示、结构教学、原理教学、实训演示、自主练习、实训考核、教学评价分析等功能的虚拟教学系统。该系统功能模块如图2所示。

1）界面信息显示功能模块。界面信息显示功能模块主要实现系统介绍、系统设置、帮助说明、教学项目、教学任务、实训模式等信息的显示。该模块可对实训工具、教学项目、操作步骤、操作时间等信息进行动态显示、存放及提取。学习者可以根据不同的信息做出相应的操作，实现虚拟交互。

2）知识准备功能模块。知识准备功能模块主要包含结构教学、原理教学两个部分，在理论教学阶段发挥其重要作用。教师可以借助虚拟系统的发动机零部件直观展示出其结构与工作原理，使原本不易理解的理论知识以直观、生动、形象的方式呈现出来，激发学生的学习兴趣，从而增强学习效果。

3）项目实施功能模块。项目实施功能模块主要包含操作演示、自主练习、操作考核三个部分，在实训教学阶段发挥其重要作用。学生可以通过虚拟软件熟悉标准的施工流程后，再进行实际操作，将会提高施工操作的规范性与正确性，降低因经验不足造成对设备的损坏度。

4）教学评价分析功能模块。教学评价分析功能模块主要包含实施分析和技能测评两个部分，旨在辅助教师在课堂教学评估阶段对学生的课堂学习进行合理的评价。

3 大众1.4TSI发动机理实一体化虚拟教学系统的实现

该研究主要通过三维扫描以及3ds Max建模软件构建实训工具、发动机总成以及虚拟实训场景模型，应用iTween插件控制物体运动，通过Unity3D引擎实现三维场景及发动机总成的交互和渲染。

建立大众1.4TSI发动机模型资源库 为了保证1.4TSI建模的精准度，本研究采用三维扫描仪对发动机零部件进行数据采集，并通过三维建模软件来构建发动机的模型资源库。大众1.4TSI发动机三维模型开发流程图如图3所示。

三维扫描与数字化模型开发是虚拟教学系统开发过程中的重要环节，开发的模型将直接影响到后期的交互以及用户体验。本研究主要采用编辑多边形的建模方式来制作发动机实训部件、操作工具以及实训室场景的模型，并利用法线贴图技术［5］，通过将高精度的模型烘焙到优化后的低模上，进而呈现逼真的效果，大大降低模型的面数，减少资源的消耗。

交互实现

1）发动机控制。用户进入虚拟场景，使用鼠标左键点击拖拽控制摄像机旋转，鼠标滚轮控制摄像机距离发动机的远近，鼠标左键双击控制发动机零部件的显示/隐藏，通过Input.GetAxis（″Mouse X/Mouse Y″）获取鼠标的改变量，通过Input.GetAxis（″Mouse ScrollWheel″）获取鼠标滚轮的改变量，对发动机进行远近距离观察，定义旋转速度并通过Quaternion.Euler（y，x，0.0f）控制目标物体的旋转，定义位移速度并通过Transform.positon来控制目标物体的位置，同时通过Mathf.Clamp（）方法设置最远和最近观察距离，使得发动机的位置在可控范围内；通过Shader.Find（″Transparent/Diffuse″）方法改变发动机零部件的着色器设置，使用户能够通过显示/隐藏部分发动机零部件来观察其内部结构。

图3 1.4TSI发动机三维模型资源库构建流程

2）发动机零部件的动画控制与碰撞检测。用户进入虚拟教学系统的项目实施场景，演示部分主要采用Animator动画控制技术，通过Animator.SetInteger（）方法来实现摄像机的不同动画状态的控制，通过Animator组件的enabled属性实现发动机零部件拆装动画的播放，通过AnimatorStateInfo.normalizedTime（）方法来判断任意步骤的动画是否播放完毕，如果返回值为真，再激活下一步发动机零部件的动画。自主练习部分主要通过iTween插件以及射线碰撞技术［6］来实现对发动机零部件的自主操作：通过Physics.RayCast（ray，out hit）方法实现射线的投射，判断碰撞物体是否是规定的拆卸部件，如果返回值为真，则通过iTween.ColorTo（）改变零部件颜色；通过iTween. MoveTo（）方法来控制零部件按照预定轨迹运动，如果返回值为假，则在界面上给予操作错误的提示。

3）发动机零部件教学信息显示。当用户选择某一发动机零部件时，其名称和知识介绍会在虚拟场景中显示。项目当中引入MySql.Data.dll组件，主要通过MySqlConnection类与MySQL数据库建立连接。在数据库中建立发动机零部件信息表，由脚本控制层从前台获取用户点击的零部件名称，通过MySqlDataAdapter类向数据库发送相应的Select语句并获取返回值到DataTable中，再通过控制层显示到相应的界面位置上。

4）教学评价信息显示和存取。在虚拟考核场景中，编写Recorder类记录用户的操作过程，即将每一步的零部件名称记录并与数据库中的正确操作步骤名称进行对比，按照步骤难度设置给出考试成绩，最终显示到前台界面上。另外，教师可以在系统界面的考核项目中填写学生的课堂表现分数，通过提交存入后台数据库中。

4 总结

以大众1.4TSI发动机为例设计开发的虚拟教学系统，针对汽车运用与维修技术领域职业岗位的任职要求，从职业院校理实一体化教学实际出发，借助计算机技术、多媒体技术、虚拟现实技术模拟呈现发动机结构、原理知识以及项目实施过程，将多维度激发学生的学习兴趣，使得课堂讲解更加容易、直观、形象，实践教学更加安全、便捷、有效。同时，采用虚拟仿真教学软件辅助实际教学，将弥补教学条件的不足，提高教学质量。■

［1］石连栓，孙文苑.基于Virtools的冲孔模拆装虚拟实验系统的设计与开发［J］.职教论坛，2014（18）:83-85.

［2］刘治安，张军伟.开展理实一体化教学需要注意的若干问题［J］.中国电力教育，2009（21）:70-72.

［3］张冲，赵亮.高职《汽车发动机构造与维修》教学新模式研究［J］.职业教育研究，2012（4）:92-93.

［4］王亮.大众1.4TSI发动机的技术浅谈［J］.硅谷，2012（21）:16-17.

［5］李然.浅谈次世代游戏制作中normal贴图技术［J］.湖北成人教育学院学报，2015（1）:100-101.

［6］吕萌萌，郭新宇，陆声链，等.基于Unity3D果树交互虚拟修剪技术及其实现［J］.农机化研究，2015（4）:7-11.

TP391.9

B

1671-489X（2015）24-0036-03

*项目来源：全国教育科学“十一五”规划2010度教育部重点课题“中职学校虚拟实验课程系统的研制与开发”（编号：GJA104004。主持人：石连栓）。

作者：梁甜，天津职业技术师范大学信息技术工程学院硕士研究生，研究方向为虚拟教育软件的研制与开发；石连栓，天津职业技术师范大学教授，硕士生导师，研究方向为虚拟教育软件的研制与开发；申荣卫，天津职业技术师范大学教授，硕士生导师，研究方向为汽车电子技术与职业教育课程开发（300222）。