虛擬仿真技術在中職汽車專業實訓教學中的應用與思考

王瑩

摘 要：中職汽車專業實訓教學面臨著實訓普及率低的痛點，不利學生技能的培養，建立虛擬仿真實訓平臺，引進基于3D/VR/AR技術的實訓教學資源，開展虛擬仿真實訓教學，利用仿真技術加強汽車專業技能實訓教學，推動信息技術與教育教學深度融合，有利于提高實訓普及率，有利于解決“三高三難”，推動汽車專業教學變革創新。我校是汽車專業群大力推進虛擬仿真實訓基地建設，在VR技術應用方面積累了一些的經驗，對虛擬仿真實訓教學應用進行了一些思考，提出了改進的建議。

關鍵詞：虛擬仿真 中職教育 汽車專業

中職汽車專業引入虛擬仿真實訓資源，既是改革傳統教學育人手段，推進人才培養模式創新的迫切需要，也是強化理論教學和實訓教學相融合的教育教學活動，有效彌補職業教育實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等特殊困難的重要措施。汽車專業群是中職教育的大類專業，在專業技能實訓方面引入虛擬仿真資源在將一定程度上改善汽車實訓的普及率，通過虛擬仿真，把學生引入到生動、直觀的教學環境中，提高了學生的積極性，有利于提高學生的技能水平。

1 汽車專業實訓設備跟不上教育教學改革的需求

由于實訓設備跟不上教學的需求，學生動手實訓時間少，技能訓練水平跟不上崗位需求。實訓設備跟不上教學需求主要矛盾是汽車專業學生人數多，實訓設備臺套少。汽車專業在很多工科類院校里是大專業，學生人數眾多，開設校汽車運用與維修專業的職業學校，該專業每年招生少則100人，多則上1000人。大部分院校的設備配套是跟不上的，包括實訓設備的場地小開設的實訓室有限、設備的種類少開設的實訓項目不多、設備的數量數少不能分組操作。

這個客觀存在的矛盾造成了學生在學習技能時人均訓練時間不足，技能水平難以達到崗位要求，因此，要提高職業技能教育質量，必須要先想方設法解決這個矛盾。

同時，隨著新能源汽車類課程的開設，高壓安全防護成為教學中需要認真對待的現實問題，特別是初學者的作業安全防護、作業技能不規范、不熟悉，實訓教學過程存在一定要安全隱患。

虛擬仿真技術的出現，在汽車實訓教學上的使用，是技能教學和實操訓練的有效彌補?？茖W、合理的使用，有可能成為解決實訓教學中“高投入、高損耗、高風險、難實施、難觀摩、難再現”三高三難? 的問題，提高汽車專業實訓教學的質量。

2 虛擬仿真技術的發展現狀

我國虛擬仿真技術的起步較晚，但是發展較為迅速，早期的虛擬仿真技術主要用于軍事和科研領域。2010前后部分企業研發了基于二維平面的汽車虛擬仿真實訓平臺，并投入實訓教學應用當中，2016年虛擬現實（VR技術）正式推出，2016年被定義為VR技術發展的元年，VR技術的發展進入產業階段，隨后出現的增強現實（AR技術）、混合現實（MR技術）。VR技術、AR技術、MR技術都屬于把虛擬世界直接凝實為人類感知的技術。

虛擬現實發展至今已有突破性的進展，且各行各業都開始投入運用VR技術。隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術在醫學、藝術、教育及工業制造管理等多個相關領域得到了廣泛應用。

目前，VR技術廣泛應用于教育領域，新能源汽車VR技術更是重要的組成部分，VR設備相對成熟穩定，教學資源不斷的豐富，在汽車構造認識、汽車發動機拆裝、汽車維護作業、新能源汽車構造認知、新能源汽車拆裝作業、新能源汽車“三電”系統認知與維護等實訓教學內容上均達到了較好的使用效果，初步具備了實訓教學的使用價值。

3 虛擬仿真技術在汽車專業教學中的應用

虛擬方向仿真技術在汽車專業教學的應用方面，主要應用于以下幾個方面：

3.1 VR虛擬仿真體驗教學

VR虛擬仿真體驗教學主要以對汽車結構的觀察、體驗為主，解決了觀察難、有危險等情況下的教學。主要針對設備原理、運動機構等方面的知識的探索和學習。例如新能源汽車高壓電系統的教學，因為涉及到高壓電，對于初學的學生來說，在車輛上進行拆裝認知有一定的安全風險，因此可以通過VR虛擬仿真技術進行體驗。

3.2 VR虛擬仿真教學課程

基于VR技術開發相關汽車專業課程，用于實訓教學。新能源汽車專業目前的主要課程有《新能源汽車構造》、《新能源汽車電機拆裝與檢測》、《新能源汽車維護與保養》、《新能源汽車電池拆裝與檢測》、《新能源汽車底盤構造》、《新能源汽車控制系統檢測》等的實訓教學資源。使用VR技術可以讓學生對虛擬現實中的設備進行操作。對于汽車零部件的裝配類課程，如車輛部件拆裝等，運用虛擬外部設備，在虛擬現實的裝配環境中，通過人機交互，用操作手柄完成各種操作，實現對各類零部件的系列化操作，完成裝配。在這種裝配環境中，解決了學生在學習中造成零部件、工具意外破損的問題，同時操作的安全性有了保證。

學生通過自由探索學習汽車的內部構造，真實中的許多部件是不可進入的，其運動也是不可顯視的，而用VR技術來虛擬這些部件的工作，其真實感十分好，效果非常逼真。

VR課程的實訓教學，VR設備少的情況下可以采用分組教學進行，以小組自由探索、討論、共同學習的方式完成老師指定的學習任務。VR設備足夠的情況下，可以按人手一臺設備開展實訓，有效提高學生實訓的普及率。

3.3 VR虛擬仿真實驗臺

主要針對需要反復訓練、需要交互性、材料費用比較高的場景教學，可以提供更真實、更細節的臨場體驗，如新能源汽車模擬駕駛操作、高壓電系統上、下電作業等。在這種形式下，VR資源一般不適合課堂內全體學生同時使用。

新能源汽車拆裝作業、新能源汽車“三電”系統認知與維護等實訓教學內容上均達到了較好的使用效果。

虛擬實驗臺實訓項目的開發，嚴格按照操作規程進行。因為學生進實驗臺上進行實訓的時候必須基于操作規程進行，有效的強化了學生的作業的規范性問題。實驗臺基于操作規程，開發操作考核系統，可以對學生的操作情況進行自動考核評價，在學生完成作業后生成考核成績，并匯總到教師系統便于老師對學生學習情況的了解。

3.4 課程資源的建設和開發

建設課程資源開發中心，為學校后續開展的虛擬仿真項目提供設計、開發、調試等技術支持，服務專業教學課程體系更新，教學資源更新，教學模式更新。引入企業資源，進行校企合作，技術交流，提高學生專業技術水平和虛擬技術創新水平。

4 基于虛擬仿真實訓教學的實訓室（配置）建設應用

虛擬仿真應用場景的不同，虛擬仿真實訓室的設備配置差異較大，高職學院側重于資源的開發，中職學校則側重于實訓教學的應用，因此。中職學校汽車專業的虛擬仿真實訓室配置傾向于將虛擬仿真軟硬件資源打造成學生的實訓工位，提高學生實訓的普及率，解決實訓中的“三高三難”問題。

基于這樣的建設思路，硬件主要配置教師端設備+學生端設備，學生端設備根據人數的需求建設40臺—50臺，保障一個教學班級人手一臺。硬件設備可以是圖形工作站+VR頭盔，也可是全息3D工作站。

軟件及教學資源的配置是虛擬仿真實訓室建設的關鍵，軟件資源必須實現以下的功能：

1、實訓教學資源實訓項目要與實際教學項目對應；

2、實訓教學資源作業步驟和相關參數必須符合汽車維修作業規范，從工具的選擇、參數查閱設定到基本動作要領能達到參考車型的維修手冊實現；

3、教師端安裝有教學管理平臺，通過平臺，教師能實現實訓教學的便捷管理，如實訓任務的發布、學生端的作業進程、作業評價；

4、實訓教學數據的匯總。學生在虛擬設備上的操作自動生成相關數據，便于教師立進行實訓數據的處理，并借助數據處理軟件進行剖析，有效應用于操作考評。

5 基于虛擬仿真技術的汽車專業實訓課程體系與教學模式創新

汽車專業課程體系的建設路徑如下：首先對本專業的崗位人才需求進行調研分析，在此基礎上提煉形成專業核心能力，確定人才培養目標，進而構建有效的實訓課程體系、創新實訓教學模式，在課程開發的過程中，確定虛擬仿真實訓平臺，開展虛擬仿真實訓室的建設，通過校企合作等方式開發虛擬仿真實訓項目，編制實訓教學資料，培培師資，形成虛擬仿真實訓教學體系。通過教學分析評價、問卷調查研究等方式評估虛擬仿真實訓教學的效果。

根據虛擬仿真技術的特點，基于人才培養目標，開發虛擬仿真實訓課程，選定虛擬仿真教學平臺，開展實訓室建設，制作虛擬仿真實訓教學資源，提高教師虛擬仿真教學能力，在“能實不虛”的原則下，構建“虛實結合、層次遞進”的實訓教學體系，創新實訓教學模式。校內實訓平臺可以實現專項技能點實訓、課程綜合性實訓、專業綜合性實訓以及校企合作實訓。同時，充分利用省級及國家級虛擬仿真實訓資源，開展創新、興趣學習和實訓，促進學生的個性發展需要。

實訓教學分層次開展，依次為體驗實訓、認知實訓、應用實訓與探索實訓，實訓教學服務于汽車類專業課程體系，包含專業平臺課程群（汽車發動機課程、汽車底盤課程）、專業方向課程群（新能源汽車三電課程、汽車車身修復課程、汽車故障診斷與維修課程）等。虛擬仿真實訓教學按“先易后難、逐層推進”的方式進行，按照體驗、認知、應用與探索的順序展教學，使學生容易接受。

6 虛擬仿真實訓教學的考核模式

虛擬仿真實訓教學的考核方式要結合傳統課堂的管理，引入智能化考評平臺，優化考核模式，既能強化課堂的紀律管理，又能快速的了解記錄學生的操作情況。

6.1 常規課堂管理

結合學校常規教學管理規定，加強對學生的出勤、6S、儀表儀容、課堂紀律、課堂表現等和管理，在日常行為的管理中滲透職業素養教育和思政教育，提高學生的綜合素質，并記錄為學生的平時表現成績，按一定的權重綜合到最終成績。

6.2 虛擬實訓教學的實施與考核

虛擬仿真實訓是一種新的實訓教學方式，可以引入信息化管理的手段，融入智能化管理，在教學過程監督、結果評價方面形成有效的管理體系，提高課堂的管理效率。打造有高效的課堂管理平臺，實現實訓作業數據的有效分類、匯總、引用，形成實訓大數據平臺，有效快捷的助力教師課堂數據的管理。教師基于教學管理平臺開展汽車專業虛擬仿真實訓活動，借助平臺的智能化管理，對學生的實操效果進行自動評分，提高作業評價的規范性和課堂的管理效率。

7 虛擬仿真實訓教學有待解決以下問題

7.1 師資匱乏，必須要培養出一批熟悉虛擬教學模式的老師

虛擬實訓教學注重學生自主探究學習，和傳統教學不同，虛擬仿真教學在某種意義上弱化了老師的作用，在教學過程中，老師的主導者變成了課堂的組織者、引導者。在課堂教學過程中，教師教學活動的積極主動性可能會缺少，出現對學生的學習過程監督管理不到位的情況，而且教學活動的開展由軟件系統引導，教師缺少主動干預和與學習者的互動，造成教師的主導性弱化。虛擬仿真教學的教師需要調整教學方式，熟悉虛擬仿真教學項目的內容，準確把握教學管理節點，結合實訓管理平臺，適時開展理論教學、任務發布、過程監管、結果收集、效果評價等活動，開創虛擬仿真教學的新模式。因此，需要培養一批熟悉虛擬教學模式和評價模式的老師，加強材和VR實訓教學項目應用的培訓，開發配套的實訓方案和引導工單，提高教學質量和效果。

7.2 虛擬仿真教學軟件要求較高，作業流程規范性和兼容性涵待解決

目前，虛擬仿真教學軟件待問題還比較多，如教學資源模型陳舊、操作步驟過于簡單，仿真效果與實際場景偏差大等，其中作業流程不規范和各個開發廠商資源不能兼容兩個問題尤其突出。

1.虛擬仿真實訓項目在開發時必須參照相關技術規范標準，規范作業標準和流程。在汽車維修作業方面，汽車維修手冊是重要的作業規范文件，在作業流程和作業標準方面都有明確的規定，是工藝正確和作業安全的重要保障，虛擬仿真實訓教學項目必須嚴格參照維修手冊進行開發，才能實現虛擬仿真操作與真實操作的一致性和正確性。

2.各個廠商在開發虛擬仿真實訓資源時，須考慮資源的兼容性，確保各自優質資源互通使用。資源的兼容包括軟件與硬件的兼容及資源在各管理平臺的通用。

7.3 虛擬實訓注重于操作步驟的推演，與實際操作存在一定的偏差，需要在真實環境的教學中糾偏

和傳統教學比較，虛擬仿真教學活動雖然讓學習者的主動性和自主性大幅提高，但是學習者的自主學習往往缺乏目的性，比較隨意，同時由于用虛擬仿真代替了傳統實訓，也大大降低了學習者的動手實訓能力，如果缺乏教師的管理和指導，可能就不能完全達到理論和實訓教學目標。虛擬實訓作為技能訓練的輔助手段和補充，對于初學者來是很適用的實訓學習方式，但隨著專業技能學習的深入，虛擬仿真學習過程中的無質感和作業細節偏差的特點越顯突出，必須在真實的實訓設備上進行訓練才能真正的提高。

8 結束語

傳統實訓教學方式比較枯燥乏味，汽車專業知識相對學生的基礎來說相對較難，學生學習比較吃力。通過信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合破解了職業學校實驗、實習、實訓中的老大難問題， 解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題，使用虛擬仿真系統開展實訓教學后，大大提升了學生的學習興趣，特別是形象化的VR圖像有利于學生的理解。

基金項目：教育部高等學?？茖W研究發展中心《虛擬仿真技術在職業教育教學中的創新應用》專項課題（課題編號ZJXF2022315）。

參考文獻：

[1]謝忠華．VR技術在汽車專業教學中的應用［J].現代制造技術與裝備，2020（7）：214-215.

[2]岑少飛．虛擬仿真技術在汽車檢測與維修技術專業實訓教學中 的應用研究[J]．時代汽車，2021（09）：69-70.

[3]丁棟厚．VR 技術在新能源汽車職業教育專業課中的應用［J]．現代職業教育，2018（20）：244.

[4]楊亞威．基于虛擬仿真技術的中職汽車專業課智慧環境教學策略研究[J].53-55.

[5]吳問天．虛擬仿真資源在汽車構造課程教學中的應用［J].內燃機與配件.2023（17）：124-126.

[6]軒照振．智能網聯汽車技術專業“理-虛-實”人才培養模式改革與實踐［J].汽車實用技術.2023（16）：156-160.