汪立亮姚東偉

（1.鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)職教中心，江蘇南京 210009；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225101）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)汽車實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用

汪立亮1姚東偉2

（1.鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)職教中心，江蘇南京 210009；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225101）

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是教學(xué)信息化有效手段，通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)全過(guò)程學(xué)生身臨其境進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練和技術(shù)創(chuàng)新等。汽車實(shí)訓(xùn)操作平臺(tái)是基于VR虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，應(yīng)用于現(xiàn)代汽車職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)具有突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)虛擬演示物體自由落體慢過(guò)程，形象直觀的顯示物體重力大小、方向以及速度的變化過(guò)程，使學(xué)生容易理解地球引力和加速度概念。

虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù) 職業(yè)教育 實(shí)訓(xùn) 應(yīng)用實(shí)踐

運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行教育學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)模式是人和計(jì)算機(jī)視為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，通過(guò)界面進(jìn)行信息交換，就是使用者把設(shè)計(jì)要求或信息指令輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)作出動(dòng)作顯現(xiàn)反饋，而虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是把現(xiàn)實(shí)中存在的或并不存在的事物和場(chǎng)景，通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，可以將使用者和計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體，通過(guò)三維立體空間和圖像工具實(shí)現(xiàn)信息可視化，把使用者置身于通過(guò)三維空間模擬出一個(gè)逼真的計(jì)算機(jī)環(huán)境中自由地使用各種指令信息，整個(gè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)按照仿真軟件進(jìn)行控制。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），涵蓋計(jì)算機(jī)圖形（CG）應(yīng)用技術(shù)、仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行處理技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算機(jī)通過(guò)仿真軟件生成逼真的三維空間，可以通過(guò)傳感器捕捉到使用者的信息，立即進(jìn)行高速運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成精確的3D世界影像傳出，使用者在虛擬空間實(shí)現(xiàn)視、聽(tīng)、嗅等感官感覺(jué)和完成肢體動(dòng)作，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和互動(dòng)，是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用

在現(xiàn)代信息化學(xué)習(xí)方式和手段中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特別是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Web3D）有著廣泛的作用和影響，尤其在虛擬教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)，以及信息化平臺(tái)等方面的應(yīng)用具有廣泛性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)閹熒峁┥鷦?dòng)而逼真的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)境，師生都可成為虛擬環(huán)境中的參與者，并且每個(gè)人可以在虛擬環(huán)境中扮演不同的角色，這有力的調(diào)動(dòng)參與者的學(xué)習(xí)積極性和能動(dòng)性，對(duì)學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)容易掌握，并且對(duì)培養(yǎng)和訓(xùn)練技能都將起到積極有效的作用，并且可以降低成本和消耗。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中主要三個(gè)方面的應(yīng)用。（1）知識(shí)學(xué)習(xí)。知識(shí)學(xué)習(xí)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)學(xué)生學(xué)習(xí)課程知識(shí)。其一，虛擬系統(tǒng)可以仿真出實(shí)際生活中不容易甚至無(wú)法觀察到的自然中事物的變化過(guò)程和現(xiàn)象，學(xué)生通過(guò)虛擬系統(tǒng)可以觀察、感受甚至參與整個(gè)生動(dòng)和逼真過(guò)程，學(xué)習(xí)和了解知識(shí)，輕易解決學(xué)習(xí)中的知識(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)。譬如：地理課程學(xué)習(xí)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可以學(xué)生帶到不同的地理環(huán)境，領(lǐng)略那里的自然風(fēng)光，了解地理變化過(guò)程和特點(diǎn)等；物理知識(shí)學(xué)習(xí)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以展現(xiàn)各種物理變化過(guò)程，剖析變化原理，比如展示如原子核裂變、磁場(chǎng)感應(yīng)和光纖傳送信息等物理現(xiàn)象，讓學(xué)生在觀察和感受中學(xué)習(xí)掌握知識(shí)等。其二，通過(guò)虛擬系統(tǒng)可以使抽象的概念和理論，能夠直觀化和形象化展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。例如，學(xué)習(xí)地球引力重力加速度概念，通過(guò)虛擬演示物體自由落體慢過(guò)程，形象直觀的顯示物體重力大小、方向以及速度的變化過(guò)程，使學(xué)生容易理解地球引力和加速度概念。（2）探索學(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中所提出的各種假設(shè)，通過(guò)虛擬系統(tǒng)學(xué)生便可直觀逼真地觀察假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果產(chǎn)生的過(guò)程或效果。譬如：在學(xué)習(xí)分子鏈時(shí)，學(xué)生可以創(chuàng)新學(xué)習(xí)，大膽的按照自己的假設(shè)，將不同的分子組合新的物質(zhì)，通過(guò)這種探索式的學(xué)習(xí)方式，不僅學(xué)生可能創(chuàng)新研究出新的物質(zhì)，而且有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的能動(dòng)性和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵱?xùn)室。譬如：在虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，可以觀察化學(xué)反應(yīng)的慢過(guò)程，模擬做一些具有危險(xiǎn)性的燃燒和爆炸等反應(yīng)現(xiàn)象；在汽車實(shí)訓(xùn)室汽車虛擬4S店里，可以動(dòng)態(tài)體驗(yàn)學(xué)習(xí)汽車銷售流程和規(guī)范的業(yè)務(wù)接待，業(yè)務(wù)辦理等；在醫(yī)學(xué)解剖實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，可以虛擬人體解剖過(guò)程，觀察人體局部器官新陳代謝和生理反應(yīng)等。

3 基于VR虛擬仿真技術(shù)的汽車實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 平臺(tái)建設(shè)背景

近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展職業(yè)教育，已成為國(guó)家人才發(fā)展戰(zhàn)略，近十年來(lái)特別是高等職業(yè)教育蓬勃發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大質(zhì)量不斷提高，但大多院校也出現(xiàn)辦學(xué)資金緊缺，“雙師型”專業(yè)老師數(shù)量不足，培養(yǎng)模式與手段有待改革和創(chuàng)新等問(wèn)題，特別是職業(yè)教育的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件，是職業(yè)教育核心教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)和條件，需要大力校內(nèi)建設(shè)或是校企合作，這些制約了職業(yè)教育內(nèi)涵建設(shè)和轉(zhuǎn)型發(fā)展。一般學(xué)?，F(xiàn)有的條件下，受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資限制，大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作實(shí)驗(yàn)不容易實(shí)現(xiàn)、裝配工藝流程的教學(xué)講解抽象難以理解。即使學(xué)校有能力建設(shè)這樣的實(shí)驗(yàn)室，其設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用也相當(dāng)驚人，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，節(jié)約建設(shè)成本，節(jié)約基礎(chǔ)建設(shè)空間，降低實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)維護(hù)和消耗，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)效果和安全性，有效地解決場(chǎng)地、資金、管理和消耗等在建設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中的矛盾。

3.2 汽車虛擬培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于VR虛擬仿真技術(shù)的汽車實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)以培養(yǎng)汽車維修的優(yōu)秀人才為目的而研發(fā)的汽車實(shí)訓(xùn)操作平臺(tái)。

該系統(tǒng)基于“創(chuàng)壹Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)三維互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)”運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)3D環(huán)境，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作汽車主體及其部件，并具有逼真3D互動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)、3D動(dòng)畫演示、聲音與相關(guān)原理文字自動(dòng)同步顯示、3D汽車模型或其部件模型任意方向旋轉(zhuǎn)及視點(diǎn)變換的功能。能夠?qū)崿F(xiàn)大量并行用戶快速下載及構(gòu)建渲染動(dòng)態(tài)3D場(chǎng)景，確保用戶與3D場(chǎng)景互動(dòng)的即時(shí)性，所有部件都可360度全方位觀看，具有直觀立體，真實(shí)互動(dòng)的效果。

該系統(tǒng)的主要功能涵蓋：汽車結(jié)構(gòu)解析、總成和零部件拆裝工藝、總成和系統(tǒng)工作原理動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)、虛擬故障現(xiàn)象和診斷排除等，用戶不僅可以動(dòng)手對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真操作，了解汽車每個(gè)細(xì)節(jié)，熟悉汽車工作原理，而且還可以進(jìn)入“汽車故障診斷”進(jìn)行多種情況下不同部件的機(jī)械及電路故障排除模擬操作，從而能夠積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也可為汽車企業(yè)減少了不少培訓(xùn)成本。

············

汽車虛擬培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)包括了汽車駕駛、汽車結(jié)構(gòu)與拆裝、汽車的修理、汽車故障診斷等，其中包含了大眾（德系）、別克（美系）、豐田（日系）。分為教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、考核三個(gè)模式，通過(guò)教學(xué)模式學(xué)習(xí)，就可以在實(shí)訓(xùn)模式進(jìn)行設(shè)備拆卸和虛擬實(shí)驗(yàn)故障排除等各種操作，具有很強(qiáng)自主性；考核模式當(dāng)教師編輯并派發(fā)了考試試卷后，對(duì)應(yīng)學(xué)員登錄后就會(huì)出現(xiàn)考試內(nèi)容，并可實(shí)時(shí)記錄保存，自動(dòng)評(píng)分，使教師輕輕松松便可實(shí)現(xiàn)“無(wú)紙化”考試管理。

3.3 汽車虛擬培訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)性能指標(biāo)

該平臺(tái)系統(tǒng)是一套針對(duì)高校、職業(yè)院?；蚪逃嘤?xùn)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的快捷、可擴(kuò)展性3D仿真汽修教學(xué)平臺(tái)，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，整合Web3D仿真、Com組件、PHP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)、AJAX輕量交互等最新技術(shù)，基于Apache+MySQL高性價(jià)比解決方案。

在現(xiàn)在高等教育，逐步向信息化、互動(dòng)性教學(xué)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，該平臺(tái)系統(tǒng)已包括以下數(shù)據(jù)安全與快速響應(yīng)技術(shù)，通過(guò)可視化Web3DEditor三維仿真建模軟件，讓高校擺脫其它專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用與整合的束縛，專注于自身優(yōu)勢(shì)教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)與擴(kuò)充，以能快速的構(gòu)建自己精品課程、仿真互動(dòng)課程整合平臺(tái)，提高新教學(xué)內(nèi)容的使用率及教學(xué)方式轉(zhuǎn)型，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的地域限制和時(shí)間限制，又不失傳統(tǒng)的教學(xué)方式身臨其境的效果。該平臺(tái)系統(tǒng)采用C++、PHP、Javascript等主流語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)，最后全部通過(guò)打包加密后再利用編譯程序進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，這樣大大加快了系統(tǒng)整體運(yùn)行速度。支持的數(shù)據(jù)庫(kù)為：大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，如SQL Server， Oracel，MySQL等。本系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中學(xué)員操作的3D動(dòng)畫的動(dòng)作是通過(guò)TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給服務(wù)器端程序的，而該系統(tǒng)中的 TCP/IP 協(xié)議采取的是UDP 用戶數(shù)據(jù)包模式，這樣就保證了數(shù)據(jù)不會(huì)輕易的丟失與延遲。

（1）3D汽修模型及智能控制動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)智能虛擬互動(dòng)隨意拆裝，并能自動(dòng)判斷拆裝操作的正確性；（2）3D模型數(shù)據(jù)量小運(yùn)行速度快（如一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)包括所有零部件在內(nèi)的逼真3D模型數(shù)據(jù)量小于1MB）。（3）3D汽修智能虛擬電路檢測(cè)；（4）3D汽修智能虛擬故障排除；（5）在虛擬汽修培訓(xùn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)128位隨機(jī)加密；（6）動(dòng)態(tài)3D場(chǎng)景傳送；（7）動(dòng)態(tài)場(chǎng)景渲染；（8）分布式3D數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)分區(qū)平衡各數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)荷技術(shù)；（9）能夠?qū)崿F(xiàn)大量并行用戶快速下載；（10）構(gòu)建渲染動(dòng)態(tài)3D場(chǎng)景確保用戶與3D場(chǎng)景互動(dòng)的即時(shí)性。

［1］常鶴暉.基于VR虛擬仿真技術(shù)的汽車專業(yè)課程建設(shè)［J］.中國(guó)教育信息化，2014（18）.

［2］吳伯英，吳瓊.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用［J］.科技成果縱橫，2007（2）.