王志瓊，劉津彤，苗 淼，劉廣武，楊 楠

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，在工業(yè)和生活上，對(duì)汽車的需求越來(lái)越多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)其內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)集成度高、層次分明，符合綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求[1-2]。中心結(jié)合機(jī)械工程專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，開(kāi)設(shè)了獨(dú)立設(shè)課的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，并將發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目列入其中[3-4]。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生學(xué)習(xí)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，通過(guò)測(cè)繪、拆裝和測(cè)量了解典型零部件的基本結(jié)構(gòu)及重要組成，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)課程及今后從事實(shí)際工作奠定良好的基礎(chǔ)。

隨著課程的開(kāi)設(shè)逐漸暴露出復(fù)雜機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)、整機(jī)拆裝過(guò)程講解難，零部件空間擺位不好形容，學(xué)生僅聽(tīng)教師理論講解感覺(jué)枯燥、知識(shí)攝入量較差，同時(shí)實(shí)驗(yàn)效果受限于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量、磨損量，學(xué)時(shí)不足等難題[5-7]。本文將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相融合，打造“虛實(shí)結(jié)合”[8-10]“梯級(jí)遞進(jìn)”[11-13]的發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，從而改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)的建設(shè)方案

以摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)總成為對(duì)象和載體，依據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，建立一系列發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真、三維立體環(huán)境虛擬操作、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做到虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充。

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生自主選擇拆裝工具、設(shè)計(jì)拆裝順序進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)和典型結(jié)構(gòu)拆裝，了解典型零部件的基本結(jié)構(gòu)及重要組成。發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)利用三維立體環(huán)境使學(xué)生切身融入到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，運(yùn)用交互系統(tǒng)進(jìn)行典型零部件的虛擬拆裝，設(shè)置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過(guò)三維立體環(huán)境增強(qiáng)學(xué)生的三維立體感及操作感。最后學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆裝實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生機(jī)械零件綜合認(rèn)知和部件拆裝的綜合能力，平臺(tái)建設(shè)方案和方案設(shè)計(jì)流程分別如圖1、表1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)建設(shè)方案

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)讓學(xué)生了解發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的精度要求、工藝要求和裝配要求，使學(xué)生把機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等課程所學(xué)的知識(shí)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝，學(xué)會(huì)理論知識(shí)在實(shí)踐中的綜合應(yīng)用。

表1 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)流程

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)的研制

2.1 建立發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型庫(kù)

根據(jù)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的二維工程圖，利用三維建模軟件(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application，CATIA)進(jìn)行100多個(gè)零件的三維建模，然后組裝成10多個(gè)基本結(jié)構(gòu)，最終建立摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的三維整機(jī)模型，為發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基本素材。

2.2 開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以u(píng)nity3d軟件為基礎(chǔ)[14-15]，通過(guò)程序編輯以文字、聲音、動(dòng)畫(huà)、交互操作等形式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的展示與操作。平臺(tái)共由實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬拆卸、虛擬裝配和實(shí)驗(yàn)測(cè)試4個(gè)模塊組成，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊主要是了解發(fā)動(dòng)機(jī)原理及結(jié)構(gòu)，主要有工作原理、基本結(jié)構(gòu)、爆炸圖、零件庫(kù)4方面內(nèi)容。工作原理以動(dòng)畫(huà)形式展示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作過(guò)程；基本結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)各主要結(jié)構(gòu)的功能及作用；爆炸圖按照零件位置關(guān)系進(jìn)行典型結(jié)構(gòu)的爆炸，實(shí)現(xiàn)零部件位置關(guān)系標(biāo)注；零件庫(kù)包含所有的零部件，可以登錄賬號(hào)下載各個(gè)零部件的CATIA三維模型，進(jìn)行自由設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件及發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊使學(xué)生了解發(fā)動(dòng)機(jī)每一個(gè)零部件的名稱，仔細(xì)觀察和分析各個(gè)結(jié)構(gòu)的組成，對(duì)結(jié)構(gòu)逐一分析其作用。

虛擬拆卸模塊和虛擬裝配模塊在了解各個(gè)零件在該結(jié)構(gòu)中的位置基礎(chǔ)上，根據(jù)拆裝說(shuō)明進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)及其典型零部件拆裝操作，設(shè)定拆裝零件順序、路徑和拆裝工具，操作正確給予分值，如果操作錯(cuò)誤給予提示則無(wú)分值。最后將所有操作完成后計(jì)算學(xué)生虛擬拆裝總分值。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試模塊以選擇題的方式設(shè)計(jì)制作考試題庫(kù)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成后隨機(jī)抽取定量試題進(jìn)行測(cè)試，最后設(shè)定一定的比例將測(cè)試成績(jī)和操作成績(jī)加權(quán)綜合作為學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

2.3 設(shè)計(jì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建了集教育、培訓(xùn)、研發(fā)于一體的機(jī)械虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)具備三維環(huán)境設(shè)置、虛擬拆裝、任意剖切、虛擬測(cè)量和運(yùn)動(dòng)仿真5個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的虛擬展示、拆裝訓(xùn)練、剖切顯示、在線測(cè)量和動(dòng)作模擬。

結(jié)合摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)踐教學(xué)需求，設(shè)計(jì)制作發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖3所示。首先建立摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)及典型零部件的三維立體環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)立體眼鏡和操作手柄對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和零部件進(jìn)行360°立體展示學(xué)習(xí)，同時(shí)可以通過(guò)距離移動(dòng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系，使學(xué)生感受到沉浸感。然后設(shè)置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過(guò)手柄進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件虛擬拆卸、虛擬裝配，保證實(shí)時(shí)交互；同時(shí)進(jìn)行典型零部件任意方向剖切，零部件關(guān)鍵尺寸測(cè)量，運(yùn)動(dòng)仿真，讓學(xué)生置身“虛擬現(xiàn)實(shí)”的環(huán)境中進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案評(píng)審、機(jī)械拆裝模擬訓(xùn)練，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握先進(jìn)的學(xué)科前沿技術(shù)，提高實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2.4 建立發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

建立摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，如圖4所示，主要包含摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件展示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)拆裝平臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)拆裝平臺(tái)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)做完后，到實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)摩托發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆裝實(shí)驗(yàn)。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

零部件展示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)功能將整機(jī)分成基本結(jié)構(gòu)分類展示，如曲軸活塞、減速器、曲軸箱等。再將基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行零部件展示，并在每個(gè)零部件上貼上標(biāo)簽，每個(gè)結(jié)構(gòu)墻上均貼有相應(yīng)二維和三維裝配圖。基本結(jié)構(gòu)拆裝平臺(tái)為學(xué)生提供摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，并配有相應(yīng)的拆裝工具和檢測(cè)工具，學(xué)生選擇典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拆裝實(shí)驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)拆裝平臺(tái)要求學(xué)生通過(guò)工具將發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸到基本結(jié)構(gòu)與組裝。學(xué)生根據(jù)虛擬平臺(tái)所學(xué)習(xí)的知識(shí)，在實(shí)物拆裝平臺(tái)上運(yùn)用拆裝工具進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)及其典型結(jié)構(gòu)的拆裝，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)械零件連續(xù)的、系統(tǒng)的綜合認(rèn)知，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)的特色

通過(guò)與摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)的校企合作，依據(jù)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)投放市場(chǎng)的暢銷摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為技術(shù)基礎(chǔ)，選擇國(guó)際主流大型工程軟件數(shù)據(jù)格式，制作四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)總成的產(chǎn)品級(jí)大數(shù)據(jù)整機(jī)數(shù)模。

建成了網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為同學(xué)們遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供了良好的資源；虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在擁有良好沉浸感的“虛擬現(xiàn)實(shí)空間”對(duì)模型拆解和裝配，突破了典型復(fù)雜機(jī)械主機(jī)部件難于進(jìn)行拆解和裝配復(fù)原的限制；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供了真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作。綜合平臺(tái)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間的限制，集成網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為一體，具有學(xué)習(xí)的選擇多樣性和共享性。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)解決了同學(xué)們由易到難、由基礎(chǔ)到專業(yè)、由零件到部件的發(fā)動(dòng)機(jī)的階梯性、系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，保證知識(shí)的連貫性，為后續(xù)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)”，已列入實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，每年為本科生約350人開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，教學(xué)效果良好。同時(shí)該項(xiàng)目作為國(guó)家級(jí)機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的一個(gè)項(xiàng)目，已發(fā)布吉林大學(xué)國(guó)家級(jí)機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，網(wǎng)址為：http://vmech.jlu.edu.cn。依托吉林大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)，面向吉林大學(xué)所有校區(qū)師生，全天開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的校內(nèi)共享。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠接受吉林大學(xué)以外的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)，現(xiàn)階段對(duì)有合作關(guān)系的院校的廣大師生采取注冊(cè)制開(kāi)放，擴(kuò)大了本成果共享應(yīng)用范圍。