劉 斌 王 宇 周建釗 褚偉俊 何曉暉

（陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院，南京 210000）

柴油發(fā)動機在我國廣泛應用于工程機械和交通設備領域[1]。為培訓高水平的柴油機維修保障人員，延長柴油機使用壽命，提高柴油機運轉(zhuǎn)效率，節(jié)約行業(yè)運營成本，各個培訓機構(gòu)對柴油機維護保養(yǎng)紛紛開設培訓課程。柴油發(fā)動機實踐教學是柴油發(fā)動機專業(yè)培訓教育中十分關(guān)鍵的教育環(huán)節(jié)，主要包括理論授課、現(xiàn)場實訓及課程考核等。但是，柴油發(fā)動機作為汽車的動力部件，具有結(jié)構(gòu)復雜、運動部件多等特點[2]。當前機械專業(yè)職業(yè)教育存在教學方式單調(diào)、教材教具缺乏等問題，因此教學效果不盡如人意。面對新形勢下工業(yè)領域的自動化和信息化發(fā)展趨勢，需提高柴油機操作人員的技術(shù)素養(yǎng)，提高教育培訓行業(yè)對現(xiàn)代化技術(shù)學習的重視程度，迫切需要改革柴油機應用課程。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）作為近年來發(fā)展的一種綜合性信息技術(shù)，在教育行業(yè)應用廣泛，對傳統(tǒng)教學模式影響重大[3]。目前，大多數(shù)科研工作者仍處于建立虛擬現(xiàn)實技術(shù)綜合教學體系和對具體課程應用建立完整理論體系的階段。文章以實際案例情境為基礎，從實訓內(nèi)容、課程設計及實操3個實踐教學環(huán)節(jié)出發(fā)，提出構(gòu)建互動體驗更佳的教學模式，以適應柴油機的實踐教學內(nèi)容，同時提出了實踐課程科學評價體系，如圖1所示。構(gòu)建科學、合理、高效的交互式虛擬培訓系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實平臺，可助力實現(xiàn)對柴油機教育實踐課程的改革與創(chuàng)新。

1 體驗式教學模式改革

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種能夠建立和感知虛擬世界的電子信息仿真技術(shù)。施訓者通過創(chuàng)建虛擬課堂教學系統(tǒng)，模擬三維真實工程環(huán)境，改變通過教材和黑板書寫的傳統(tǒng)教學模式，使學員通過使用鼠標、鍵盤或頭戴式虛擬現(xiàn)實設備實現(xiàn)與教學內(nèi)容的互動，創(chuàng)造體驗式學習環(huán)境。學員通過視聽感受、接收器振動反饋等方式，在虛擬世界中學習專業(yè)技能[4]，解決了傳統(tǒng)教學模式單一的問題。為了更好地提高實踐教學效率，必須使實踐教學內(nèi)容適應實操課程中的實訓內(nèi)容、課程設計及實訓模式3大板塊。

1.1 實訓內(nèi)容改革

柴油發(fā)動機實踐實訓包括結(jié)構(gòu)展示、拆裝訓練和常見故障排除。其中，結(jié)構(gòu)展示主要依據(jù)現(xiàn)實工程環(huán)境創(chuàng)建虛擬場景，并加入具體機械結(jié)構(gòu)，如進排氣系統(tǒng)和曲軸連桿機構(gòu)。施訓者可以在課前將實訓內(nèi)容發(fā)布于平臺供受訓者預習，以提高受訓者對柴油機運行參數(shù)和維護保養(yǎng)工作的重視程度，同時提高正式課堂的學習效率。此外，發(fā)動機拆裝訓練和常見故障排除要求受訓者具備很強的三維空間感，科學分類受訓者發(fā)現(xiàn)的具體現(xiàn)象，快速判斷問題故障產(chǎn)生的原因，并結(jié)合自身經(jīng)驗深入分析，制定精準檢查、調(diào)整、修理的方案進行合理操作。在傳統(tǒng)教學方式中，拆裝和常見故障排除等訓練不僅存在占用場地面積大、設備投入大、人員視聽效果不佳問題，而且在實訓過程中可能會存在人員受傷的風險[5]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以彌補傳統(tǒng)實地教學的不足，而且可以通過模擬三維實驗場景、實驗演示過程和交互操作提高教學效率。為了提高虛擬現(xiàn)實實訓平臺的應用效率，對實驗教學內(nèi)容應進行相應調(diào)整。對于拆裝和故障排除訓練，相關(guān)人員需要通過解釋實驗操作步驟，增加受訓者交互性操作講解，以保證每個受訓者都能掌握實驗內(nèi)容。此外，受訓者若有不明白的地方，可以隨時進行回放學習。

1.2 實訓課程設計改革

實踐訓練是對理論教學的補充，因此實訓培訓課程的設計必須加強理論與實踐聯(lián)系。為適應現(xiàn)代化教學需求，適配現(xiàn)代化教學模式，緊跟國家現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，必須強化實訓課程設計，使學員掌握專業(yè)理論知識，不斷更新操作要領，以滿足新時代現(xiàn)實裝備的發(fā)展要求。設計虛擬現(xiàn)實教學平臺時，設計人員必須以實際操作場景為背景。根據(jù)當前學員信息技術(shù)能力較強的特點，在搭建虛擬教育平臺時，教師可以接收部分學員的反饋，并根據(jù)受訓者日常操作情況，探索柴油機維護維修的優(yōu)化方向，從而更新柴油機維護維修技能。在實訓教學中，教師更多地充當設計和建模的角色，把新型教育理念落實到實踐中。具體工作中，學員積極參與不僅有利于培養(yǎng)學員腳踏實地做事的能力，增強因參與教育過程而引發(fā)的自豪感和成就感，而且能夠培養(yǎng)學員的責任意識，提高理論與實踐能力、教學效果和日后工作的積極性。記錄和展示學習成果時，設計人員可以將教科書或操作手冊轉(zhuǎn)化為三維動畫和語音，使學員以小組為單位，通過合作練習，在虛擬教學系統(tǒng)中完成各項任務的動作步驟，待操作完畢后保存操作流程動畫并上傳自己的作業(yè)。這種教學方式有助于在傳統(tǒng)教育模式下擺脫書籍范例，鼓勵學員在虛擬系統(tǒng)中進行獨立全面的思考，進而提高受訓者對知識的理解。

1.3 實操模式改革

實操教學是培養(yǎng)學員實踐技能的重要途徑，是理論到實踐的過渡。一般教育培訓可以安排的實際操作時間有限，而柴油機的操作教學練習過程較復雜。例如，拆卸和組裝需要幾個小時，且實地教學體驗較差，容易出現(xiàn)教學效果不佳的情況。針對以上情況，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立柴油機虛擬訓練平臺，選取柴油機主要部件作為觀測對象，可以通過透視、剖分等方式進行觀測，且在觀測過程中可選擇主要部件中的具體零部件，然后將該零件突出顯示，方便相關(guān)人員觀測，同時可伴隨語音介紹和文字說明。柴油機自身工作原理復雜，理解難度大，發(fā)生異?；蛘吖收系钠鹨蚨喾N多樣，因此需詳細設計實際使用場景中柴油機的各項拆裝、保養(yǎng)、維修等。在虛擬環(huán)境中，運用聲音、圖像、儀表指示以及操作失敗等方式，提示受訓者柴油機組成部分出現(xiàn)故障，以便針對相應的故障現(xiàn)象選擇正確的故障診斷方法進行故障排除。例如，當機油不足、冷卻液不足、柴油壓力不足時，都會發(fā)生發(fā)動機運轉(zhuǎn)異常、機身抖動或者難以啟動的情況；柴油機運轉(zhuǎn)時，排氣的顏色不同可以表明柴油機的發(fā)生故障部位及其嚴重程度，由此判斷機體是否漏油、漏氣以及漏水，實操流程如圖2所示。受訓者在課堂上既可以學習理論知識，又可以參與實際操作，學習效果佳，又可節(jié)約訓練時間。

2 實踐教學評價體系改革

課程評價體系是溝通教學過程與培訓成果的重要橋梁，是由大量相互聯(lián)系、相互依存的評價指標組成的一個復雜、完整系統(tǒng)。虛擬訓練從訓練準備到訓練進行，到最終的任務結(jié)束，每個環(huán)節(jié)都直接影響訓練效果。訓練效果又直觀反映虛擬訓練系統(tǒng)的使用價值，直接影響受訓者查缺補漏和課程設計。因此，需要尋找一種科學有效的質(zhì)量評價方法，既符合訓練需要，又對系統(tǒng)功能的設計有強的指導意義。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的考核體系對學員的實際操作難度大，消耗了大量時間精力。文章在介紹虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎上，提出了一種面向課程設計和畢業(yè)設計的創(chuàng)新技能評估體系，如圖3所示。首先，在受訓者每一訓練階段，設計不同類型的操作任務，通過虛擬現(xiàn)實平臺自主選擇結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。與練習時相比，去掉拆裝步驟提示，解除機械約束，可以自由操作但需要限時完成。核實對受訓者對應的操作步驟是否正確，每個動作設置相應分數(shù)，操作錯誤則扣分，并根據(jù)操作動作完成情況和完成時間按點打分，給出成績評價，查看學員的掌握程度，錄制并提交操作流程動畫。其次，在實踐教學結(jié)束后，利用約一個課時的時間，通過理論考核方式檢驗受訓者理論知識的接受程度。試題結(jié)構(gòu)以選擇題、問答題為主，內(nèi)容主要包括零件及維修工具名稱，以及拆裝、保養(yǎng)、維修等各類操作步驟等。最后，整理提交操作過程的虛擬動畫，并組織受訓者以匯報的形式分析操作中遇到的問題和相應的解決方式。其中，匯報內(nèi)容必須包括分析故障發(fā)生的核心原因和關(guān)鍵操作步驟，還有針對此故障事后需進行相應保養(yǎng)重點、保養(yǎng)頻率時長的計劃。該評價體系的主要特點是考查受訓者的理論基礎知識、實踐操作能力及敘述總結(jié)能力。通過該評價體系模擬受訓者在真實場景中需要面對的環(huán)境和條件，檢查理論操作和實際操作的缺陷，并有針對性地提高受訓者能力來完成整個任務的操作，掌握柴油機常見的保養(yǎng)和故障處理策略，有效解決柴油發(fā)動機的常見問題。

3 結(jié)語

以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為背景，以柴油發(fā)動機實踐操作為教學實踐內(nèi)容，針對現(xiàn)階段教育培訓機構(gòu)中柴油機實踐課程教學中存在的問題和不足，結(jié)合操作手冊和工程保障訓練實際，提出利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，靈活利用培訓體系平臺資源，改進教育教學模式內(nèi)容。從結(jié)構(gòu)展示、拆裝訓練、考核評價等出發(fā)，通過教學內(nèi)容、課程設計、訓練模式3個方面對柴油機實踐教學和評價體系進行改革，并為制作科目設置全面、內(nèi)容規(guī)劃合理的柴油機虛擬訓練教學提供建議，幫助受訓者更好地掌握柴油機的性能參數(shù)，熟悉柴油機的結(jié)構(gòu)原理，掌握柴油機的調(diào)整保養(yǎng)維修手段等訓練內(nèi)容，從而提高教育培訓機構(gòu)的教育水平，培養(yǎng)具有更高素質(zhì)的柴油機維護維修人才隊伍。