王康俊，楊 騰

(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

以山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源汽車檢測(cè)與維修技術(shù)專業(yè)教學(xué)為研究對(duì)象，該專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是為新能源汽車制造、售后服務(wù)行業(yè)培養(yǎng)具備扎實(shí)理論知識(shí)和實(shí)踐技能的應(yīng)用型技術(shù)技能型人才。在校期間實(shí)踐技能的掌握程度直接影響學(xué)生能否順利步入工作崗位，因此如何在現(xiàn)有教學(xué)條件下提升實(shí)踐教學(xué)效果和質(zhì)量變得至關(guān)重要。本文將分析信息化手段尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用實(shí)施及對(duì)課堂效果的提升和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 專業(yè)教學(xué)分析

山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源汽車檢測(cè)與維修技術(shù)專業(yè)自成立以來(lái)，連續(xù)兩年共招生200余人，對(duì)兩年來(lái)專業(yè)教學(xué)過(guò)程實(shí)施情況及不足分析總結(jié)如下。

1.1 師資分析

目前學(xué)院配備專職專業(yè)教師4名，只有1名為車輛工程專業(yè)，其余教師均為相近專業(yè)轉(zhuǎn)行教師。新能源汽車作為新興的綜合性產(chǎn)業(yè)，不僅要求教師具備傳統(tǒng)的機(jī)械車輛理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且對(duì)電工電子、通訊、電池、控制學(xué)等學(xué)科要有認(rèn)識(shí)和了解，因此對(duì)教師提出了更高的要求，教師都是通過(guò)自學(xué)或參加專業(yè)培訓(xùn)的方式來(lái)提高自身在新能源汽車專業(yè)方面的認(rèn)知和水平，目前可基本滿足于理論教學(xué)。而實(shí)踐技能的提升渠道及條件則相對(duì)缺乏，實(shí)訓(xùn)教師的數(shù)量及實(shí)際操作能力已然成為短板，潛在影響學(xué)生技能培養(yǎng)。

1.2 學(xué)情分析

對(duì)學(xué)生在課堂活動(dòng)中的表現(xiàn)等情況進(jìn)行分析，第一學(xué)年在汽車機(jī)械基礎(chǔ)、新能源汽車概論、新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理等基礎(chǔ)課程中初始學(xué)習(xí)興趣濃厚，課堂氛圍相對(duì)活躍，隨著課堂教學(xué)的不斷深入，學(xué)生逐步脫離課堂，參與度明顯下降，教學(xué)質(zhì)量很難保證。第二學(xué)年專業(yè)核心課程新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)、動(dòng)力電池管理及維護(hù)技術(shù)、純電動(dòng)汽車故障與診斷教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的探索和需求的主動(dòng)性直線下滑，分析原因是理論知識(shí)苦澀難于理解、高職學(xué)生的理論學(xué)習(xí)能力相對(duì)薄弱。相反，高職學(xué)生對(duì)于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)更容易產(chǎn)生持久的興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，通常表現(xiàn)為積極踴躍進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，通過(guò)自身努力及團(tuán)隊(duì)合作完成任務(wù)后具有獲得感和成就感，特別是在未知領(lǐng)域則會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的求知和探索欲望。通常情況下學(xué)生會(huì)結(jié)合任務(wù)實(shí)施過(guò)程及經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自身理論知識(shí)的欠缺，從而激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力。

1.3 教學(xué)資源分析

教學(xué)資源方面主要分為軟資源和實(shí)訓(xùn)資源兩大類，軟資源包括教師的教學(xué)課件、動(dòng)畫及微課等，軟資源可以滿足日常理論教學(xué)需求。實(shí)訓(xùn)資源配置一方面受限于場(chǎng)地，另一方面受限于高昂的設(shè)備費(fèi)用，而且設(shè)備的更新?lián)Q代周期日益縮短，主要配置了電機(jī)拆卸臺(tái)架、高壓安全管理實(shí)驗(yàn)臺(tái)、比亞迪E5純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)臺(tái)架各一套，實(shí)訓(xùn)室占地面積不足100 m2，只能滿足教學(xué)演示需求[1]。

1.4 教學(xué)現(xiàn)狀分析

基于以上師資、學(xué)情、教學(xué)資源配置等現(xiàn)狀，目前仍達(dá)不到理實(shí)一體化教學(xué)模式，并且在專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)凸顯出一系列問(wèn)題。1)設(shè)備數(shù)量與學(xué)生比很低，45名學(xué)生的班級(jí)只有一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備，每項(xiàng)任務(wù)最多需要3名同學(xué)配合完成，即15個(gè)小組輪流進(jìn)行實(shí)踐操作將會(huì)消耗大量的時(shí)間，導(dǎo)致整個(gè)學(xué)期所能完成的任務(wù)很少；2)未配置實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，新能源汽車實(shí)操任務(wù)相比于傳統(tǒng)汽車危險(xiǎn)系數(shù)高，實(shí)訓(xùn)教師需全程指導(dǎo)和監(jiān)督，避免安全事故發(fā)生，目前僅依靠一名教師管理和指導(dǎo)實(shí)踐環(huán)節(jié)，效率不高；3)在教學(xué)演示環(huán)節(jié)，受場(chǎng)地和設(shè)備數(shù)量限制，學(xué)生不能夠清晰獲取教師的講解和實(shí)操技能，導(dǎo)致同樣的案例需教師重復(fù)數(shù)次，無(wú)形中增加了教師的勞動(dòng)強(qiáng)度；4)實(shí)訓(xùn)設(shè)備技術(shù)狀況落后于行業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生在校內(nèi)所學(xué)所見(jiàn)無(wú)法直接應(yīng)用于工作中，達(dá)不到從學(xué)校到工作崗位的無(wú)縫銜接。

綜合上述現(xiàn)實(shí)情況，學(xué)院目前教學(xué)方式及達(dá)成的效果距離人才培養(yǎng)目標(biāo)仍有較大差距，新能源及汽修專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)過(guò)程中需要提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，強(qiáng)化學(xué)生技能操作能力，達(dá)到專業(yè)人才培養(yǎng)方案的目標(biāo)，同時(shí)又要降低教師的工作負(fù)荷，減少安全隱患，提高課堂的整體效率。因此，引入先進(jìn)的信息化教學(xué)手段刻不容緩。本文借鑒汽車研發(fā)過(guò)程中最常用到的三維模型及虛擬仿真技術(shù)，探索將其運(yùn)用至實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)改善課堂效果，彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)資源不足帶來(lái)的問(wèn)題，從而使學(xué)生掌握更多的實(shí)操技能。

2 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)實(shí)踐

虛擬仿真技術(shù)自20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，憑借其實(shí)時(shí)的三維空間表現(xiàn)能力及人機(jī)交互的操作便攜性等特點(diǎn)應(yīng)被廣泛應(yīng)用于汽車研發(fā)、制造、服務(wù)等領(lǐng)域[2]。在高職汽修專業(yè)教學(xué)中也逐步出現(xiàn)了虛擬仿真的運(yùn)用案例[3]，根據(jù)新能源汽修專業(yè)課程體系及培養(yǎng)需求，以純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷課程為載體，申請(qǐng)某公司開(kāi)發(fā)的云立方虛擬實(shí)訓(xùn)軟件為工具，將其運(yùn)用至實(shí)踐課教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革研究[4]。

2.1 實(shí)施過(guò)程

該虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中配置了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)虛擬故障診斷車(比亞迪E5)，適用于新能源汽車故障診斷實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、交流充電系統(tǒng)、高壓互鎖、CAN通訊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器、主接觸器等進(jìn)行故障設(shè)置，并匹配了診斷流程、電路圖及維修手冊(cè)等學(xué)習(xí)資料。基于虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，教師可開(kāi)展教學(xué)演示、任務(wù)管理及成績(jī)查看，學(xué)生主要完成教師發(fā)布的練習(xí)及考核任務(wù)，同時(shí)可以查看已完成任務(wù)的得分及扣分項(xiàng)目。

在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，將虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件安裝至學(xué)校公共機(jī)房電腦上，可以保證學(xué)生每人一臺(tái)電腦。首先由教師利用20 min在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中教學(xué)演示中講解純電動(dòng)汽車故障診斷任務(wù)實(shí)施流程(圖1)：1)準(zhǔn)備工作；2)部件位置；3)結(jié)構(gòu)認(rèn)知；4)電路圖分析；5)診斷流程；6)收尾工作。

圖1 維修工單

其次，教師在任務(wù)管理中，選擇故障現(xiàn)象或故障點(diǎn)發(fā)布練習(xí)任務(wù)并設(shè)定時(shí)長(zhǎng)30 min，由學(xué)生在各自電腦上進(jìn)行故障診斷及排除練習(xí)，在練習(xí)任務(wù)中，學(xué)生可根據(jù)診斷需求切換視角，快速定位至零件視角、常用視角及駕駛室視角等。同時(shí)配備故障診斷儀(圖2)、萬(wàn)用表及示波器等設(shè)備，學(xué)生可參考維修手冊(cè)及診斷流程按照維修工單完成故障診斷與排除。

圖2 虛擬故障診斷界面

遇到困惑時(shí)可請(qǐng)教教師或點(diǎn)擊軟件中的提示按鈕輔助其完成整個(gè)任務(wù)；學(xué)生練習(xí)完成后由教師發(fā)布考核任務(wù)并設(shè)定時(shí)長(zhǎng)30 min，在考核任務(wù)中學(xué)生將不能參考診斷流程，須按照維修工單完成任務(wù)并提交；最后教師利用10 min時(shí)間總結(jié)學(xué)生在考核任務(wù)中的得分情況，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)易錯(cuò)環(huán)節(jié)。整個(gè)教學(xué)實(shí)施過(guò)程既涵蓋了理論知識(shí)的講解，又將課堂主體轉(zhuǎn)移至學(xué)生，讓學(xué)生充分參與到課堂活動(dòng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生“學(xué)、練、考”與教師“教、評(píng)”的有機(jī)結(jié)合，同時(shí)學(xué)生可利用課后時(shí)間在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中進(jìn)行練習(xí)和鞏固，為學(xué)生獲取知識(shí)和技能提供更多便捷性[5]。

2.2 效果分析

1)利用虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能將純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷場(chǎng)景仿真與還原，學(xué)生在平臺(tái)中運(yùn)用維修工具及設(shè)備，按照規(guī)范的診斷流程實(shí)施任務(wù)，彌補(bǔ)了實(shí)訓(xùn)設(shè)備配備不足的現(xiàn)狀，解決了以往10多名學(xué)生面對(duì)一臺(tái)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的窘境。使學(xué)生真正變成實(shí)踐課堂的主角，有效提高了學(xué)生的課堂參與度。

2)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具備立體三維視圖效果，學(xué)生可任意切換至車輛各個(gè)視角，有助于查找零部件的安裝位置，同時(shí)通過(guò)操縱點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、制動(dòng)及加速踏板，學(xué)生可模擬啟動(dòng)和駕駛車輛，正是由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最突出的交互性特點(diǎn)，使學(xué)生能沉浸在模擬的汽修環(huán)境中，增加了學(xué)生身臨其境的感受，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升獲取知識(shí)和技能的主動(dòng)性。

3)分析純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障診斷的特點(diǎn)，在不破壞原車線束的情況下實(shí)際故障設(shè)置點(diǎn)以保險(xiǎn)、繼電器為主，故障相對(duì)單調(diào)，而利用虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不僅可以擴(kuò)大故障設(shè)置范圍，包括保險(xiǎn)、繼電器、線路及元器件，例如，單體電池欠壓導(dǎo)致車輛無(wú)法高壓上電的故障，而且故障設(shè)置便捷，不會(huì)對(duì)車輛造成影響。通過(guò)設(shè)置多樣化的故障點(diǎn)使學(xué)生體驗(yàn)不同的故障現(xiàn)象，從而增加學(xué)生對(duì)不同故障的認(rèn)知、積累豐富的診斷經(jīng)驗(yàn)。

4)學(xué)生在進(jìn)行新能源汽車故障診斷排查實(shí)操時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)因操作不當(dāng)、工具設(shè)備使用錯(cuò)誤引發(fā)的安全事故及車輛受損。而在虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中可以有效規(guī)避此類現(xiàn)象發(fā)生，如學(xué)生未按規(guī)范操作，系統(tǒng)將會(huì)給出錯(cuò)誤警告和提示。對(duì)于同一個(gè)故障，學(xué)生可反復(fù)多次進(jìn)行操作和練習(xí)，以提升操作熟練性。同時(shí)配置了診斷流程、電路圖及維修手冊(cè)(圖3)可供學(xué)生參考，從而提高學(xué)生操作的安全性和效率。

圖3 維修手冊(cè)

5)在評(píng)價(jià)反饋方面，學(xué)生提交任務(wù)后虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)均可根據(jù)學(xué)生的操作情況及工單記錄自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分，并以報(bào)告的方式展現(xiàn)。學(xué)生可查閱得分并發(fā)現(xiàn)自身操作不當(dāng)?shù)木唧w項(xiàng)目，以便后續(xù)加強(qiáng)練習(xí)，如存在困惑問(wèn)題可隨時(shí)通過(guò)虛擬平臺(tái)信息系統(tǒng)向教師請(qǐng)教，課后也可通過(guò)回看平臺(tái)上保留的操作視頻再次溫故知新；虛擬平臺(tái)可對(duì)學(xué)生的操作步驟進(jìn)行記錄分析并反饋至學(xué)生，每個(gè)任務(wù)結(jié)束后給出得分，教師根據(jù)報(bào)表得分可直觀分析學(xué)生對(duì)任務(wù)的掌握情況，反思教學(xué)設(shè)計(jì)中重難點(diǎn)布置的合理性，為后續(xù)的教學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持。授課班級(jí)成績(jī)統(tǒng)計(jì)(表1)，學(xué)生個(gè)人任務(wù)成績(jī)統(tǒng)計(jì)(表2)。

表1 班級(jí)成績(jī)統(tǒng)計(jì)

表2 任務(wù)成績(jī)統(tǒng)計(jì)(個(gè)人)

6)將虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用于專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，經(jīng)對(duì)比平臺(tái)購(gòu)置費(fèi)用明顯低于實(shí)訓(xùn)車輛及設(shè)備費(fèi)用且無(wú)需投入實(shí)訓(xùn)耗材，不僅能節(jié)約學(xué)院的經(jīng)費(fèi)支出，而且減少了因車型更新?lián)Q代技術(shù)落后導(dǎo)致的二次費(fèi)用投入，在平臺(tái)中進(jìn)行車型升級(jí)即可[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)院在現(xiàn)有師資力量、設(shè)備經(jīng)費(fèi)、實(shí)訓(xùn)條件及教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，防止人才培養(yǎng)與社會(huì)行業(yè)需求相脫節(jié)，隨著信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用至新能源汽修專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，正是推進(jìn)職業(yè)院?！叭獭备母锏闹匾窂街唬詫I(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為主線，旨在提升人才培養(yǎng)質(zhì)量、為社會(huì)輸入技術(shù)技能型人才。通過(guò)實(shí)踐研究，切身體會(huì)到學(xué)生的變化：1)學(xué)生由厭學(xué)棄學(xué)到如今的自主學(xué)習(xí)；2)教學(xué)模式的改革，由教師講授演示轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主實(shí)操；3)教材的變化，由課本變?yōu)榫S修手冊(cè)、工單、實(shí)車電路圖等；4)技能提升，在沒(méi)有競(jìng)賽車輛的條件下指導(dǎo)學(xué)生獲得山西省十五屆職業(yè)院校技能競(jìng)賽新能源汽車技術(shù)與服務(wù)賽項(xiàng)團(tuán)體三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。

總之，虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的運(yùn)用不僅改善了學(xué)生課堂參與度、豐富學(xué)生職業(yè)場(chǎng)景體驗(yàn)感受、提升學(xué)生職業(yè)技能，而且能降低學(xué)院開(kāi)支、保證實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)的安全性及課堂效率，可以有效縮短教學(xué)時(shí)間并提高教學(xué)效率。促進(jìn)教師更直觀、清晰地操作示范，輔助學(xué)生模擬操作降低實(shí)操失誤率，方便學(xué)生復(fù)盤操作流程，極大地提升課堂效率。同時(shí)又能協(xié)助教師對(duì)每個(gè)學(xué)生形成過(guò)程性評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生在各學(xué)習(xí)階段的情況。未來(lái)學(xué)院將繼續(xù)探索，依據(jù)人才培養(yǎng)方案、課程標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)有課程內(nèi)容和信息化教學(xué)手段有機(jī)融合，打造效率更高的課堂，推廣虛擬仿真技術(shù)在汽車拆裝、結(jié)構(gòu)認(rèn)知等課程中的應(yīng)用，不斷拓展和改革教學(xué)模式，尋求有效提升學(xué)生實(shí)踐操作能力及教學(xué)質(zhì)量的方法路徑，為新能源汽車行業(yè)培養(yǎng)后備人才。

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