基于虚拟现实技术的汽车类虚拟仿真实验项目构建与实施

    周锡恩 韦国耀 毛彩云 吴秋怡 张兆宇

    

    

    

    摘 ?要 针对当前实物实验存在的一些问题，分析在汽车类实验项目中开展虚拟仿真实验的现实意义。介绍如何通过引入虚拟现实技术构建汽车类虚拟仿真实验项目，弥补实物实验不足的方法，为有志于构建虚拟仿真实验项目的教师提供参考。

    关键词 汽车类虚拟仿真实验;虚拟现实技术;实物实验;车辆工程专业

    中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）16-0029-03

    Construction and Implementation of Vehicle Virtual Simulation Experiment Project based on Virtual Reality Technology//ZHOU Xien， WEI Guoyao， MAO Caiyun， WU Qiuyi， ZHANG Zhaoyu

    Abstract Aiming at some problems existing in the current physical experiment， the practical significance of virtual simulation experi-ment in the automobile experiment project is analyzed. This paper introduces how to make up for the shortcomings of the physical experiment by introducing virtual reality technology to construct the automobile virtual simulation experiment project， which provides a useful reference for teachers who are interested in constructing the virtual simulation experiment project.

    Key words vehicle virtual simulation experiment; virtual reality technology; physical experiment; vehicle engineering

    1 前言

    2018年，教育部在示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作的基础上进一步深化和拓展，开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作，目的是进一步推动实验教学信息化，更新实验教学理念，改进实验教学的方式、手段，拓展实验教学内容，延伸实验教学空间，解决当前传统实验教学中实验手段单一、实验内容限制过多、高风险高投入实验难以开展等问题。虚拟现实技术（VR技术）作为新兴的信息融合技术，因其具有较好的沉浸性、构想性以及交互性，广泛应用在虚拟仿真技术中，尤其在虚拟仿真实验教学项目中的应用具有独特优势[1-2]，目前许多高校虚拟仿真教学项目的构建都采用VR技术。

    2 虚拟仿真实验课程建设的意义

    2018年12月，某大学科研实验室发生爆炸，造成三名参与实验的研究生不幸遇难，实验室安全问题摆在大众面前。由于高校实验室类型繁多，各种仪器设备以及危化品多，而进行研究的学生每年都在变化，往往操作人员不固定，对仪器设备和实验对象不够熟悉，导致安全事故时有发生。但是并不能因为安全事故的发生，就放弃一些高风险实验项目，而是应寻找一种更优的方法。除了做好实验室安全管理工作外，还要对学生进行安全培训。

    随着科学技术的发展，虚拟仿真技术的应用，许多问题迎刃而解。高校可以把一些高风险实验项目设计成虚拟仿真实验项目，在进行实物实验之前，让学生先进行虚拟仿真实验。在虚拟仿真实验中出现错误或危险操作时，利用其声、光、电等形式提醒学生注意，着重让学生养成良好的实验行为习惯以及规范的操作流程。学生只有在虚拟仿真实验中达到一定要求后才能进行实物实验，将大大降低实验事故的发生率和提高实验的成功率。

    除了一些高风险实验外，一些高消耗高投入的实验项目也可转化为虚拟仿真实验，不仅能够扩充实验内容，延伸实验空间，还能节省成本，降低实验风险，对增强教学效果、提升学生培养质量具有较为明显的作用。

    车辆工程专业的许多实验项目如汽车碰撞实验等存在高投入、高风险的特点，难以在实验室进行。虚拟仿真实验提供了有效的解决办法，因此有必要根据教学实际，开展汽车类虚拟仿真实验项目。

    虚拟现实技术作为新兴技术，其综合了图像处理、模式识别、传感技术、多媒体技术等[3]，应用在虚拟仿真教学中具有较好的交互性，是传统虚拟仿真技术的进一步深化，能够进一步激发学生学习的主动性、积极性，提高学生的认知能力[4]。因此，本文介绍采用虚拟现实技术开发汽车类虚拟仿真实验项目，推动实验教学改革。

    3 虚拟仿真实验项目建设目标及技术路线

    目前，车辆工程专业主要的专业实践课程包括“汽车构造實验”“汽车电控技术实验”“汽车检测与诊断实验”“汽车拆装实习”“汽车电器综合实习”。这几门实践课程基本上都是演示性和验证性实验，缺少综合性、设计性等实验，难以提高学生的创新思维能力和动手操作能力。一些诸如底盘测功、发动机测功等实验项目，由于设备昂贵、台套数少，而且具有一定的风险性，一般采用演示性实验，学生得不到实操锻炼。此外，发动机以及变速箱的拆装实习，台套数虽然可以满足学生分组进行拆装，但是由于学生对其认识不深，在拆装过程中常常出现错误，导致发动机以及变速箱经过一定次数的拆装后损耗严重，直接影响学生实习效果。为此，通过梳理实践课程中难以让学生有效进行操作以及实操效果不理想的实践项目加以虚拟化，使学生进行虚拟实验或者在虚拟实验后进行实物实验，提高学生的动手能力。

    在虚拟仿真实验项目开发过程中选取部分工作，如实物建模等，以项目或课程设计的形式安排学生分组进行，让学生在设计实验项目的过程中积极思考，深化对理论知识的认识，提高创新思维能力。整个虚拟仿真实验项目的建设遵循图1所示技术路线。

    4 虚拟仿真实验内容的设计与构建

    实训项目内容设计要紧扣实物实验，最大限度贴近实物实验，同时可在实物实验的基础上进一步深化。下面以汽车拆装实习项目作为案例，说明实训内容的设计及构建过程，如图2所示。

    虚拟仿真实验脚本编写 ?确定实验项目后，对整个实验如何开展进行文字描述即脚本编写，包括实验过程的整个流程，作为后续的实验具体内容构建的蓝本。表1所示为部分实验分解脚本案例。

    实物建模 ?主要建立实验对象的虚拟模型。汽车拆装实习中主要是对发动机、变速箱以及底盘其他部件进行拆装，学生无法实现从整车中把相关部件拆卸下来。而作为虚拟仿真实验，可以实现从整车到零部件的拆装练习。因此，在建立实物模型时不仅建立发动机及底盘等相关模型，而且可以建立整车模型，使学生能够从整体上对汽车有更全面的认识。在建立实物模型时，首先建立各个汽车总成的模型，然后通过交互设计，根据约束条件构建整车模型。

    环境构建 ?主要是构建虚拟的实验室工作环境，包括实验室的具体布置、拆装台的设置和工具箱及其工具的摆放等，使整个虚拟仿真实验过程能够贴近实际，具有更好的交互性。实验室环境的布置要按照实验室建设标准进行设计，包括安全管理守则的悬挂、警示标志的粘贴以及实验空间的比例等，尽可能给学生虚拟出较为真实的环境，使学生更加认真对待虚拟仿真实验，形成良好的实验习惯。

    交互设计 ?按照实验脚本，通过渲染端进行约束装配、拆卸和动画模拟等。这部分比较关键，实验整个流程以及操作步骤是否正确取决于交互设计，设计人员要非常熟悉实验的流程和相关步骤，因此，交互设计过程需要反复设计与验证，不断地完善。

    模型的建立是个复杂的过程，需要根据实物的具体参数建立模型。目前，大部分是利用CAD或SolidWorks软件建立模型[5]。如果每个模型都需要通过测量参数重新建立，将耗费大量时间，可以通过校企合作的方式，或者利用现有模型进行二次开发。本文采用校企合作的方式，通过引入虚拟现实仿真实验系统，利用已有的资源库进行二次开发。该系统能够直接利用其自带的软件进行建模，也可以通过SolidWorks等软件先建模，然后导入该系统中再进行交互设计和渲染，可以较快地构建所需的实验项目，大量节省开发时间。

    5 虚拟仿真实验的实施

    虚拟仿真实验项目构建完成后，为使学生快速掌握实验方法，需要编写实验指导书。指导书的内容应包括实验目的、实验要求、实验软硬件介绍、实验内容、具体的操作步骤以及实验效果评价等。在进行虚拟仿真实验时，学生阅读指导书，按照实物实验的实验要求进行实习前预习，主要是对实验原理、实验内容、软硬件的使用进行预习，以便能够更加顺利地完成实验项目。

    实验时，学生带上虚拟现实仿真系统的外部设备，包括操作手柄、3D光学追踪眼镜等进行操作，将置身于虚拟现实环境，犹如身临其境进行实物实验。

    学生进入实验界面后首先进行模式选择，包括“学习模式”“练习模式”和“考核模式”。在学习模式中，系统会自动选取工具并进行连贯的拆装演示，学生可以通过观看演示过程，学习操作步骤。在练习模式中，学生需要自行选择拆装工具，按照正确的步骤进行拆装练习;当步骤错误或者选择的零部件错误时将不能进行拆装，学生可以重新选取合適的工具和零部件。在考核模式中，学生的评价只有“通过”和“不通过”两种。当学生正确选择工具并按照正确的步骤完成拆装，则通过考核;若工具选择错误，可以重新选择工具;若拆装步骤错误，考核不通过，需要重新进行练习和考核。

    6 结语

    虚拟仿真实验能够有效解决当前实验课程所面临的一些问题，尤其是基于虚拟现实技术构建的虚拟仿真实验，具有更好的交互性和真实性，更加贴近实物实验。学生可以通过虚拟仿真实验替代部分实物实验，也可以先进行虚拟仿真实验，再进行实物实验，提高实验的成功率以及减少设备的损耗。在构建虚拟仿真实验的同时，需要建立与之相适应的教学方法，才能更好地发挥虚拟仿真实验的优势。

    参考文献

    [1]李明倩.VR技术在高校教学中的应用研究[J].信息记录材料，2019（2）：109-110.

    [2]李未，滕菲，李庆华.虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用[J].长春大学学报，2016（6）：89-93.

    [3]胡小红，谭文玲.VR技术在动漫实践教学中的应用研究[J].电脑迷，2018（4）：148-149.

    [4]张晓敏.虚拟现实技术在生物学教学中的应用[J].中国教育技术装备，2018（19）：36-37，54.

    [5]罗陆锋，孙爽，李国琴，等.虚拟现实技术在技能实训教学考评中的应用研究[J].中国现代教育装备，2016（21）：

    89-91.