VR技術在新能源汽車專業教學中的應用與研究

王澤森　申榮衛

摘 要：新能源汽車在實訓教學中常常存在安全隱患多、技能訓練成本高、教學演示困難等問題，而應用VR技術于新能源汽車專業教學將極大地避免這些問題的產生，本文從分析VR技術在實際中的應用入手，進一步對VR技術在新能源汽車專業教學中的具體應用展開分析。

關鍵詞：VR技術? 新能源汽車? 專業教學

課 題：本文系天津市虛擬仿真實驗教學建設項目——基于VR的《新能源汽車故障診斷技術》課程實驗項目，天津職業技術師范大學課程教學改革專項（項目編號：15101/XJJW1937）研究成果。

一、研究背景

針對能源與生態環境問題的增多，國家“五位一體”發展戰略著重強調生態文明建設的重要性，國家對新能源汽車產業在政策上予以大力扶持，把新能源汽車產業列為國家七大戰略新興產業，中央和各級地方政府也相應地出臺了各類優惠扶持政策。但新能源汽車產業的蓬勃發展面臨著嚴峻的考驗：新能源汽車相關維修專業人才的緊缺。據有關報告披露的數據，預計到2020年，新能源汽車產業維修專業人才的缺口達到68萬人次，人才培養迫在眉睫。但新能源汽車的維修與傳統汽車維修有著極大的差異，以純電動汽車為例，其結構與工作原理完全不同，動力總成主要由高壓電控總成、動力電池與驅動電機等組成，在對純電動汽車進行維修作業時，操作稍有不當，極容易發生高壓觸電的危險，危及維修作業人員的生命。

二、VR技術的概念

Virtual Reality即虛擬現實，簡稱VR。20世紀80年代由美國VPL創始人Jaron Lanier率先提出。虛擬現實所建立的虛擬環境是由通過真實數據進行數字建模并組合而成，建立符合工程項目設計標準和要求的虛擬場景，真實再現規劃項目。

三、VR技術國內外研究綜述

我國VR技術同國外發達國家相比，起步晚，存在一定的差距，但目前國家有關部門和相關科研人員高度重視VR技術的研究，把VR技術研究列入了國家自然科學基金委、國家高技術研究發展計劃等國家級戰略發展研究項目。清華大學對虛擬環境的沉浸感和真實感等方面進行了研究;北京航空航天大學開發了用于飛行員的虛擬現實系統，適用于飛行員的教學及訓練。

20世紀90年代，VR技術最早被美國應用于軍事與航天領域，用VR技術模擬作戰時的環境，用于軍人的戰備以及訓練;美國的北卡羅來納大學主要研究外科手術方面的VR系統;麻省理工大學主要致力于VR技術基礎研究;日本在虛擬現實游戲方面的研究也處于世界領先水平。

四、VR技術在新能源汽車專業教學中的應用

縱觀國內外發展研究，VR技術主要應用于軍事、醫療、游戲娛樂等領域，而將VR技術應用于教育行業的研究少之又少。隨著VR技術的不斷發展，我們需要創新性地將VR技術與新能源汽車的專業教學相融合，創造性地提出“理、虛、實一體化”的教學模式，設計研發出一套基于“工作過程”的新能源汽車VR教學系統。

1.新能源汽車VR教學系統

新能源汽車VR教學系統主要包括新能源汽車結構認知、新能源汽車工作原理、新能源汽車性能測試以及新能源汽車技能訓練四類項目，各項目分別與新能源汽車的核心課程進行精準對接。

新能源汽車結構認知項目主要是通過爆炸圖的方式對整車的構造、關鍵總成以及零部件的認知問題予以解決，用戶能夠通過教學系統對觀察對象進行交互認知，以行動為導向引導學生制訂計劃，使學生通過學習具有認知純電動汽車的結構與組成，正確使用新能源汽車個人及車間防護用品，學會新能源汽車觸電、火災事故等急救處理的能力等。

新能源汽車工作原理項目主要是展示各系統或各零部件在汽車行駛中的工作原理，如：減速時能量的流動情況等。工作原理的展示可以360度全方位地觀看。

新能源汽車性能測試主要是對車輛的各工況下的性能進行測試，學生通過教學系統與實驗車輛進行交互操作，通過做實驗的方式展示車輛的使用性能，如：電機超速實驗等。

新能源汽車技能訓練項目主要是通過教學系統，使學生在虛擬的環境中對零部件的拆裝、各總成的更換、維護保養以及檢測檢查等項目進行交互式操作拆裝訓練，技能訓練分為三種模式：示教模式、自由探索模式和考核模式。

在示教模式中，學生在虛擬教學環境中，根據機器人的引導按照規范標準的操作步驟反復進行技能訓練，當操作出現錯誤時，機器人會及時提醒并糾正錯誤操作。技能訓練主要包括純電動汽車電池及電池管理系統的拆裝與檢測、純電動汽車電機及傳動系統拆裝與檢測等。

在考核模式中，學生像在真實環境中一樣操作設備，考核的過程實際上就是在虛擬教學環境中對正確規范的操作流程的真實再現，虛擬教學環境中的操作流程與最終的考核結果可以進行儲存、處理以及重復循環播放。

2.新能源汽車VR教學系統的優點

（1）新能源汽車擁有高壓系統。極有可能因操作不規范而觸電，引發人身傷亡事故。新能源汽車VR教學系統能夠在虛擬的空間中模擬再現真實的高壓值，并且沒有任何限制，任何年齡段的學生都可以在這個系統里進行模擬訓練。通過在虛擬教學環境中的模擬訓練，能夠引導學生按照相應工作崗位要求的規范標準流程進行操作，在避免人身傷亡事故的情況下，訓練學生的操作規范性。

（2）新能源汽車各系統在工作過程及控制策略方面更加復雜、抽象。如果利用常規的教學手段和教學方法，無法讓學生更快、更扎實地掌握這方面的知識。通過新能源汽車VR教學系統，學生能夠在虛擬的教學環境中更加真實地觀察到各個工況下各系統的工作過程及控制原理。

（3）在考核模式中，系統隨機抽取考核題目，教師可以實時監控學生的操作行為。從而對學生的技能掌握情況進行考評，系統能夠提示學生操作的不規范之處，并根據學生操作的準確度和速度進行評分。

（4）實訓車間是新能源汽車專業的必備硬件設施，若干專業教學的實施都必須在專業的實訓場地中進行，隨著國家不斷深化對職業教育的改革，職業院校對實訓場地建設的投入也越來越大，但新能源汽車專業實訓車間專業要求高，建設周期長，且需要購買大量的專業教學儀器設備，后期教學儀器設備的維護保養也需要不斷地進行資金投入，這顯然增加了學校的財政壓力。但是利用VR教學系統塑造一個與真實環境幾乎完全無差別的虛擬工作現場，因虛擬實訓車間以及專業教學儀器設備都是由計算機建模仿真制作而成，無須對其進行維護與保養，若有其他要求，可以直接在計算機上進行修改或添加，學生可以通過系統隨時隨地地進行技能訓練，打破了空間的限制，節約了時間，大大降低了教學成本。

（5）與枯燥無聊的實操技能訓練相比，VR教學系統可以根據教學目標的不同，構建不同的虛擬教學情境，能夠更有效地促進知識的表達，構建一個非常優良的學習環境。學生可以身臨其境、沉浸其中，可以做到真正的“做中學，學中做”，增加學習內容的形象性和趣味性，讓教育教學寓教于樂，有效激發學生的學習興趣。

五、小結

VR技術在新能源汽車專業教學中的應用，提高了教育教學的信息化水平，推動了汽車專業教學模式的改革，增加了專業教學的深度和廣度，提高了學生參與到其中的興趣與學習的效率，有利于學生職業能力的提升和職業素質的養成，優化了考核方式，降低了實訓教學的成本和風險。相信隨著VR技術的不斷成熟與發展，VR技術在新能源汽車專業教育教學中的應用將日趨完善。

參考文獻：

[1]孔超，申榮衛，閻文兵等.中職院校新能源汽車專業發展現狀調查研究[J].電子世界，2018（14）.

[2]王雪萍.中職學校新能源汽車技能人才培養研究[J].科技展望，2015（23）.

（作者單位：天津職業技術師范大學）