基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車(chē)教學(xué)模式探索與研究

河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 志，楊學(xué)新，武波濤

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，實(shí)現(xiàn)了同一場(chǎng)景內(nèi)實(shí)際物體和虛擬物體的實(shí)時(shí)共存和交互，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。其關(guān)鍵的技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的信息交互和獲取。

1 當(dāng)前新能源汽車(chē)技術(shù)專業(yè)教學(xué)存在的問(wèn)題

新能源汽車(chē)最大的特點(diǎn)是電驅(qū)動(dòng)，如一汽豐田普銳斯車(chē)、吉利帝豪EV車(chē)、比亞迪K9純電動(dòng)大客車(chē)等，使用的電壓均在數(shù)百伏，有的甚至高達(dá)750 V。新能源汽車(chē)高壓組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路較復(fù)雜，拆裝困難且存在一定的觸電風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前中高職新能源汽車(chē)專業(yè)課程教學(xué)主要采用理論講授和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的方式。理論教學(xué)一般借助圖片和視頻資源對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行講解，這對(duì)空間想象力較弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)困難較大，課堂效果差。實(shí)訓(xùn)教學(xué)則普遍存在實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足、對(duì)高壓安全防護(hù)要求高、教學(xué)成本高等問(wèn)題。探索基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車(chē)教學(xué)模式可有效解決上述問(wèn)題。

2 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車(chē)技術(shù)專業(yè)教學(xué)交互系統(tǒng)

2.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于Unity3D開(kāi)發(fā)工具和Visual studio 2017應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建MR教學(xué)系統(tǒng)。MR教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是建模，通過(guò)測(cè)繪整車(chē)及零部件尺寸，收集現(xiàn)有的有關(guān)新能源汽車(chē)的圖片、文字和視頻等資料，構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫(kù)。然后借助Hololens設(shè)備上的傳感器對(duì)真實(shí)世界的結(jié)構(gòu)、用戶坐標(biāo)位置及進(jìn)行交互的指令（例如手勢(shì)、聲音及視角方向等信息）等信息進(jìn)行獲取，利用Hololens設(shè)備上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，構(gòu)建實(shí)時(shí)的虛擬結(jié)合的全息影像。MR教學(xué)系統(tǒng)同時(shí)具備評(píng)價(jià)功能，能對(duì)用戶的操作步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合其最終解決問(wèn)題的效率，給出一個(gè)分值，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者操作過(guò)程及結(jié)果的反饋。

2.2 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3種教學(xué)模式

根據(jù)新能源汽車(chē)技術(shù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)了以下3種教學(xué)模式。

（1）結(jié)構(gòu)認(rèn)知。佩戴HoloLens頭顯設(shè)備后，用戶可以看見(jiàn)新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)的全息影像，可通過(guò)手勢(shì)對(duì)其進(jìn)行放大、縮小、360°旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，改變各部分結(jié)構(gòu)的透明度及顏色，從中研究新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系和控制關(guān)系，還可以對(duì)其進(jìn)行拆裝。模型中任意部件均可分解，生動(dòng)展示工作狀態(tài)，同時(shí)配有語(yǔ)音講解，輕松突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題。

（2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)中的新能源汽車(chē)進(jìn)行復(fù)合教學(xué)，同比例進(jìn)行復(fù)制，當(dāng)啟動(dòng)現(xiàn)實(shí)中的汽車(chē)時(shí)，圖像采集設(shè)備根據(jù)其采集數(shù)據(jù)的變化，對(duì)現(xiàn)實(shí)中車(chē)輛的工作狀況進(jìn)行模擬，還可對(duì)虛擬模型進(jìn)行故障檢測(cè)，獲取其故障信息，進(jìn)行零件更換，實(shí)現(xiàn)模擬排除故障。

（3）案例教學(xué)。在進(jìn)行多人教學(xué)時(shí)，教師可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的案例模型，也可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障設(shè)置，此時(shí)多人可同時(shí)觀看其操作步驟。單人演練時(shí)，學(xué)生可以對(duì)模型進(jìn)行各種操作，不受他人影響。

2.3 教學(xué)實(shí)施流程

教學(xué)實(shí)施流程可分為課程引入、虛擬操作、教學(xué)評(píng)價(jià)等3個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）課程引入。采用案例引導(dǎo)式教學(xué)方法，教師設(shè)置車(chē)輛故障并向?qū)W生描述故障現(xiàn)象，學(xué)生帶著問(wèn)題開(kāi)始課堂的學(xué)習(xí)。

（2）虛擬實(shí)操。學(xué)生佩戴HoloLens眼鏡，通過(guò)圖像掃描方式獲取環(huán)境信息和汽車(chē)結(jié)構(gòu)模型。首先進(jìn)入結(jié)構(gòu)認(rèn)知教學(xué)模式，通過(guò)對(duì)新能源汽車(chē)的虛擬全息影像進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)、縮放和拆裝操作，以便于對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行初步的認(rèn)識(shí)。接著進(jìn)入案例教學(xué)模式，學(xué)生根據(jù)教師指令做好高壓安全防護(hù)并進(jìn)入到單人操作模式，該模式下學(xué)生可以各自獨(dú)立進(jìn)行操作。依次進(jìn)行故障分析，故障檢測(cè)，確定故障點(diǎn)，更換相應(yīng)的零部件、元器件或線路，修復(fù)車(chē)輛后驗(yàn)證故障。系統(tǒng)可設(shè)置多次操作，如故障點(diǎn)查找錯(cuò)誤，可進(jìn)行新一輪的故障排除，直到車(chē)輛功能恢復(fù)正常。

（3）教學(xué)評(píng)價(jià)。故障排除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入評(píng)價(jià)模塊，對(duì)學(xué)生的操作步驟和過(guò)程進(jìn)行評(píng)分，并反饋結(jié)果，便于學(xué)生對(duì)整個(gè)操作過(guò)程進(jìn)行反思和總結(jié)。

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生是主體，教師起引導(dǎo)作用，大大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)論

MR教學(xué)模式將學(xué)習(xí)從傳統(tǒng)的二維屏幕和書(shū)本擴(kuò)展到整個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的教學(xué)可視空間，降低了對(duì)學(xué)生抽象空間想象能力的要求，讓枯燥的課堂理論學(xué)習(xí)變得豐富、有趣；通過(guò)和虛擬世界豐富的動(dòng)態(tài)交互，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也解決了新能源汽車(chē)高壓安全防護(hù)問(wèn)題，降低了反復(fù)拆裝、測(cè)量所需的教學(xué)成本。