基于混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用 研究與實(shí)踐
——以《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程為例

陳曉鵬，張 霞，潘 達(dá)

（長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410217）

引言

隨著人工智能技術(shù)日新月異，MR技術(shù)備受關(guān)注，MR技術(shù)是一種全新數(shù)字全息影像學(xué)技術(shù)，以虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)交互、三維場(chǎng)景等為主要特征的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在教育領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，有可能將在教育領(lǐng)域帶來(lái)突破性革新，但目前MR技術(shù)在教育領(lǐng)域上的應(yīng)用才剛起步，在高職教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究與實(shí)踐也剛起步。

上海影創(chuàng)信息科技有限公司是一家專業(yè)從事混合現(xiàn)實(shí)MR智能眼鏡整體軟硬件開發(fā)的高科技企業(yè)，已經(jīng)著手為高職教育行業(yè)打造具有科幻感的全息教學(xué)體驗(yàn)，其MR產(chǎn)品和技術(shù)已進(jìn)入多所高職院校，打造了基于MR技術(shù)的全息實(shí)訓(xùn)室，說(shuō)明MR為教育帶來(lái)全新的可能。本文以新能源汽車技術(shù)專業(yè)《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》專業(yè)課程為例，研究與探索MR技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》為新能源汽車技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要內(nèi)容涉及高壓作業(yè)安全防護(hù)、動(dòng)力電池維護(hù)保養(yǎng)、動(dòng)力電池拆卸與安裝、動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)原理的講解、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、功能的講解，動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)故障檢測(cè)、維修技能的學(xué)習(xí)。課程實(shí)施過(guò)程中需要使用純電動(dòng)汽車及其動(dòng)力電池部件，但是由于校內(nèi)實(shí)訓(xùn)車輛數(shù)量有限，學(xué)生的有效實(shí)操效果難以得到保證；動(dòng)力電池為一個(gè)整體，學(xué)生不能直觀看到動(dòng)力電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)；動(dòng)力電池具有高壓危險(xiǎn)，學(xué)生實(shí)操過(guò)程需要進(jìn)行引導(dǎo)，以避免高壓操作危險(xiǎn)。為有效解決上述問(wèn)題，本文開展基于MR技術(shù)在《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程應(yīng)用研究[1]。

1 專業(yè)課程實(shí)現(xiàn)路徑

《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》是高職院校新能源汽車技術(shù)專業(yè)的實(shí)操性較強(qiáng)的專業(yè)課程，服務(wù)于新能源汽車售后服務(wù)企業(yè)的動(dòng)力電池維護(hù)保養(yǎng)、檢查、拆卸、拆解、檢測(cè)、元件更換、安裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生新能源汽車機(jī)電維修崗職業(yè)能力的重要專業(yè)課程。

在《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》教學(xué)過(guò)程中，如果使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，如對(duì)照一個(gè)動(dòng)力電池實(shí)物或動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)臺(tái)架講解動(dòng)力電池組成部件，學(xué)生興趣度不高、理解也較為困難，原因是動(dòng)力電池為一個(gè)整體封裝部件，很多部件學(xué)生不能直接看到，從而導(dǎo)致部分學(xué)生不能夠理解動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)的組成，嚴(yán)重的影響的教學(xué)效果。由此可見(jiàn)，為了達(dá)到《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》專業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)，傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境和設(shè)施已經(jīng)無(wú)法滿足要求。

MR技術(shù)可以為學(xué)生提供直觀三維立體體驗(yàn)，將虛擬的動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)部件模型、動(dòng)畫、視頻以三維立體方式呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生通過(guò)基于MR技術(shù)的課程平臺(tái)、資源進(jìn)行動(dòng)力電池檢查、拆卸、拆解、檢測(cè)、元件更換、安裝等虛擬操作，改變《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程傳統(tǒng)教學(xué)方式課堂的缺點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)教學(xué)過(guò)程中的實(shí)時(shí)的感受性、實(shí)踐的交互性、情境共享性，能夠有效地提高學(xué)生課堂參與的積極性，具體的實(shí)現(xiàn)路徑如圖1所示[2]。

圖1 實(shí)現(xiàn)路徑

通過(guò)基于崗位工作任務(wù)的課程內(nèi)容的構(gòu)建，建設(shè)基于MR技術(shù)的課程資源，課堂教學(xué)中學(xué)生佩戴MR眼鏡，通過(guò)MR全息成像技術(shù)，能夠使動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)、工作原理、維修過(guò)程三維立體地呈現(xiàn)在師生的面前，并通過(guò)邊虛擬操作、邊引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)物上實(shí)踐操作，真正實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，為理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)提供強(qiáng)有力支撐。

2 專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容

《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程注重理實(shí)一體，實(shí)用性強(qiáng)且貼合企業(yè)崗位工作實(shí)踐，主要講授動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)，動(dòng)力電池檢查、拆卸、拆解、檢測(cè)維修、安裝以及不同車型的動(dòng)力電池常見(jiàn)問(wèn)題的檢測(cè)維修與故障排除。通過(guò)此課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠熟悉純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修的基本操作技能，為后續(xù)整車故障診斷與排除打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

根據(jù)《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程教學(xué)需要，利用MR技術(shù)呈現(xiàn)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程，呈現(xiàn)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)三維立體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)工作過(guò)程中能量流動(dòng)、信號(hào)控制等內(nèi)容，呈現(xiàn)動(dòng)力電池拆卸、拆解、檢修等工作過(guò)程。在教學(xué)過(guò)程中，具體內(nèi)容如下表1所示[4]。

表1 教學(xué)內(nèi)容

3 專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

信息化的教學(xué)手段能夠支撐課堂教學(xué)的開展，但是課程教學(xué)是否有效取決于課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，基于MR技術(shù)構(gòu)建的《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程資源需要根據(jù)課程特點(diǎn)，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)才能夠起到良好效果，以動(dòng)力電池拆卸舉例進(jìn)行說(shuō)明[5-7]。

3.1 課前準(zhǔn)備

教師在職教云平臺(tái)發(fā)布課前預(yù)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生在職教云平臺(tái)查看任務(wù)書、信息頁(yè)、工作頁(yè)等內(nèi)容，通過(guò)微課學(xué)習(xí)，自主探究動(dòng)力電池拆卸的相關(guān)內(nèi)容，預(yù)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生在職教云平臺(tái)與教師進(jìn)行互動(dòng)交流，討論學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并完成課前預(yù)習(xí)的測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果，教師掌握學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池拆卸的流程有了解，但思路不甚清晰。針對(duì)動(dòng)力電池固定螺栓，工具選擇不熟悉，工作使用操作規(guī)范性不強(qiáng)，且高壓作業(yè)安全防護(hù)意識(shí)薄弱。因此，在課中實(shí)施階段針對(duì)這部分內(nèi)容利用MR技術(shù)提供三維立體的動(dòng)力電池拆卸體驗(yàn)，將安全防護(hù)、車輛舉升、冷卻液釋放、工具選擇、工具使用等操作流程以三維立體的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和知識(shí)掌握程度。

3.2 課中實(shí)施

課中開展了“引出任務(wù)—虛擬操作—制定方案—錘煉技能—質(zhì)量評(píng)價(jià)”五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，技能學(xué)習(xí)過(guò)程采用“虛擬仿真+實(shí)車操作”方式開展。

3.2.1 引出任務(wù)

教師通過(guò)動(dòng)力電池內(nèi)部存在故障的案例，引出動(dòng)力電池拆卸實(shí)操任務(wù)，組織學(xué)生對(duì)動(dòng)力電池拆卸流程與注意事項(xiàng)進(jìn)行討論，教師進(jìn)行總結(jié)。總結(jié)時(shí)，通過(guò)播放不規(guī)范使用動(dòng)力電池舉升設(shè)備導(dǎo)致事故視頻，警示學(xué)生工具、設(shè)備使用規(guī)范性，要求學(xué)生在實(shí)操過(guò)程中做到安全生產(chǎn)意識(shí)謹(jǐn)記于心。

3.2.2 虛擬操作

雖然學(xué)生對(duì)動(dòng)力拆卸的流程有一定的了解，但是學(xué)生此前課程從未進(jìn)行此方面實(shí)踐操作，因此，引導(dǎo)學(xué)生佩戴MR眼鏡，在虛擬世界中模擬實(shí)訓(xùn)車輛動(dòng)力電池進(jìn)行拆卸，由于MR技術(shù)能夠提供三維立體化逼真體驗(yàn)，使學(xué)生能夠360°觀察操作過(guò)程，并作詳細(xì)記錄。

3.2.3 制定方案

通過(guò)課前學(xué)習(xí)、課中虛擬操作，學(xué)生熟練掌握了動(dòng)力電池拆卸的流程與注意事項(xiàng)，為了避免學(xué)生在實(shí)踐操作過(guò)程中思路不清晰，拆卸步驟未按照要求進(jìn)行，遺忘關(guān)鍵注意事項(xiàng)等，要求學(xué)生小組制定動(dòng)力電池拆卸工作方案，提交教師審查合格后，方可進(jìn)行實(shí)踐操作。

3.2.4 錘煉技能

MR技術(shù)能夠同時(shí)看到真實(shí)世界對(duì)象和虛擬世界對(duì)象，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)世界與虛擬世界的交互且提供反饋，通過(guò)結(jié)合使用MR眼鏡與實(shí)訓(xùn)車輛，以虛擬操作逐步引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐操作。通過(guò)MR平臺(tái)生成電子工單記錄，同時(shí)對(duì)于學(xué)生錯(cuò)誤操作，能夠及時(shí)進(jìn)行警示，可有效減少安全隱患。

3.2.5 質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，評(píng)價(jià)活動(dòng)可在MR平臺(tái)上進(jìn)行，通過(guò)MR平臺(tái)監(jiān)測(cè)與記錄實(shí)操學(xué)習(xí)過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，了解學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)過(guò)程、學(xué)習(xí)效果。

3.3 課后拓展

學(xué)校實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地全天對(duì)學(xué)生開放，受到課堂時(shí)間與實(shí)訓(xùn)條件的限制，部分學(xué)生實(shí)操環(huán)節(jié)掌握情況不好，可以通過(guò)課后拓展互動(dòng)，借助MR平臺(tái)，多次通過(guò)虛擬與現(xiàn)實(shí)交互的方式多次鍛煉技能。

4 專業(yè)課程教學(xué)效果

（1）MR技術(shù)融入課堂，使學(xué)生更換直觀的觀察動(dòng)力電池拆卸整個(gè)過(guò)程，打造沉浸式體驗(yàn)課堂，有效提高學(xué)生技能掌握的效率。

（2）MR 技術(shù)讓學(xué)生在虛擬世界的空間里學(xué)習(xí)探索，實(shí)踐操作環(huán)節(jié)滿足了學(xué)生的好奇心，通過(guò)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的交互，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生實(shí)踐技能學(xué)習(xí)的效果。

（3）MR技術(shù)平臺(tái)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)視和實(shí)時(shí)記錄實(shí)操和學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)收集和分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，發(fā)現(xiàn)實(shí)操過(guò)程中存在的問(wèn)題，促進(jìn)了教師課程教學(xué)的改革。

5 存在問(wèn)題

雖然MR技術(shù)在《動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)檢修》課程教學(xué)中提高了教學(xué)效果，但是仍存在以下方面的問(wèn)題：

（1）MR技術(shù)非常先進(jìn)，平臺(tái)功能較強(qiáng)，但是在高職教育領(lǐng)域應(yīng)用較少，特別是新能源汽車實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用方面，盡管MR技術(shù)平臺(tái)企業(yè)開發(fā)了一些支持新能源汽車教學(xué)的課程資源，但是該資源與院校實(shí)訓(xùn)條件匹配度不高，且目前學(xué)校教師開發(fā)基于MR技術(shù)的課程資源的能力缺乏，導(dǎo)致MR技術(shù)推廣存在問(wèn)題。

（2）由于MR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)課程教學(xué)的應(yīng)用尚處于探索階段，如何有效使用MR技術(shù)開展課堂教學(xué)提高實(shí)踐教學(xué)效果，尚且沒(méi)有成熟的案例與方法可以借鑒。