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

楊師緣

沈陽開放大學(xué) 遼寧沈陽市 110055

在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)還未在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用之前，傳統(tǒng)模式的教育方式是老師將根據(jù)教學(xué)大綱中規(guī)定的內(nèi)容，按照課本上的知識點(diǎn)對學(xué)生進(jìn)行描述和講解。在這種教育模式下，老師對于學(xué)生的要求只是能夠?qū)⒗蠋熤v解的知識進(jìn)行了解和背誦，傳統(tǒng)模式下的教育大多數(shù)的注重點(diǎn)還是為了應(yīng)試，對于學(xué)生在某一方面不理解的知識，只要求其進(jìn)行背下來就可以。在這種方式下，學(xué)生的主觀意識逐漸的降低。教師在課堂中也很少能夠?qū)⒄n本的知識進(jìn)行延伸。只要學(xué)生能夠考出好的成績，在當(dāng)下的應(yīng)試教育背景下可以通過測驗(yàn)就可以。大多數(shù)學(xué)生在選擇本專業(yè)時(shí)都是出于愛好，但是這種教育模式使學(xué)生逐漸養(yǎng)成被動接受的習(xí)慣，主觀能動性降低，限制了學(xué)生的思維方式。傳統(tǒng)教育模式中，老師不想去拓展課程的原因不單單是因?yàn)閭€(gè)人原因。在教學(xué)過程中，由于學(xué)校各方面條件的限制，使得很多課本上的實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中無法向?qū)W生進(jìn)行演示，學(xué)生能夠上手操作的機(jī)會很少，我國偉大的領(lǐng)袖毛主席說：“真理只有一個(gè)，而究竟誰發(fā)現(xiàn)了真理，不依靠主觀的夸張，而依靠客觀的實(shí)踐。只有千百萬人民的革命實(shí)踐，才是檢驗(yàn)真理的尺度。”

1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢

1.1 消除知識壁壘，創(chuàng)建生動逼真的情景

傳統(tǒng)的授課方式，通常依靠文字、圖片等簡單形式來進(jìn)行的，偶爾也會用到視頻，這些形式用于解答簡單的概念是可以的。但是對于一些復(fù)雜的問題，如宏觀、微觀現(xiàn)象等，這種方式就會顯得蒼口無力。傳統(tǒng)教育中的知識具有扁平性，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以呈現(xiàn)更為立體的世界，消除空間與時(shí)間對學(xué)生造成的認(rèn)知阻斷，為學(xué)生提供逼真、生動的學(xué)習(xí)環(huán)境。建造汽車模型、汽車拆解、內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示等，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在電動汽車領(lǐng)域中為學(xué)生提供無限的真實(shí)體驗(yàn)。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用可以演示一些內(nèi)部零件復(fù)雜、概念抽象的知識點(diǎn)。在日常學(xué)習(xí)中不便于直接觀察的電動汽車的制造，但是在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)下可以很好的完成。在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)下，大到宇宙中的天體，小到原子粒子，學(xué)習(xí)者都可以通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入這些物體的內(nèi)部進(jìn)行觀察。汽車制造的過程需要幾個(gè)月的時(shí)間，但是利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)展示出來。這種對知識全方位、多角度的展示極大地豐富了課堂的授課內(nèi)容。從而加速和鞏固他們學(xué)習(xí)知識的過程，有效幫助學(xué)生加深知識印象。

1.2 靈活授課、促進(jìn)知識遷移

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供豐富的感知以及多方面（聽覺、視覺、觸覺等）的反饋，幫助學(xué)習(xí)者將虛擬情境中所學(xué)到的內(nèi)容遷移到真實(shí)生活中，滿足新能源汽車學(xué)習(xí)的需要。利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬教師在授課過程中難以講解的教學(xué)場景，使課堂的學(xué)習(xí)具有可視化和可參與性，把一些枯燥的數(shù)字、程序、原理、流程等變得生動形象有趣，學(xué)生與場景互動，老師和學(xué)生互動，在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)中可以更加形象的掌握汽車制造知識。在同一個(gè)混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)場景每個(gè)學(xué)生都會有不同的經(jīng)歷，也就是說在同一個(gè)混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)場景下，可以根據(jù)每個(gè)學(xué)生的差異性，分別在不同情況進(jìn)行仿真。這就為探索式學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)提供了廣闊的教學(xué)空間。

1.3 節(jié)約學(xué)校成本、規(guī)避現(xiàn)實(shí)傷害

使用傳統(tǒng)教育進(jìn)行教學(xué)，在教學(xué)過程中容易受到設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、場地等各方面制約，許多操作上的實(shí)驗(yàn)有一定危險(xiǎn)性，在教學(xué)過程中難以開展。利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)環(huán)境和操作過程，使大多數(shù)課程可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大多數(shù)技能也都可以在實(shí)訓(xùn)車間中進(jìn)行訓(xùn)練，從而不必購置昂貴的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備。并且這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)沒有任何危險(xiǎn)，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。虛擬訓(xùn)練又可避免實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練材料的消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬現(xiàn)實(shí)中的場景，使學(xué)生在課堂中就可以完成各種實(shí)驗(yàn)，在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)中獲得與真實(shí)體驗(yàn)一樣的感受。可以這樣說，在保證教學(xué)效果的前提下，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)減少了實(shí)驗(yàn)操作可能帶來的意外和傷害，并為學(xué)校大幅度降低了實(shí)驗(yàn)成本。

1.4 激發(fā)學(xué)生興趣、提高參與度

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)用其個(gè)性化的方式、豐富多彩的媒體形式和強(qiáng)烈的感官體驗(yàn)促進(jìn)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生主動情緒。混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以虛擬任何你能想到的人物形象，在混合現(xiàn)實(shí)正中創(chuàng)造一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠(yuǎn)程教育的同學(xué)可以在放松，親切的氛圍中進(jìn)行學(xué)習(xí)。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以虛擬大量案例證明，混合現(xiàn)實(shí)可以給學(xué)生帶來放松、愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生對于學(xué)習(xí)的動機(jī)。另外，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可創(chuàng)設(shè)逼真的場景，提供動態(tài)的高交互設(shè)置，可以讓學(xué)習(xí)者在其中顯示出較高的學(xué)習(xí)參與度。

2 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電動汽車制造領(lǐng)域的意義

2.1 傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)流程

在對汽車進(jìn)行研發(fā)時(shí)，設(shè)計(jì)初期需要根據(jù)市場需求確定設(shè)計(jì)內(nèi)容、對產(chǎn)品定位、做初期布置、進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，還要對經(jīng)濟(jì)性做分析、成本做分析等。在初期造型設(shè)計(jì)階段，則是根據(jù)規(guī)劃書確定產(chǎn)品的外部尺寸、整體的技術(shù)參數(shù)、造型風(fēng)格和汽車的配置等，然后對現(xiàn)有市場車型進(jìn)行分析，研究對標(biāo)車型的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，結(jié)合市場的大方向確定造型設(shè)計(jì)，對汽車定位。首先要解讀汽車造型設(shè)計(jì)的任務(wù)書，以草圖形式展現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)理念與汽車造型的初期方案，通過團(tuán)隊(duì)的反復(fù)的評審，不斷修改確定效果圖的方案，最后進(jìn)入整車的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段。在汽車制造領(lǐng)域，造型設(shè)計(jì)是對研發(fā)團(tuán)隊(duì)極高的挑戰(zhàn)，這其中涉及了材料學(xué)、流體力學(xué)、人機(jī)工程、環(huán)境等眾多方面。評審在修改調(diào)整設(shè)計(jì)的過程中，三維造型與油泥模型這兩個(gè)環(huán)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用。通過三維造型我們更真實(shí)地看到立體化的效果，工程設(shè)計(jì)問題也通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬評估，市場部在此時(shí)也可以對產(chǎn)品的市場作出判斷與分析。為了更加真實(shí)地展現(xiàn)設(shè)計(jì)，可以通過油泥制作1∶1車體模型，然后進(jìn)行二次評審。油泥確定后，利用三維掃描技術(shù)將油泥模型進(jìn)行逆向a面制作，完成車身數(shù)據(jù)后與工程對接，最終完成整車造型制造。

2.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的利弊

傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)是通過手工繪制二維圖紙對汽車造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，工匠制作車體外殼時(shí)也是手工制作，對車體完成設(shè)計(jì)工作，制造車體時(shí)效率低下。之前的工藝技術(shù)不夠成熟，設(shè)計(jì)師的想法得不到準(zhǔn)確的表達(dá)。現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)分工明確，汽車2D與3D的模型制作成為設(shè)計(jì)師的必備技能，并且隨著科技產(chǎn)品的日益成長，設(shè)計(jì)師在汽車領(lǐng)域的發(fā)揮空間越來越大。傳統(tǒng)的造型設(shè)計(jì)包括草圖的設(shè)計(jì)、構(gòu)建CAS模型、油泥推敲、逆向建模，每一項(xiàng)都需要時(shí)間，并且在前期工作結(jié)束之后遇到問題進(jìn)行二次修改時(shí)，對設(shè)計(jì)圖紙?jiān)俅涡薷倪^程繁瑣，汽車整車設(shè)計(jì)師的能力對整個(gè)設(shè)計(jì)工作的推進(jìn)與本身設(shè)計(jì)的合理性有很大的影響。目前汽車設(shè)計(jì)輔助軟件在使用中使用越來越方便，比如前期CAS造型階段構(gòu)建模型可以通過subdive細(xì)分，通過銑油泥的方式將大型模型制作出來，可以在整個(gè)工作中極大地縮短設(shè)計(jì)周期，但還是傳統(tǒng)的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師和油泥師傅充分地溝通才能表達(dá)到位。因此，在2D轉(zhuǎn)化成3D的過程如何不受油泥師的思路影響，將二維圖紙具象化，是一項(xiàng)待解決的問題。

2.3 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在三維汽車模型中的應(yīng)用

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可顯示汽車的懸架、底盤、內(nèi)飾直至每一個(gè)焊接點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可確定每個(gè)部件的質(zhì)量，了解各個(gè)部件的運(yùn)行性能。這種三維模型的準(zhǔn)確性很高，汽車制造商可根據(jù)得到的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)相關(guān)部門報(bào)道，通用和原克萊斯勒公司自從采用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，開發(fā)一種新車型的時(shí)間從一年以上縮短至兩個(gè)月左右，不光縮短了時(shí)間，公司對新車型的開發(fā)成本也降到原來的十分之一。按照傳統(tǒng)汽車制造，單獨(dú)新款汽車的設(shè)計(jì)的常規(guī)開發(fā)時(shí)間至少都需12～18個(gè)月。克萊斯勒公司中耗資最大的當(dāng)屬梅賽德斯汽車的設(shè)計(jì)中心，開發(fā)設(shè)計(jì)人員在該中心提供的混合現(xiàn)實(shí)中可以檢查整個(gè)車體的線條和輪廓、以及整體性能。全球混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)新能源汽車發(fā)展市場的關(guān)鍵手段，通過混合現(xiàn)實(shí)中的虛擬環(huán)境進(jìn)行工作，對車身進(jìn)行檢測，分析汽車的空氣動力學(xué)、了解汽車性能等。美、日、歐等發(fā)達(dá)國家將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為汽車行業(yè)的關(guān)鍵競爭手段。

3 如何在課堂中開展混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)

混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)是指在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的基礎(chǔ)之上將現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬呈現(xiàn)。當(dāng)下學(xué)校根據(jù)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室在對學(xué)生進(jìn)行化學(xué)、物理等實(shí)驗(yàn)的操作和體驗(yàn)上具有積極的效果，在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)系統(tǒng)中存在的虛擬智能角色，可以帶領(lǐng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中更好地進(jìn)行環(huán)境的體驗(yàn)，同時(shí)老師也能夠隨時(shí)隨地的在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中與其學(xué)生進(jìn)行知識的講解和學(xué)術(shù)的交流。以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和多媒體設(shè)備為基礎(chǔ)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以使得學(xué)生的主觀能動性和自主學(xué)習(xí)能力得到極大的提升，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)，也能夠享受到當(dāng)下豐富的學(xué)習(xí)資源。同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)立，在很大程度上可以降低學(xué)生做實(shí)驗(yàn)過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，也能夠降低一些成本昂貴的實(shí)驗(yàn)，減少學(xué)校的開支，使得學(xué)生們能夠足不出戶的、不限次數(shù)的進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的操作，同時(shí)也能獲得與現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)一樣的體驗(yàn)。

3.1 汽車維護(hù)保養(yǎng)中的應(yīng)用

在汽車維護(hù)保養(yǎng)中可以利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作一款軟件，軟件中包含發(fā)動機(jī)、底盤、車身以及電氣設(shè)備四大模塊的維護(hù)保養(yǎng)，其中要含有考評系統(tǒng)和資料查詢系統(tǒng)。學(xué)生可以通過這款軟件選擇其中一個(gè)方向進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的虛擬操作。比如，對車輛的四輪定位實(shí)驗(yàn)中，在完成操作之后，要及時(shí)填寫電子的工單。針對軟件操作的過程中對操作的項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)間的記錄以及對學(xué)生在維護(hù)保養(yǎng)的過程中的操作進(jìn)行評價(jià)。對該模塊的熟練程度和準(zhǔn)確性方面做出及時(shí)反饋，以便糾正學(xué)生的錯(cuò)誤。學(xué)生可以通過資料查詢功能對不熟練或不會維護(hù)的項(xiàng)目進(jìn)行及時(shí)的查看，通過反復(fù)操作直到掌握該項(xiàng)目的維護(hù)流程并熟練操作。

3.2 汽車綜合故障診斷中的應(yīng)用

在對汽車進(jìn)行故障診斷時(shí)，可以利用混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對汽車故障進(jìn)行虛擬設(shè)定。在對汽車進(jìn)行故障診斷時(shí)，對綜合故障診斷教學(xué)與考評也是混合現(xiàn)實(shí)在汽車維修上的重要應(yīng)用之一。在老師講授汽車發(fā)動機(jī)啟動困難的故障診斷時(shí)，老師在課前設(shè)置故障地點(diǎn)，學(xué)生可以利用開發(fā)的混合現(xiàn)實(shí)軟件對整車的工況進(jìn)行模擬分析。學(xué)生通過穿戴設(shè)備了解汽車在啟動過程中各系統(tǒng)的工作過程，分析具體是汽路、電路、油路以及點(diǎn)火哪個(gè)方面的影響。混合現(xiàn)實(shí)軟件配合教師的多媒體講解，進(jìn)一步的加深學(xué)生對于知識點(diǎn)的掌握。在使用過程中也可以設(shè)置各種問題進(jìn)行訓(xùn)練，如喇叭不響、供油不足和尾氣排放等。學(xué)生通過老師的講解，在混合現(xiàn)實(shí)軟件中完成故障的排除，實(shí)現(xiàn)汽車的正常使用。

以上僅僅為學(xué)生在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在故障診斷時(shí)的其中一個(gè)案例。在發(fā)動機(jī)潤滑不良、轉(zhuǎn)向失靈、制動失效等故障診斷中，也可用以上方法進(jìn)行教學(xué)。通過以上的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生在使用過程中可以反復(fù)練習(xí)，并在學(xué)習(xí)過程中可以進(jìn)行一些探索性的操作。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，不僅讓學(xué)生掌握了熟練的維修技能，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)造能力。

3.3 汽車試驗(yàn)中的應(yīng)用

學(xué)生在學(xué)習(xí)了汽車的故障排查以及維修保養(yǎng)后，學(xué)生也可以在混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的軟件中完成對汽車在行駛過程中將會遇到的問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如不同道路下的實(shí)驗(yàn)，汽車碰撞實(shí)驗(yàn)以及發(fā)生側(cè)滑打滑時(shí)對轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對汽車的動力和底盤的性能做出實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行各種模擬前，學(xué)生要事先在軟件中選定某一汽車模型，輸入實(shí)驗(yàn)中需要的各種參數(shù)。比如車重、軸距、電池容量、電池類型、車輪位置等，使用混合現(xiàn)實(shí)模擬軟件模擬實(shí)車的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過人機(jī)交互以及穿戴設(shè)備模擬駕駛。計(jì)算機(jī)根據(jù)各種參數(shù)分析整車的性能并將實(shí)驗(yàn)所帶來的結(jié)果反饋到混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備上。以給出駕駛?cè)俗钪苯拥母泄袤w驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會到汽車的各項(xiàng)性能怎么樣，并對其有三維立體化的感受，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中對汽車的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修正，并進(jìn)行重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。針對于不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對不同車況下的汽車性能進(jìn)行評價(jià)。最終可以獲得不同種類的汽車在何種參數(shù)時(shí)功能狀況最穩(wěn)定。

3.4 駛培訓(xùn)中的應(yīng)用

模擬駕駛的核心是要和真車的駕駛感受一樣，相比較于傳統(tǒng)的駕駛模擬器的交互模式，混合現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的模擬器具有更好的沉浸感。而且在駕駛時(shí)，不受時(shí)間、天氣等環(huán)境因素影響。截至目前為止，只有部分駕校引入了基于VR的混合現(xiàn)實(shí)模擬器并投入使用，在教學(xué)過程中取得了良好的效果。VR的應(yīng)用也可以推廣到汽修專業(yè)的駕駛實(shí)習(xí)中，學(xué)生在使用過程中對VR軟件進(jìn)行設(shè)置，模擬視頻中可以模擬天氣、路面、行人以及光線等不同的路況。學(xué)生在駕駛時(shí)，油門、剎車、離合器、方向盤、掛擋這些操作都和實(shí)車一致。使學(xué)生體會到一種真實(shí)的實(shí)車訓(xùn)練感受，與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的VR軟件可以降低學(xué)校對于駕駛培訓(xùn)費(fèi)用投入，從而降低了對能源的消耗，避免了環(huán)境污染。使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)掌握汽車的駕駛。相信在不遠(yuǎn)的未來，VR技術(shù)的應(yīng)用可以取代實(shí)車考試，顛覆學(xué)校對汽車駕駛考試的原有模式。這也能大大的節(jié)約學(xué)校購置實(shí)習(xí)車輛的費(fèi)用。

4 結(jié)語

我國混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育方面屬于初期階段，新能源汽車也屬于起步階段，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，對高校汽車制造與維修專業(yè)的學(xué)生有著重要意義，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)很好的解決了在傳統(tǒng)教學(xué)中對于教材資源的需求，同時(shí)也減少了安全方面帶來的影響，學(xué)生在動手實(shí)踐過程中，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力以及創(chuàng)新能力。將枯燥的知識學(xué)習(xí)點(diǎn)亮一盞明燈，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)了學(xué)生對知識的渴望。在不遠(yuǎn)的未來，相信通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為新能源汽車領(lǐng)域輸送大量的精英。