混合現實技術應用于新能源汽車檢測與維修專業(yè)教學探索

摘 要：混合現實技術在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭建起交互與反饋的橋梁，將其應用于新能源汽車檢測與維修教學具有多方面的優(yōu)勢。高職院校可運用混合現實技術開展新能源汽車檢測與維修專業(yè)教學：通過建設功能完備的教學平臺、構建多元化教學體系、增加校企合作深度和廣度，推動教學內容和方法的深度改革，實現教育資源優(yōu)化配置，促進新能源汽車檢測與維修專業(yè)教學創(chuàng)新發(fā)展。

關鍵詞：混合現實技術；新能源汽車；檢測與維修技術

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）33-0156-04

在當今全球能源轉型與科技創(chuàng)新的時代背景下，新能源汽車逐漸成為綠色出行的代表，極大地改變了人們的交通方式。新能源汽車快速普及對汽車檢測與維修技術提出了更高要求。高職院校汽車檢測與維修專業(yè)（以下簡稱汽修專業(yè)）傳統(tǒng)的教學模式已難以滿足高素質新能源汽修人才的培養(yǎng)需求。混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）技術的興起與應用，為新能源汽修專業(yè)教學帶來了新的機遇。混合現實技術以其獨特的沉浸式體驗和高度交互性，打破了傳統(tǒng)教學的時空限制，為學生提供更加直觀、生動的學習體驗。本文探討混合現實技術應用于高職院校新能源汽修專業(yè)教學的必要性，并提出切實可行的實施策略，以期為新能源汽修專業(yè)教師提供參考和借鑒，推動新能源汽修專業(yè)教學創(chuàng)新發(fā)展。

一、混合現實技術的概念及研究現狀

（一）混合現實技術的概念

混合現實技術是一種繼虛擬現實（VR）技術和增強現實（AR）技術之后，出現的全新數字全息影像技術，它集成了VR和AR特性的前沿技術，主要通過在虛擬環(huán)境中引入真實場景信息，創(chuàng)造出既包含虛擬對象又包含現實世界的混合環(huán)境，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反映的信息回路。在這個環(huán)境中，用戶可以通過佩戴特定的設備，如MR頭戴式顯示器，同時看到真實世界和由計算機生成的虛擬對象。與VR技術不同，利用混合現實技術看到的虛擬對象能夠隨著用戶的移動和視角的變化而動態(tài)調整，使用戶能夠在虛擬與現實之間自由切換，獲得更加真實、直觀和沉浸式的體驗，享受前所未有的交互樂趣。

（二）混合現實技術的發(fā)展歷程及研究現狀

1.混合現實技術的發(fā)展歷程

20世紀60年代至80年代是混合現實技術的概念孕育階段。20世紀60年代，計算機圖形學、計算機視覺等相關技術的興起，為混合現實技術的誕生奠定了基礎。1968年，計算機科學家伊凡·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）開發(fā)出了最早的VR頭戴顯示器設備（達摩克利斯之劍）。當時的研究主要集中在如何通過計算機生成虛擬圖像，并嘗試將其與現實世界進行初步的結合，為后續(xù)混合現實技術將虛擬元素與現實的結合提供了思路上的啟發(fā)。20世紀90年代，AR技術開始出現，它被認為是混合現實技術的重要前身和技術萌芽。AR技術通過將虛擬信息疊加在現實世界中，讓用戶在現實環(huán)境的基礎上看到額外的虛擬內容。如波音公司開發(fā)了用于輔助飛機制造的增強現實系統(tǒng)，工人能通過頭戴式顯示器看到飛機的虛擬裝配指南，從而提高生產效率。

隨著計算機技術、傳感器技術的不斷進步，混合現實技術在2000—2010年進入了初步發(fā)展階段。在硬件設備方面，出現了一些較為輕便的頭戴式顯示器和手持設備，更好地實現了虛擬信息與現實世界的融合。同時，相關的軟件算法也在不斷改進，提高了虛擬元素與現實場景的匹配度和交互性。如微軟公司2009年推出的Kinect體感設備，能夠通過攝像頭捕捉用戶的動作和姿勢，為混合現實技術的交互方式提供了新的可能性。2010年以后，混合現實技術進入了快速發(fā)展階段。各大科技公司紛紛加大了對混合現實技術的研發(fā)投入，推出了一系列具有代表性的產品。如微軟公司2015年開發(fā)了HoloLens（混合現實頭戴式顯示器），它具有獨立的計算能力和高分辨率的顯示屏幕，能夠將虛擬物體逼真地融合到現實環(huán)境中，讓用戶可以通過手勢、語音等方式與虛擬物體進行交互。此后，谷歌、蘋果、三星等公司也相繼推出了MR設備，推動了混合現實技術在消費市場的普及。同時，混合現實技術在教育、醫(yī)療、建筑、娛樂等多個領域的應用不斷拓展和深入。

2.混合現實技術研究現狀及未來發(fā)展趨勢

當前，混合現實技術的研究現狀呈現出多方面的積極態(tài)勢。在技術層面，硬件顯示技術朝著高分辨率、高刷新率、低延遲的方向發(fā)展，同時為提升便攜性，輕薄智能眼鏡等新形態(tài)設備也在探索中。在計算能力方面，高性能處理器和圖形芯片得到應用，云計算和邊緣計算技術也為提高計算能力提供強大支持。目前主要的MR系統(tǒng)由虛擬場景生成器、頭盔式顯示器、體現使用者視線追蹤觀察的頭部姿態(tài)追蹤裝置、用戶位置確認裝置及將虛擬場景與真實場景對應的交互式裝置組成［1］，如HoloLens2全息設備、HMD Odyssey+沉浸式設備等。這些產品不僅提升了用戶體驗，而且推動了混合現實技術在各個領域的廣泛應用。

根據當前的發(fā)展趨勢和市場需求情況，MR行業(yè)的市場在未來將保持快速增長的態(tài)勢。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，混合現實技術將在娛樂、教育、醫(yī)療、工業(yè)等多個領域發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，為人類帶來更多的便利和樂趣。特別是在教育領域，混合現實技術能夠為學生提供沉浸式的學習體驗，使抽象知識更加直觀、生動、易懂。

二、混合現實技術應用于新能源汽修專業(yè)教學的優(yōu)勢分析

新能源汽修是高職院校普遍開設的專業(yè)之一，理論性與實踐性較強，將具有虛實融合、實時交互特點的混合現實技術引入新能源汽修專業(yè)教學，具有多方面的應用優(yōu)勢，有利于提高教學質量，更好地達成新能源汽修人才培養(yǎng)目標。

（一）提供沉浸式的工作崗位體驗

新能源汽修專業(yè)的實操性較強，通常需要在真實的工作場景中完成實踐性學習。然而，許多高職院校受到資金、場地、環(huán)境等硬性條件的限制，很難向學生提供充足的實踐場地與材料，學生更多是從集體授課中完成理論知識的學習和技能模仿訓練，這樣的教學脫離了工作場景，學習體驗單一、抽象，不利于學生熟悉汽修工作的實際操作流程。研究表明，視覺、聽覺和觸覺等多種感官的刺激，對提高學生的學習效果和記憶能力具有明顯作用。利用混合現實技術構建高度仿真的新能源汽修崗位工作環(huán)境和工作過程，不僅能讓學生體驗真實的崗位任務，甚至進行虛擬實踐操作，克服傳統(tǒng)教學“原理難講解、實物難觀察、任務難實施”的不足［2］，而且能為學生提供多感官的沉浸式體驗，使其對學習過程形成深刻的印象。

（二）促進個性化學習

首先，MR教學系統(tǒng)具有強大的數據分析和評估功能，包括課堂行為分析、學生學習進度追蹤、課堂紀律監(jiān)控、教學評估分析等方面。教師可以利用該功能進行學情分析，如根據系統(tǒng)反饋的數據識別學生的個性化學習需求和難點，從而為學生量身定制學習內容以及提供個性化的學習路徑。其次，MR教學系統(tǒng)可以根據學生的學習需求與目標生成個性化的虛擬環(huán)境，如：為新能源汽修專業(yè)的學生提供虛擬的汽修車間工作臺環(huán)境，為生物學專業(yè)的學生提供微觀世界的虛擬實驗室，等等。這些虛擬環(huán)境較大程度保證了學生在學習過程中獲得良好的學習體驗。最后，MR教學系統(tǒng)內含豐富的交互式工具，如三維模型、虛擬實驗和模擬游戲等，學生可以利用這些工具進行自主學習，按照自己的節(jié)奏探索和學習新知識。

（三）提高實訓教學的安全性

新能源汽修是一項具有一定危險性的工作，主要安全隱患存在于高壓電系統(tǒng)，維修人員操作不當就容易遭遇觸電、燒傷或車輛起火等問題。MR場景是利用計算機生成的一種模擬環(huán)境，學生在虛擬環(huán)境中可以進行安全、無風險的實踐操作，最大限度提高教學的安全性。例如，在電池故障維修的教學中，學生可以在MR系統(tǒng)中模擬設備安裝、維修和故障排除等流程，避免了實際操作中可能發(fā)生的觸電、電池液泄漏、燒傷等風險。此外，MR系統(tǒng)可以模擬各種潛在安全隱患的場景和事故場景，讓學生直觀地了解安全風險，并學會如何采取預防措施，增強安全意識，從而降低使用實訓設備時的危險性。

三、混合現實技術融入新能源汽修專業(yè)教學的現實路徑

將混合現實技術融入新能源汽修專業(yè)教學，需要提煉出行之有效的做法，不僅體現在技術層面的整合創(chuàng)新，而且體現在教學內容和方式的變革、教學資源的優(yōu)化配置等方面。

（一）打造高仿真的模擬環(huán)境，建設功能完備的教學平臺

混合現實技術應用于新能源汽修專業(yè)教學，能夠構建高仿真的模擬操作環(huán)境，同時搭建功能完備、易于操作的互動教學平臺。

在技術層面，首先要實地考察汽修行業(yè)對專業(yè)技能及職業(yè)素養(yǎng)的要求，尤其要關注模擬高壓電器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部分的任務要求，利用VR全景制作技術，使用如Adobe Lightroom Classic，Photomatix，PTGui，PTGui Viewer，pano2vr，AdobePhotoshop等軟件，根據需求進行實景拍攝，后期處理輸出全景視頻或全景圖，代碼實現交互邏輯輸出可交互的VR內容；其次要將教學資源嵌入到混合現實技術平臺上［3］，在虛擬環(huán)境中進行真實還原。例如，針對某款混合動力汽車，構建混合動力系統(tǒng)的高精度模型，包括發(fā)動機、電動機、電池組、DC-DC變換器、DC-AC電力電子控制單元等核心部件，讓學生在虛擬環(huán)境中對這些部件進行拆解、組裝和故障排查。此外，還可以模擬多種故障（如電池性能下降、電機異常振動等）場景，讓學生在虛擬環(huán)境中進行診斷和修復操作，從而提高學生對新能源汽修技術的掌握程度。可見，混合現實技術的引入能夠解決傳統(tǒng)教學中資源有限、實踐機會不足的問題，創(chuàng)建高度仿真的模擬環(huán)境，讓學生在不接觸實際車輛的情況下，也能夠對新能源汽車的各個系統(tǒng)進行深入探索、反復練習和不斷試錯，從而不斷提高解決實際問題的能力。

在平臺建設方面，要打造一個功能完備、易于操作的MR教學平臺。該平臺劃分為課程引入、虛擬操作、教學評價等教學模塊，各個教學模塊融入新能源汽車充電系統(tǒng)維修、電子控制系統(tǒng)維修、電機系統(tǒng)維修等方面的真實案例。這些案例來源于真實維修工作場景，經過精心設計和優(yōu)化轉化為教學內容，更加符合教學的需要。學生通過學習這些案例，接觸多樣化的維修情境，加深對新能源汽車維修的實際操作過程的了解，掌握各種維修技巧和方法。此外，MR教學平臺上的智能助教功能，如實時反饋、評分系統(tǒng)、大數據分析等功能，不僅能夠提高教學的互動性，而且可以為學生提供個性化的學習路徑和反饋，幫助他們更好地理解和掌握所學知識。

（二）構建多元化教學體系，促進教學內容和方法的深度改革

將混合現實技術引入新能源汽修專業(yè)教學，打破了傳統(tǒng)以講授為主的教學模式，轉而強調實踐與理論相結合的沉浸式學習體驗，推動多元化的教學體系形成。在教學內容層面，混合現實技術的應用實現了教學內容的動態(tài)更新與豐富。通過整合行業(yè)內的真實維修案例，為學生提供豐富且切合實際的學習內容。以某款新能源汽車電機維修教學為例，教師利用混合現實技術模擬電機異常振動的故障場景，學生佩戴MR設備后，可以清晰地觀察到虛擬環(huán)境中電機的振動情況，聽到真實的振動聲，并通過虛擬工具進行故障排查和修復。在此過程中，學生獲得了維修電機的真實體驗，積累了相關實踐經驗。此外，在新能源汽車的構造和工藝教學中，混合現實技術可以將汽車零件、構造、工藝進行虛擬化處理，學生通過MR設備觀察虛擬的汽車零件和構造，了解它們的工作原理和制造流程。教學內容的改革，不僅涵蓋了新能源汽車維修的最新技術與標準，而且融入了故障排查的邏輯思考與問題解決策略，有效提升了學生的專業(yè)素養(yǎng)與實踐能力。

在教學方法上，混合現實技術的引入推動了從單一講授向多元化、互動化教學模式的轉變。教師基于混合現實技術采用項目教學、案例教學、情境教學、模塊化教學等教學方法，并靈活使用探究式、啟發(fā)式、討論式、參與式等教學方法，形成混合式教學、翻轉課堂、理實一體化教學等新興教學模式。例如，教師在新能源汽車動力電池的實訓教學中采用案例教學法，引入某款新能源車輛的真實案例，其在行駛過程中曾出現續(xù)航能力不足和電池虧電的現象。教師利用混合現實技術創(chuàng)建了該車輛的高度仿真三維虛擬故障場景，讓學生利用MR頭戴式設備、VR眼鏡等對電池組進行深入檢測，實時查看電池組各項數據，結果發(fā)現電池外殼出現裂痕，且電池組內部存在短路故障，通過智能技術精準定位故障點，最終修復故障。教學模式的轉變，不僅提升了學生的參與度與興趣，而且促進了理論知識與實踐技能的深度融合，使學生能夠完成從認知到操作的順暢銜接。此外，混合現實技術通過手勢識別、語音識別等交互特點，幫助學生在混合現實環(huán)境中與虛擬對象進行實時互動，增強了學習的趣味性，并通過即時反饋機制促進學生自我反思與技能精進。如在某國產新能源汽車的充電系統(tǒng)教學中，學生通過手勢操作虛擬的充電接口，了解充電過程的工作原理和注意事項。系統(tǒng)會根據學生的操作過程和結果，給予即時的反饋和評分，幫助他們及時發(fā)現并糾正錯誤。同時，混合現實技術還支持多用戶協(xié)同學習，鼓勵學生開展團隊合作并進行知識共享。如在模擬汽車維修場景中，學生通過MR設備共同解決模擬中的問題，共同完成任務，進一步提升協(xié)作能力和解決問題能力。

（三）促進教育資源優(yōu)化配置，增加校企合作深度和廣度

校企合作能夠為學生提供真實的工作環(huán)境和更多的實踐機會，使他們在實踐中掌握新能源汽車檢測與維修的核心技能。同時，校企合作可以讓企業(yè)切實參與到人才培養(yǎng)過程中，通過與學校統(tǒng)籌合作、協(xié)調發(fā)力，共同培養(yǎng)符合行業(yè)發(fā)展需求的人才。校企合作搭建起了學校與企業(yè)之間溝通的橋梁，將混合現實技術引入校企合作之中，為實現教育資源的優(yōu)化配置和共享、培養(yǎng)適應市場需求的高水平汽修技術人才提供了有力保障，最終實現學校與企業(yè)的雙贏。

首先，混合現實技術為校企合作提供了新的互動平臺。在傳統(tǒng)校企合作模式中，學生雖然有可能直接接觸到企業(yè)的實際操作環(huán)境和真實案例，但是機會仍然比較少，導致學生實訓和實習時長過短，專業(yè)技能得不到有效提升。在新能源汽修專業(yè)的MR教學中，聘請企業(yè)的骨干人員、杰出工匠等作為兼職教師，可以更好地將企業(yè)的實際案例、技術標準、操作流程等融入教學之中，最大限度還原真實工作場景，提高學生的專業(yè)學習效果。高職院校新能源汽修專業(yè)的師生與企業(yè)優(yōu)秀人才的互動，還為雙方的文化展示與學術交流提供了契機，增進了校企之間的互信與合作。

其次，混合現實技術促進了校企合作資源的共享與優(yōu)化配置。高職院校與新能源汽車企業(yè)可以利用混合現實技術共同開發(fā)教學平臺、構建課程體系和開展實訓項目，實現資源的有效整合與共享。一方面，企業(yè)可以將其先進的設備、技術和案例資源引入教學之中，豐富教學內容和實踐形式；另一方面，學校可以利用混合現實技術降低實訓成本，提高實訓效率和安全性，為企業(yè)節(jié)省培訓成本和時間。這種資源共享與優(yōu)化配置的模式，不僅提高了校企合作的效率和效益，而且促進了教育資源的優(yōu)化配置和合理利用。

最后，混合現實技術促進了校企合作模式的創(chuàng)新。高職院校與企業(yè)雙方可以利用混合現實技術開展遠程實訓、在線指導等新型合作，打破時間和空間的限制，建立更加靈活多樣的校企合作模式。例如，企業(yè)利用混合現實技術進行遠程故障診斷和技術支持教學，為在校學生提供實時指導和幫助；學校利用混合現實技術進行遠程教學和實踐指導，為企業(yè)員工提供培訓和技能提升服務。這種創(chuàng)新合作模式拓寬了校企合作的渠道，促進了教育與產業(yè)的深度融合和協(xié)同發(fā)展。

總體而言，混合現實技術為新能源汽修教學帶來了革命性的變革。高職院校新能源汽修專業(yè)利用混合現實技術實施教學，可以通過技術與內容的整合提高教學的直觀性和互動性，通過平臺和教學體系建設促進教學內容和方法的創(chuàng)新，通過校企合作持續(xù)優(yōu)化教學模式，為學生提供更多實踐機會和創(chuàng)新空間，推動專業(yè)教學的創(chuàng)新發(fā)展，為培養(yǎng)高水平汽修技術人才、推動產業(yè)升級和社會進步貢獻力量。

參考文獻

［1］陳曉鵬，李智軍，謝麗君，等.混合現實技術與情境模擬教學的融合在新能源汽車技術專業(yè)實踐教學中的應用［J］.汽車維護與修理，2024（8）：29-31.

［2］王澤禹.基于混合現實技術的非物質文化遺產保護和傳承研究［J］.科技與創(chuàng)新，2022（19）：1-4.

［3］吳剛.基于混合現實技術的高職新能源汽車技術專業(yè)人才培養(yǎng)模式［J］.時代汽車，2022（9）：61-63.