VR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用與研究

王澤森　申榮衛(wèi)

摘 要：新能源汽車在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中常常存在安全隱患多、技能訓(xùn)練成本高、教學(xué)演示困難等問題，而應(yīng)用VR技術(shù)于新能源汽車專業(yè)教學(xué)將極大地避免這些問題的產(chǎn)生，本文從分析VR技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用入手，進(jìn)一步對(duì)VR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教學(xué)中的具體應(yīng)用展開分析。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)? 新能源汽車? 專業(yè)教學(xué)

課 題：本文系天津市虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目——基于VR的《新能源汽車故障診斷技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)課程教學(xué)改革專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：15101/XJJW1937）研究成果。

一、研究背景

針對(duì)能源與生態(tài)環(huán)境問題的增多，國(guó)家“五位一體”發(fā)展戰(zhàn)略著重強(qiáng)調(diào)生態(tài)文明建設(shè)的重要性，國(guó)家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)在政策上予以大力扶持，把新能源汽車產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，中央和各級(jí)地方政府也相應(yīng)地出臺(tái)了各類優(yōu)惠扶持政策。但新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)：新能源汽車相關(guān)維修專業(yè)人才的緊缺。據(jù)有關(guān)報(bào)告披露的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2020年，新能源汽車產(chǎn)業(yè)維修專業(yè)人才的缺口達(dá)到68萬人次，人才培養(yǎng)迫在眉睫。但新能源汽車的維修與傳統(tǒng)汽車維修有著極大的差異，以純電動(dòng)汽車為例，其結(jié)構(gòu)與工作原理完全不同，動(dòng)力總成主要由高壓電控總成、動(dòng)力電池與驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，在對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，操作稍有不當(dāng)，極容易發(fā)生高壓觸電的危險(xiǎn)，危及維修作業(yè)人員的生命。

二、VR技術(shù)的概念

Virtual Reality即虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱VR。20世紀(jì)80年代由美國(guó)VPL創(chuàng)始人Jaron Lanier率先提出。虛擬現(xiàn)實(shí)所建立的虛擬環(huán)境是由通過真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字建模并組合而成，建立符合工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求的虛擬場(chǎng)景，真實(shí)再現(xiàn)規(guī)劃項(xiàng)目。

三、VR技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究綜述

我國(guó)VR技術(shù)同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，起步晚，存在一定的差距，但目前國(guó)家有關(guān)部門和相關(guān)科研人員高度重視VR技術(shù)的研究，把VR技術(shù)研究列入了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃等國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略發(fā)展研究項(xiàng)目。清華大學(xué)對(duì)虛擬環(huán)境的沉浸感和真實(shí)感等方面進(jìn)行了研究;北京航空航天大學(xué)開發(fā)了用于飛行員的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，適用于飛行員的教學(xué)及訓(xùn)練。

20世紀(jì)90年代，VR技術(shù)最早被美國(guó)應(yīng)用于軍事與航天領(lǐng)域，用VR技術(shù)模擬作戰(zhàn)時(shí)的環(huán)境，用于軍人的戰(zhàn)備以及訓(xùn)練;美國(guó)的北卡羅來納大學(xué)主要研究外科手術(shù)方面的VR系統(tǒng);麻省理工大學(xué)主要致力于VR技術(shù)基礎(chǔ)研究;日本在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲方面的研究也處于世界領(lǐng)先水平。

四、VR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

縱觀國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究，VR技術(shù)主要應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、游戲娛樂等領(lǐng)域，而將VR技術(shù)應(yīng)用于教育行業(yè)的研究少之又少。隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，我們需要?jiǎng)?chuàng)新性地將VR技術(shù)與新能源汽車的專業(yè)教學(xué)相融合，創(chuàng)造性地提出“理、虛、實(shí)一體化”的教學(xué)模式，設(shè)計(jì)研發(fā)出一套基于“工作過程”的新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)。

1.新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)

新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)主要包括新能源汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知、新能源汽車工作原理、新能源汽車性能測(cè)試以及新能源汽車技能訓(xùn)練四類項(xiàng)目，各項(xiàng)目分別與新能源汽車的核心課程進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。

新能源汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知項(xiàng)目主要是通過爆炸圖的方式對(duì)整車的構(gòu)造、關(guān)鍵總成以及零部件的認(rèn)知問題予以解決，用戶能夠通過教學(xué)系統(tǒng)對(duì)觀察對(duì)象進(jìn)行交互認(rèn)知，以行動(dòng)為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生制訂計(jì)劃，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)具有認(rèn)知純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)與組成，正確使用新能源汽車個(gè)人及車間防護(hù)用品，學(xué)會(huì)新能源汽車觸電、火災(zāi)事故等急救處理的能力等。

新能源汽車工作原理項(xiàng)目主要是展示各系統(tǒng)或各零部件在汽車行駛中的工作原理，如：減速時(shí)能量的流動(dòng)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(cè)試主要是對(duì)車輛的各工況下的性能進(jìn)行測(cè)試，學(xué)生通過教學(xué)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行交互操作，通過做實(shí)驗(yàn)的方式展示車輛的使用性能，如：電機(jī)超速實(shí)驗(yàn)等。

新能源汽車技能訓(xùn)練項(xiàng)目主要是通過教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中對(duì)零部件的拆裝、各總成的更換、維護(hù)保養(yǎng)以及檢測(cè)檢查等項(xiàng)目進(jìn)行交互式操作拆裝訓(xùn)練，技能訓(xùn)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(xué)生在虛擬教學(xué)環(huán)境中，根據(jù)機(jī)器人的引導(dǎo)按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的操作步驟反復(fù)進(jìn)行技能訓(xùn)練，當(dāng)操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，機(jī)器人會(huì)及時(shí)提醒并糾正錯(cuò)誤操作。技能訓(xùn)練主要包括純電動(dòng)汽車電池及電池管理系統(tǒng)的拆裝與檢測(cè)、純電動(dòng)汽車電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)拆裝與檢測(cè)等。

在考核模式中，學(xué)生像在真實(shí)環(huán)境中一樣操作設(shè)備，考核的過程實(shí)際上就是在虛擬教學(xué)環(huán)境中對(duì)正確規(guī)范的操作流程的真實(shí)再現(xiàn)，虛擬教學(xué)環(huán)境中的操作流程與最終的考核結(jié)果可以進(jìn)行儲(chǔ)存、處理以及重復(fù)循環(huán)播放。

2.新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）新能源汽車擁有高壓系統(tǒng)。極有可能因操作不規(guī)范而觸電，引發(fā)人身傷亡事故。新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)能夠在虛擬的空間中模擬再現(xiàn)真實(shí)的高壓值，并且沒有任何限制，任何年齡段的學(xué)生都可以在這個(gè)系統(tǒng)里進(jìn)行模擬訓(xùn)練。通過在虛擬教學(xué)環(huán)境中的模擬訓(xùn)練，能夠引導(dǎo)學(xué)生按照相應(yīng)工作崗位要求的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行操作，在避免人身傷亡事故的情況下，訓(xùn)練學(xué)生的操作規(guī)范性。

（2）新能源汽車各系統(tǒng)在工作過程及控制策略方面更加復(fù)雜、抽象。如果利用常規(guī)的教學(xué)手段和教學(xué)方法，無法讓學(xué)生更快、更扎實(shí)地掌握這方面的知識(shí)。通過新能源汽車VR教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能夠在虛擬的教學(xué)環(huán)境中更加真實(shí)地觀察到各個(gè)工況下各系統(tǒng)的工作過程及控制原理。

（3）在考核模式中，系統(tǒng)隨機(jī)抽取考核題目，教師可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的操作行為。從而對(duì)學(xué)生的技能掌握情況進(jìn)行考評(píng)，系統(tǒng)能夠提示學(xué)生操作的不規(guī)范之處，并根據(jù)學(xué)生操作的準(zhǔn)確度和速度進(jìn)行評(píng)分。

（4）實(shí)訓(xùn)車間是新能源汽車專業(yè)的必備硬件設(shè)施，若干專業(yè)教學(xué)的實(shí)施都必須在專業(yè)的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地中進(jìn)行，隨著國(guó)家不斷深化對(duì)職業(yè)教育的改革，職業(yè)院校對(duì)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地建設(shè)的投入也越來越大，但新能源汽車專業(yè)實(shí)訓(xùn)車間專業(yè)要求高，建設(shè)周期長(zhǎng)，且需要購(gòu)買大量的專業(yè)教學(xué)儀器設(shè)備，后期教學(xué)儀器設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)也需要不斷地進(jìn)行資金投入，這顯然增加了學(xué)校的財(cái)政壓力。但是利用VR教學(xué)系統(tǒng)塑造一個(gè)與真實(shí)環(huán)境幾乎完全無差別的虛擬工作現(xiàn)場(chǎng)，因虛擬實(shí)訓(xùn)車間以及專業(yè)教學(xué)儀器設(shè)備都是由計(jì)算機(jī)建模仿真制作而成，無須對(duì)其進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，若有其他要求，可以直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行修改或添加，學(xué)生可以通過系統(tǒng)隨時(shí)隨地地進(jìn)行技能訓(xùn)練，打破了空間的限制，節(jié)約了時(shí)間，大大降低了教學(xué)成本。

（5）與枯燥無聊的實(shí)操技能訓(xùn)練相比，VR教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的不同，構(gòu)建不同的虛擬教學(xué)情境，能夠更有效地促進(jìn)知識(shí)的表達(dá)，構(gòu)建一個(gè)非常優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生可以身臨其境、沉浸其中，可以做到真正的“做中學(xué)，學(xué)中做”，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性，讓教育教學(xué)寓教于樂，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

五、小結(jié)

VR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，提高了教育教學(xué)的信息化水平，推動(dòng)了汽車專業(yè)教學(xué)模式的改革，增加了專業(yè)教學(xué)的深度和廣度，提高了學(xué)生參與到其中的興趣與學(xué)習(xí)的效率，有利于學(xué)生職業(yè)能力的提升和職業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成，優(yōu)化了考核方式，降低了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。相信隨著VR技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，VR技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教育教學(xué)中的應(yīng)用將日趨完善。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）