基于混合现实技术的新能源汽车教学模式探索与研究

河北机电职业技术学院 张 志，杨学新，武波涛

混合现实（MR）技术融合了虚拟现实（VR）与增强现实（AR）等新技术的优势，通过在现实场景呈现虚拟场景信息，实现了同一场景内实际物体和虚拟物体的实时共存和交互，增强用户体验的真实感。其关键的技术就是实现了虚拟世界与现实世界的信息交互和获取。

1 当前新能源汽车技术专业教学存在的问题

新能源汽车最大的特点是电驱动，如一汽丰田普锐斯车、吉利帝豪EV车、比亚迪K9纯电动大客车等，使用的电压均在数百伏，有的甚至高达750 V。新能源汽车高压组件内部结构及电路较复杂，拆装困难且存在一定的触电风险。当前中高职新能源汽车专业课程教学主要采用理论讲授和实习实训相结合的方式。理论教学一般借助图片和视频资源对其结构和工作原理进行讲解，这对空间想象力较弱的学生来说困难较大，课堂效果差。实训教学则普遍存在实训设备数量不足、对高压安全防护要求高、教学成本高等问题。探索基于混合现实技术的新能源汽车教学模式可有效解决上述问题。

2 基于混合现实技术的新能源汽车技术专业教学交互系统

2.1 混合现实技术教学系统的设计

基于Unity3D开发工具和Visual studio 2017应用程序开发环境，构建MR教学系统。MR教学系统的基础是建模，通过测绘整车及零部件尺寸，收集现有的有关新能源汽车的图片、文字和视频等资料，构建模型数据库。然后借助Hololens设备上的传感器对真实世界的结构、用户坐标位置及进行交互的指令（例如手势、声音及视角方向等信息）等信息进行获取，利用Hololens设备上开发的应用程序，构建实时的虚拟结合的全息影像。MR教学系统同时具备评价功能，能对用户的操作步骤进行评价，结合其最终解决问题的效率，给出一个分值，实现对学习者操作过程及结果的反馈。

2.2 基于混合现实技术的3种教学模式

根据新能源汽车技术教学内容特点的要求，设计了以下3种教学模式。

（1）结构认知。佩戴HoloLens头显设备后，用户可以看见新能源汽车结构的全息影像，可通过手势对其进行放大、缩小、360°旋转、移动，改变各部分结构的透明度及颜色，从中研究新能源汽车结构上的连接关系和控制关系，还可以对其进行拆装。模型中任意部件均可分解，生动展示工作状态，同时配有语音讲解，轻松突破教学重点、难点问题。

（2）实时动态模拟。混合现实技术与现实中的新能源汽车进行复合教学，同比例进行复制，当启动现实中的汽车时，图像采集设备根据其采集数据的变化，对现实中车辆的工作状况进行模拟，还可对虚拟模型进行故障检测，获取其故障信息，进行零件更换，实现模拟排除故障。

（3）案例教学。在进行多人教学时，教师可以调用数据库中的案例模型，也可现场进行故障设置，此时多人可同时观看其操作步骤。单人演练时，学生可以对模型进行各种操作，不受他人影响。

2.3 教学实施流程

教学实施流程可分为课程引入、虚拟操作、教学评价等3个环节。

（1）课程引入。采用案例引导式教学方法，教师设置车辆故障并向学生描述故障现象，学生带着问题开始课堂的学习。

（2）虚拟实操。学生佩戴HoloLens眼镜，通过图像扫描方式获取环境信息和汽车结构模型。首先进入结构认知教学模式，通过对新能源汽车的虚拟全息影像进行自由旋转、缩放和拆装操作，以便于对其结构和工作原理进行初步的认识。接着进入案例教学模式，学生根据教师指令做好高压安全防护并进入到单人操作模式，该模式下学生可以各自独立进行操作。依次进行故障分析，故障检测，确定故障点，更换相应的零部件、元器件或线路，修复车辆后验证故障。系统可设置多次操作，如故障点查找错误，可进行新一轮的故障排除，直到车辆功能恢复正常。

（3）教学评价。故障排除后系统会自动进入评价模块，对学生的操作步骤和过程进行评分，并反馈结果，便于学生对整个操作过程进行反思和总结。

在整个教学过程中，学生是主体，教师起引导作用，大大地提高了学生的学习主动性和学习效率。

3 结论

MR教学模式将学习从传统的二维屏幕和书本扩展到整个现实世界的教学可视空间，降低了对学生抽象空间想象能力的要求，让枯燥的课堂理论学习变得丰富、有趣；通过和虚拟世界丰富的动态交互，提高了学生的学习热情和自主学习能力，同时也解决了新能源汽车高压安全防护问题，降低了反复拆装、测量所需的教学成本。