混合现实技术在汽车专业教学中的应用

仪征技师学院 王枝东，赵抒萍

1 基于人机交互的虚拟学习环境

随着网络技术的发展及计算机的普及，人们的学习认知不再局限在一个空间里，计算机空间三维运算能力的大幅度提升促进了虚拟现实技术的进一步发展。对于汽车这种具有复杂结构的科技产品，我们可以利用计算机虚拟技术虚拟出学习环境，让学习者身临其境，通过理论学习与虚拟技术的结合，可以让学生进行更有效的自我学习。

2 三种虚拟现实技术的介绍

虚拟现实（VR）是指利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，使用者需要通过一个头戴设备，模拟产生关于视觉、听觉、触觉等感知，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。也就是说，使用者所看到的事物都是虚拟的。

增强现实（AR）是通过电脑技术，将虚拟信息应用到真实的世界，是真实环境和虚拟物体实时地叠加到了同一个画面或空间，并同时存在。如果说VR给使用者的是一个100%的虚拟世界，那么AR就是以现实世界的实体为主体，借助于数字技术帮助使用者更好地探索现实世界。

混合现实（MR）是合并现实和虚拟世界而产生了新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。也就是真实世界、虚拟世界和数字化信息并存。

3 混合现实（MR）技术在教学中应用

为了降低交通运输大类、制造大类、信息技术大类及其相关专业的学生在学习中对立体抽象知识的理解难度，研究基于混合现实（MR）技术在教学中的应用有一定的意义，具体研究内容包括环境感知与精准定位、基于MR的人机交互、全息影像及数据动态渲染，实现虚拟三维物体、动画与物理现实空间自然融合，形成一套全息教学应用系统，并通过此系统快速完成全息教学应用的开发和使用。

该教学应用系统首先必须构建VR+教育模式。构建虚拟的汽车实训室环境，发展虚拟备课、虚拟授课、虚拟考试等教育教学新方法、促进以学习者为中心的个性化学习，推动教学模式转型。促进虚拟现实教育资源开发，推动科普、培训、教学、科研的融合发展。

其次，一些硬件的配备。比如：在MR头盔中配备了1 300万像素的高清摄像头，可以进行人脸识别、物体识别、车牌识别、肢体识别及行人跟踪等；捕获听觉的拾音器；高通骁龙 835旗舰级处理器等。这些高性能的硬件参数让MR头盔在全息技术展示时更加得心应手。

传统的教学方式只能让学生看到一个整体外观，要看清变速器内部结构则需要严格参照维修工艺进行解体，但是这也破坏了实训器材的密封性。在运用MR开展教学的过程中，学生可以多人组成一个小组同时学习，如图1所示。MR呈现的虚拟自动变速器可以任意角度翻转，也可以去掉外壳展示其内部结构，画面生动易于让学习者产生浓厚的学习兴趣。师生可同时进入全息世界中，完成教学内容学习和小组讨论。同时，在同一空间可开展不同内容的教学，如机械维修、零部件设计等，实现一室多用，一室共用，如图2所示。

图1 利用MR学习自动变速器

图2 利用MR在同一空间开展不同内容的教学

MR教学清晰直观，抽象内容简单直观地呈现于眼前，有利于学生快速理解和掌握所学内容。这种方式培养了学生主动学习的意识，激发了学生的求知欲和学习动力，学生学习的积极性大大增强。当然，师生们还可以借助网络进行远程互动，如疫情期间在家上网课时，师生也可以全息互动。通过远程直播交互平台，它以直播者第一视角，向不同地区、不同终端用户，一同分享全息景象。这个功能可以让教师和学生在任何不同的空间里看到同一个场景，学生可以随时向教师提出问题，针对学生的问题，教师不再是只能用简单的语言描述，可以打开全息视角一一剖解，达到事半功倍的效果。

4 MR全息教学与传统信息化教学比较

（1）形式丰富。传统的信息化教学多以“图片+视频+音频”的形式进行授课，形式单一枯燥，长时间学习学生容易疲乏，注意力不集中。在传统影像基础上加入全息3D内容和场景，并通过眼镜、手机、电脑等多终端学习，形式多样，立体生动，学生学习兴趣高涨。

（2）互动性强。对于工科类的实训项目，诸如汽车结构认知、汽车拆装、汽车维修、汽车钣喷等，现场教学不可能做到一对一的演示与模拟练习，反复拆卸也极大地损伤了实训设备及工量具。进入到全息投影后的学习空间，每位学生均可以直接与实训设备互动，提高了学习的主动性和实践性，提高了教学效率。

（3）实时反馈。教师和学生同处于全息教学空间中，教师对学习效果实时掌握，学生可以得到实时指点和反馈。传统的信息化教学反馈，只能通过现场问题或课后作业获得反馈，缺少实时沟通，学习效率较低。

（4）课题延展。汽车技术日新月异，借助丰富的全息3D特效，完全可以愉悦学生们的学习体验，将现在很多抽象的智能网联技术和晦涩难懂的新技术原理，用拓展的教学资源让学生进行主动式学习，同时教师们开发的教学资源还可以在云端保存，为专业建设创建个性化教学资源和创新数字化资源。