虚拟现实技术在新能源汽车教学改革中的应用

柳炽伟 陈月梅

摘要：针对新能源汽车1+X书证融通课程教学中存在的“高风险、缺设备、难展示”等困难，提出将虚拟现实技术融入1+X证书课程的情境化教学模式中。设计了新能源汽车技术课程教学过程所需的6个虚拟现实教学子系统，并实践探索将其融入情境式课程的设计和教学过程，取得良好的教学效果。

Abstract： In view of the difficulties of "high risk， lack of equipment and difficult display" in the teaching of 1+X certificate financing course of new energy vehicles， it was put forward to integrate virtual reality technology into the situational teaching mode of 1+X certificate course. Six virtual reality teaching subsystems required in the teaching process of new energy vehicle technology course were designed， and practiced to explore it into the design and teaching process of context-based curriculum， which have achieved good teaching results.

关键词：1+X证书制度;虚拟现实技术;新能源汽车;课程设计;情境式教学

Key words： 1+X certificate system;virtual reality technology;new energy vehicles;curriculum design;situational teaching

中图分类号：G642.0                                    文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2022）03-0245-03

0  引言

大量试点院校开展了1+X书证融通的人才培养模式改革和探索。积极开发虚拟仿真教学系统和平台，探索虚拟仿真教学在1+X书证融通的课程应用模式，对深化“人工智能”在高等学校创新应用的教学改革和推动1+X证书制度的实施，都是一种有益的尝试，具有十分积极的意义。

1  1+X证书制度下虚拟现实教学应用的机遇

1.1 强化职业能力培养带来新挑战

1+X课程强化了职业能力的培养，部分教师由于缺乏行业企业工作经验，对职业岗位任务及其工作过程、技术技能要求理解不够深刻，在融通课程设计和教学过程中胜任力不足。主要表现在学科式课程设计思想，以教师讲授为主的教学方式，割裂的理论知识点，技能训练任务逻辑与岗位工作缺乏联系，不能充分调动学生学习主动性。

1+X证书的实施，对试点院校实践场地和设备提出了更高的要求，尤其是体现“新技术、新工艺、新规范、新要求”的先进仪器设备要及时增添购置。同时强化技能培训导致原有设备的种类和数量不足、设备技术状况恶化、故障率升高等等，都阻碍了培训教学的正常实施。

1+X课程增加了实训教学的时间，在既定的人才培养方案总学时下，如何合理调整理论和实训教学的时长和方法，成为教学改革的又一个难点。

1.2 面向课证融通的虚拟现实教学的适用性

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种多源信息融合的系统仿真技术，利用 PC 或移动设备、头戴式显示器、跟踪传感器等硬件设备，提供具备沉浸式的人工模拟环境、逼真的感知行为模拟、高级的人工交互的仿真和实验等功能[1]。VR在“1+X”证书课程上应用，其优点可归纳为以下几点。一是VR通过对职业岗位工作环境和任务过程的模拟，它能为学生和教师提供逼真、生动的“工作”情境，又具有较强的可参与性，使学生能进入虚拟环境模拟角色互动，进而产生与传统教育环境完全不同的教学模式，克服了传统教学中过分依赖语言描述、缺乏形象展现和参与性不足的缺点，为以学生为中心的情境化课程创造了条件，减轻教师胜任力不足的影响。二是VR能展现高度集成的复杂系统的结构原理，方便学生线上自学，增加线下实操训练时间，克服1+X证书课程既定课时与实训课时增加的矛盾。三是通过VR模拟各种实验或操作（尤其是危险、昂贵、难度大的实操），使学生预先通过VR系统熟悉实操的步骤、要求和过程，能更快地在实训设备上习得真实的技能，降低了实训教学危险性、设备负荷和使用频率，减轻指导教师劳动强度和实验耗材的使用成本，给实践教学带来相当便捷及良好的效果。四是VR教学系统还能提供游戏化的交互体验，通过任务、通关、排行榜等一些奖励机制，让学生在有趣的体验中进行学习，充分调动其学习积极性。五是虚拟教学系统能模拟职业技能证书实操考核过程，减少学生怯场心理导致的失误，提升证书考核通过率。

考虑到VR整套设备较为昂贵，对于只需展示教学对象结构原理，沉浸感和人机交互要求相对较低的学习内容，可以采用虚拟三维仿真技术。它利用三维动画技术结合计算机视频、音频技术，能较好的模拟仿真场景[2]。由于不需要穿戴设备、手柄等器具，使用者只需在连接互联网的PC机或移动终端安装相关软件，登录后即可进入系统学习，不受时间和地点的限制，十分适合班级学生自行上线学习。

2  虚拟现实教学系统开发的路径

学校在选取应用方案时，应考虑教学内容需求、校内机房状况、学生个人PC机情况，针对应用方案所带来的教学成效，在资源投入与成效产出间取得平衡。

2.1 虚拟现实教学系统开发流程

虚拟现实教学系统的开发流程如图1所示。

通过需求分析获取教学过程中的重点难点以及高危的、不易见的教学场景，确认需要VR虚拟交互解决的问题，形成需求列表，据此结合一体机、PC VR等设备的交互特点，形成基于6 DOF VR交互的教学内容和教学过程。在虚拟教学场景开发和系统功能开发时，使用3D Max建模工具、Unity3D平台，通过HDRP（高动态渲染管线）技术高度还原仿真教学的虚拟现实场景，完成系统的教学功能、交互功能、VR界面、智能语音等功能的开发。

2.2 虚拟现实教学系统应面向专业群教学需求

考虑到虚拟现实系统开发的成本，开发目标应优先面向专业群共同的教学需求。分析其工作领域中相关工作任务的流程和职业能力需求，发掘出难以通过现实设备展现的现象、知识、技术等，根据内容属性分类，开发设计相应的实践教学模块，供关联课程设计时挑选组合使用。其中交互性相对较弱的理论知识模块，采用三维虚拟仿真技术，使一般院校可采取重内容轻硬件的应用方案，尽量让学生能通过机房、网络等常用设施，进入虚拟现实教学系统中的理论知识模块自主学习。

新能源汽车应用高压电源电路、多合一电驱动系统的结构，实践教学普遍存在着高电压危险;故障现象模拟困难;难以展示内部结构原理;师资和设备缺乏难有效开展班级实训等状况，适合开展融合虚拟现实教学系统的理实一体化教学探索。结合高职新能源汽车专业群“1+X”证书课程的改革建设，新能源汽车虚拟现实教学系统与职业证书培训需求关系如图2所示。

图2中可见，为适应各专业选考不同证书课程的需要，确定虚拟现实教学系统应采用6个模块化子系统来表现新能源汽车检测维修全过程，使其既可在技术类课程中全部应用，也可在营销管理等职业技能证书课程中选用。这样既方便了工作过程系统化教学的设计和组织，又相对降低虚拟教学系统的开发成本。

2.3 虚拟现实教学系统框架内容设计

现行汽车虚拟现实教学，多以总成拆装分解等实操内容的展示和演练为主，内容相对单一，教学组织不严密，课程逻辑性不强，常常只作为实训教学的一种补充形式[3]。如果将虚拟现实教学有机融入专业课程的项目式教学过程，具备学习所需的课程逻辑和内容，学生能获得更好的学习体验及学习效果。对应新能源汽车检修工作过程，虚拟现实教学系统设计为以下六个子系统，其教学目标和学习内容参见表1。

3  应用虚拟仿真教学系统的1+X证书课程实施

基于工作过程系统化的情境式教学模式，符合强调职业能力培养的1+X证书课程的特点，融入虚拟现实系统的教学内容后，能创设逼真的教学情境和模拟难度大的实践教学内容。但在“1+X”证书课程中，它并不能完全代替实际的技能训练，应视情进行虚实结合的实践教学。

3.1 课程的教学过程

3.1.1 学习情境的创设

工作过程系统化的项目式教学，需要给学生创设一个模拟真实工作场景的学习情境。仅依靠语言的描述，学生并不能准确理解和把握关键信息。可利用“虚拟现实故障场景子系统”，模拟新能源汽车行驶中仪表某故障警告灯忽然点亮，信息屏输出警告信息和SOC值，同时感受是否有车速变化及其他故障征兆等沉浸式场景。

3.1.2 分组讨论与方案制定

接受“工作项目”后，学生分组讨论并拟定检修方案。在分组时注意学生的特点，把不同特长和爱好的（异质）学生组织到一个学习小组中。如善于沟通的可做为服务顾问和小组长;善于逻辑分析和基础知识扎实的同学长于方案拟定与优化;动手能力强的学生在实操环节可充分发挥特长等等，以利于各小组高效完成工作任务，并在学习过程中开展竞赛活动。通常教师在此环节指导学生通过虚拟现实的“新能源汽车结构原理子系统”学习故障关联系统的理论知识，生动形象地展现系统的组成、功能、控制策略等。部分配置了虚拟现实教学平台和开发了网络课程的学校，往往布置该部分内容作为课前学习任务。课堂时间主要由教师指导学生直接进行故障分析和拟定诊断方案，切实发挥“翻转课堂”和虚拟现实教学系统的作用。

3.1.3 检测与检修实操

学生确定检修方案后，分别进入检查维护、元件检测、部件拆装等虚拟教学子系统去完成故障检测、诊断和排除的过程。比如先模拟用诊断仪读取故障码，再查看各电池的电压、电流、温度状况、总电压、SOC等数据流。发现电池缺电的应进行充电操作;内部各单体电池电压差值过大的，需进行电池平衡的操作;如电池已损坏的，需更换电池模组。类似工作在虚拟现实教学系统中演练和考核通过后方能进行现场实操训练。对于电池的均衡与电池模组更换等工作，做好预演练习，能提高实操的效率和安全性，减小损坏仪器的风险。对于众多缺乏实践设备的高职院校，更起了不可或缺的作用。

3.1.4 质量检验与结果测试

检修完成后，进入维修工作的质量检验场景。该环节既可满足课程教学的知识目标，也体现了给学生贯输安全与质量意识的素质目标。最后一道工序，是汽车的竣工检验，提供给学员一个驾驶车辆正常行驶的场景，表明车辆已修好，行驶完全正常，使學生产生一种满足感和成就感。

3.2 虚拟教学评价

虚拟教学子系统中所含1+X证书模拟考核模块，可用于1+X的考证的强化培训，也可用于课程教学效果评价。教师应在课后进行适当的考核，评价学生学习情况。在课程总评成绩中，适当增加虚拟教学系统考核成绩的权重，充分调动学生学习和训练主动性。经统计，通过虚拟教学技术的融入，学生的实操技能训练掌握更快，成绩普遍提高了10%左右。

虚拟现实技术紧密融合到1+X证书课程的基于工作过程系统化的项目化教学模式中，为学习情境的创设、系统结构原理的理解、职业技能的训练都提供了先进且生动形象的教学平台，一定程度上帮助教师解决了教学案例经验缺乏、实训设备不足、实操风险过高、学生学习兴趣低下等方面存在的问题。虚拟现实教学系统使用效果的提升，需要学校与教师的重视，优化课程的设计，在教学过程中更好地进行组织和应用。

参考文献：

[1]周敏，郭艳军，崔莹，等.虚拟仿真技术在古生态场景重建中应用的探索[J].实验技术与管理，2021，38（6）：142-146.

[2]毛勇忠，张继新，黄玮.三维仿真与虚拟现实技术在消防训练中的应用[J].中国管理信息化，2019，22（3）：149-152.

[3]李春青，姜峰.基于虚拟现实技术的汽车专业教学改革研究[J].工业和信息化教育，2021（3）：81-84.