基于混合现实技术的新能源汽车教学模式探索与研究

杨师缘

沈阳开放大学 辽宁沈阳市 110055

在混合现实技术还未在新能源汽车领域应用之前，传统模式的教育方式是老师将根据教学大纲中规定的内容，按照课本上的知识点对学生进行描述和讲解。在这种教育模式下，老师对于学生的要求只是能够将老师讲解的知识进行了解和背诵，传统模式下的教育大多数的注重点还是为了应试，对于学生在某一方面不理解的知识，只要求其进行背下来就可以。在这种方式下，学生的主观意识逐渐的降低。教师在课堂中也很少能够将课本的知识进行延伸。只要学生能够考出好的成绩，在当下的应试教育背景下可以通过测验就可以。大多数学生在选择本专业时都是出于爱好，但是这种教育模式使学生逐渐养成被动接受的习惯，主观能动性降低，限制了学生的思维方式。传统教育模式中，老师不想去拓展课程的原因不单单是因为个人原因。在教学过程中，由于学校各方面条件的限制，使得很多课本上的实验在现实生活中无法向学生进行演示，学生能够上手操作的机会很少，我国伟大的领袖毛主席说：“真理只有一个，而究竟谁发现了真理，不依靠主观的夸张，而依靠客观的实践。只有千百万人民的革命实践，才是检验真理的尺度。”

1 混合现实技术在教育领域的优势

1.1 消除知识壁垒，创建生动逼真的情景

传统的授课方式，通常依靠文字、图片等简单形式来进行的，偶尔也会用到视频，这些形式用于解答简单的概念是可以的。但是对于一些复杂的问题，如宏观、微观现象等，这种方式就会显得苍口无力。传统教育中的知识具有扁平性，混合现实技术可以呈现更为立体的世界，消除空间与时间对学生造成的认知阻断，为学生提供逼真、生动的学习环境。建造汽车模型、汽车拆解、内部结构显示等，混合现实技术可以在电动汽车领域中为学生提供无限的真实体验。混合现实技术的使用可以演示一些内部零件复杂、概念抽象的知识点。在日常学习中不便于直接观察的电动汽车的制造，但是在混合现实技术下可以很好的完成。在混合现实技术下，大到宇宙中的天体，小到原子粒子，学习者都可以通过混合现实技术进入这些物体的内部进行观察。汽车制造的过程需要几个月的时间，但是利用混合现实技术可以在很短的时间内展示出来。这种对知识全方位、多角度的展示极大地丰富了课堂的授课内容。从而加速和巩固他们学习知识的过程，有效帮助学生加深知识印象。

1.2 灵活授课、促进知识迁移

混合现实技术能够提供丰富的感知以及多方面（听觉、视觉、触觉等）的反馈，帮助学习者将虚拟情境中所学到的内容迁移到真实生活中，满足新能源汽车学习的需要。利用混合现实技术模拟教师在授课过程中难以讲解的教学场景，使课堂的学习具有可视化和可参与性，把一些枯燥的数字、程序、原理、流程等变得生动形象有趣，学生与场景互动，老师和学生互动，在混合现实技术中可以更加形象的掌握汽车制造知识。在同一个混合现实教学场景每个学生都会有不同的经历，也就是说在同一个混合现实教学场景下，可以根据每个学生的差异性，分别在不同情况进行仿真。这就为探索式学习、交互式学习提供了广阔的教学空间。

1.3 节约学校成本、规避现实伤害

使用传统教育进行教学，在教学过程中容易受到设备、经费、场地等各方面制约，许多操作上的实验有一定危险性，在教学过程中难以开展。利用混合现实技术可以虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在实验室中进行，大多数技能也都可以在实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。并且这些虚拟的训练系统没有任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。混合现实技术可以模拟现实中的场景，使学生在课堂中就可以完成各种实验，在混合现实技术中获得与真实体验一样的感受。可以这样说，在保证教学效果的前提下，混合现实技术减少了实验操作可能带来的意外和伤害，并为学校大幅度降低了实验成本。

1.4 激发学生兴趣、提高参与度

混合现实技术用其个性化的方式、丰富多彩的媒体形式和强烈的感官体验促进学习者在学习过程中产生主动情绪。混合现实系统可以虚拟任何你能想到的人物形象，在混合现实正中创造一个人性化的学习环境，使远程教育的同学可以在放松，亲切的氛围中进行学习。混合现实技术可以虚拟大量案例证明，混合现实可以给学生带来放松、愉悦的学习环境，激发学生对于学习的动机。另外，混合现实技术可创设逼真的场景，提供动态的高交互设置，可以让学习者在其中显示出较高的学习参与度。

2 混合现实技术在电动汽车制造领域的意义

2.1 传统的汽车设计流程

在对汽车进行研发时，设计初期需要根据市场需求确定设计内容、对产品定位、做初期布置、进行造型设计，还要对经济性做分析、成本做分析等。在初期造型设计阶段，则是根据规划书确定产品的外部尺寸、整体的技术参数、造型风格和汽车的配置等，然后对现有市场车型进行分析，研究对标车型的优势和缺点，结合市场的大方向确定造型设计，对汽车定位。首先要解读汽车造型设计的任务书，以草图形式展现汽车设计理念与汽车造型的初期方案，通过团队的反复的评审，不断修改确定效果图的方案，最后进入整车的细节设计阶段。在汽车制造领域，造型设计是对研发团队极高的挑战，这其中涉及了材料学、流体力学、人机工程、环境等众多方面。评审在修改调整设计的过程中，三维造型与油泥模型这两个环节起到了至关重要的作用。通过三维造型我们更真实地看到立体化的效果，工程设计问题也通过计算机进行模拟评估，市场部在此时也可以对产品的市场作出判断与分析。为了更加真实地展现设计，可以通过油泥制作1∶1车体模型，然后进行二次评审。油泥确定后，利用三维扫描技术将油泥模型进行逆向a面制作，完成车身数据后与工程对接，最终完成整车造型制造。

2.2 传统设计流程的利弊

传统汽车设计是通过手工绘制二维图纸对汽车造型进行设计，工匠制作车体外壳时也是手工制作，对车体完成设计工作，制造车体时效率低下。之前的工艺技术不够成熟，设计师的想法得不到准确的表达。现在汽车设计分工明确，汽车2D与3D的模型制作成为设计师的必备技能，并且随着科技产品的日益成长，设计师在汽车领域的发挥空间越来越大。传统的造型设计包括草图的设计、构建CAS模型、油泥推敲、逆向建模，每一项都需要时间，并且在前期工作结束之后遇到问题进行二次修改时，对设计图纸再次修改过程繁琐，汽车整车设计师的能力对整个设计工作的推进与本身设计的合理性有很大的影响。目前汽车设计辅助软件在使用中使用越来越方便，比如前期CAS造型阶段构建模型可以通过subdive细分，通过铣油泥的方式将大型模型制作出来，可以在整个工作中极大地缩短设计周期，但还是传统的环节，设计师和油泥师傅充分地沟通才能表达到位。因此，在2D转化成3D的过程如何不受油泥师的思路影响，将二维图纸具象化，是一项待解决的问题。

2.3 混合现实技术在三维汽车模型中的应用

混合现实技术可显示汽车的悬架、底盘、内饰直至每一个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各个部件的运行性能。这种三维模型的准确性很高，汽车制造商可根据得到的计算机数据，直接进行大规模生产。据相关部门报道，通用和原克莱斯勒公司自从采用混合现实技术后，开发一种新车型的时间从一年以上缩短至两个月左右，不光缩短了时间，公司对新车型的开发成本也降到原来的十分之一。按照传统汽车制造，单独新款汽车的设计的常规开发时间至少都需12～18个月。克莱斯勒公司中耗资最大的当属梅赛德斯汽车的设计中心，开发设计人员在该中心提供的混合现实中可以检查整个车体的线条和轮廓、以及整体性能。全球混合现实技术新能源汽车发展市场的关键手段，通过混合现实中的虚拟环境进行工作，对车身进行检测，分析汽车的空气动力学、了解汽车性能等。美、日、欧等发达国家将混合现实技术作为汽车行业的关键竞争手段。

3 如何在课堂中开展混合现实技术

混合现实实验是指在混合现实环境的基础之上将现实中真实的实验进行模拟呈现。当下学校根据混合现实技术设立的各种虚拟实验室在对学生进行化学、物理等实验的操作和体验上具有积极的效果，在混合现实技术系统中存在的虚拟智能角色，可以带领学生在虚拟环境中更好地进行环境的体验，同时老师也能够随时随地的在混合现实系统中与其学生进行知识的讲解和学术的交流。以网络信息技术和多媒体设备为基础的虚拟学习环境中，可以使得学生的主观能动性和自主学习能力得到极大的提升，学生通过计算机就可以进行知识的学习，也能够享受到当下丰富的学习资源。同时虚拟实验室的设立，在很大程度上可以降低学生做实验过程中存在的风险，也能够降低一些成本昂贵的实验，减少学校的开支，使得学生们能够足不出户的、不限次数的进行各种实验的操作，同时也能获得与现实中进行真实实验时一样的体验。

3.1 汽车维护保养中的应用

在汽车维护保养中可以利用混合现实技术制作一款软件，软件中包含发动机、底盘、车身以及电气设备四大模块的维护保养，其中要含有考评系统和资料查询系统。学生可以通过这款软件选择其中一个方向进行维护保养的虚拟操作。比如，对车辆的四轮定位实验中，在完成操作之后，要及时填写电子的工单。针对软件操作的过程中对操作的项目进行时间的记录以及对学生在维护保养的过程中的操作进行评价。对该模块的熟练程度和准确性方面做出及时反馈，以便纠正学生的错误。学生可以通过资料查询功能对不熟练或不会维护的项目进行及时的查看，通过反复操作直到掌握该项目的维护流程并熟练操作。

3.2 汽车综合故障诊断中的应用

在对汽车进行故障诊断时，可以利用混合现实系统对汽车故障进行虚拟设定。在对汽车进行故障诊断时，对综合故障诊断教学与考评也是混合现实在汽车维修上的重要应用之一。在老师讲授汽车发动机启动困难的故障诊断时，老师在课前设置故障地点，学生可以利用开发的混合现实软件对整车的工况进行模拟分析。学生通过穿戴设备了解汽车在启动过程中各系统的工作过程，分析具体是汽路、电路、油路以及点火哪个方面的影响。混合现实软件配合教师的多媒体讲解，进一步的加深学生对于知识点的掌握。在使用过程中也可以设置各种问题进行训练，如喇叭不响、供油不足和尾气排放等。学生通过老师的讲解，在混合现实软件中完成故障的排除，实现汽车的正常使用。

以上仅仅为学生在混合现实技术在故障诊断时的其中一个案例。在发动机润滑不良、转向失灵、制动失效等故障诊断中，也可用以上方法进行教学。通过以上的学习方法，学生在使用过程中可以反复练习，并在学习过程中可以进行一些探索性的操作。混合现实技术的应用，不仅让学生掌握了熟练的维修技能，还可以提高学生的创造能力。

3.3 汽车试验中的应用

学生在学习了汽车的故障排查以及维修保养后，学生也可以在混合现实技术制作的软件中完成对汽车在行驶过程中将会遇到的问题进行实验。如不同道路下的实验，汽车碰撞实验以及发生侧滑打滑时对转向进行实验。对汽车的动力和底盘的性能做出实验。进行各种模拟前，学生要事先在软件中选定某一汽车模型，输入实验中需要的各种参数。比如车重、轴距、电池容量、电池类型、车轮位置等，使用混合现实模拟软件模拟实车的实验数据，通过人机交互以及穿戴设备模拟驾驶。计算机根据各种参数分析整车的性能并将实验所带来的结果反馈到混合现实设备上。以给出驾驶人最直接的感官体验。让学生在实验中体会到汽车的各项性能怎么样，并对其有三维立体化的感受，同时在实验中对汽车的各项参数进行修正，并进行重复性的实验。针对于不同的实验参数，对不同车况下的汽车性能进行评价。最终可以获得不同种类的汽车在何种参数时功能状况最稳定。

3.4 驶培训中的应用

模拟驾驶的核心是要和真车的驾驶感受一样，相比较于传统的驾驶模拟器的交互模式，混合现实的技术的模拟器具有更好的沉浸感。而且在驾驶时，不受时间、天气等环境因素影响。截至目前为止，只有部分驾校引入了基于VR的混合现实模拟器并投入使用，在教学过程中取得了良好的效果。VR的应用也可以推广到汽修专业的驾驶实习中，学生在使用过程中对VR软件进行设置，模拟视频中可以模拟天气、路面、行人以及光线等不同的路况。学生在驾驶时，油门、刹车、离合器、方向盘、挂挡这些操作都和实车一致。使学生体会到一种真实的实车训练感受，与混合现实技术为基础的VR软件可以降低学校对于驾驶培训费用投入，从而降低了对能源的消耗，避免了环境污染。使学生在较短的时间内掌握汽车的驾驶。相信在不远的未来，VR技术的应用可以取代实车考试，颠覆学校对汽车驾驶考试的原有模式。这也能大大的节约学校购置实习车辆的费用。

4 结语

我国混合现实技术在教育方面属于初期阶段，新能源汽车也属于起步阶段，混合现实技术的出现，对高校汽车制造与维修专业的学生有着重要意义，混合现实技术很好的解决了在传统教学中对于教材资源的需求，同时也减少了安全方面带来的影响，学生在动手实践过程中，增强了学生的动手能力以及创新能力。将枯燥的知识学习点亮一盏明灯，通过混合现实技术增强了学生对知识的渴望。在不远的未来，相信通过混合现实技术可以为新能源汽车领域输送大量的精英。