虛擬現實技術在新能源汽車教學改革中的應用

柳熾偉 陳月梅

摘要：針對新能源汽車1+X書證融通課程教學中存在的“高風險、缺設備、難展示”等困難，提出將虛擬現實技術融入1+X證書課程的情境化教學模式中。設計了新能源汽車技術課程教學過程所需的6個虛擬現實教學子系統，并實踐探索將其融入情境式課程的設計和教學過程，取得良好的教學效果。

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.

關鍵詞：1+X證書制度;虛擬現實技術;新能源汽車;課程設計;情境式教學

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

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0245-03

0 ?引言

大量試點院校開展了1+X書證融通的人才培養模式改革和探索。積極開發虛擬仿真教學系統和平臺，探索虛擬仿真教學在1+X書證融通的課程應用模式，對深化“人工智能”在高等學校創新應用的教學改革和推動1+X證書制度的實施，都是一種有益的嘗試，具有十分積極的意義。

1 ?1+X證書制度下虛擬現實教學應用的機遇

1.1 強化職業能力培養帶來新挑戰

1+X課程強化了職業能力的培養，部分教師由于缺乏行業企業工作經驗，對職業崗位任務及其工作過程、技術技能要求理解不夠深刻，在融通課程設計和教學過程中勝任力不足。主要表現在學科式課程設計思想，以教師講授為主的教學方式，割裂的理論知識點，技能訓練任務邏輯與崗位工作缺乏聯系，不能充分調動學生學習主動性。

1+X證書的實施，對試點院校實踐場地和設備提出了更高的要求，尤其是體現“新技術、新工藝、新規范、新要求”的先進儀器設備要及時增添購置。同時強化技能培訓導致原有設備的種類和數量不足、設備技術狀況惡化、故障率升高等等，都阻礙了培訓教學的正常實施。

1+X課程增加了實訓教學的時間，在既定的人才培養方案總學時下，如何合理調整理論和實訓教學的時長和方法，成為教學改革的又一個難點。

1.2 面向課證融通的虛擬現實教學的適用性

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是一種多源信息融合的系統仿真技術，利用 PC 或移動設備、頭戴式顯示器、跟蹤傳感器等硬件設備，提供具備沉浸式的人工模擬環境、逼真的感知行為模擬、高級的人工交互的仿真和實驗等功能[1]。VR在“1+X”證書課程上應用，其優點可歸納為以下幾點。一是VR通過對職業崗位工作環境和任務過程的模擬，它能為學生和教師提供逼真、生動的“工作”情境，又具有較強的可參與性，使學生能進入虛擬環境模擬角色互動，進而產生與傳統教育環境完全不同的教學模式，克服了傳統教學中過分依賴語言描述、缺乏形象展現和參與性不足的缺點，為以學生為中心的情境化課程創造了條件，減輕教師勝任力不足的影響。二是VR能展現高度集成的復雜系統的結構原理，方便學生線上自學，增加線下實操訓練時間，克服1+X證書課程既定課時與實訓課時增加的矛盾。三是通過VR模擬各種實驗或操作（尤其是危險、昂貴、難度大的實操），使學生預先通過VR系統熟悉實操的步驟、要求和過程，能更快地在實訓設備上習得真實的技能，降低了實訓教學危險性、設備負荷和使用頻率，減輕指導教師勞動強度和實驗耗材的使用成本，給實踐教學帶來相當便捷及良好的效果。四是VR教學系統還能提供游戲化的交互體驗，通過任務、通關、排行榜等一些獎勵機制，讓學生在有趣的體驗中進行學習，充分調動其學習積極性。五是虛擬教學系統能模擬職業技能證書實操考核過程，減少學生怯場心理導致的失誤，提升證書考核通過率。

考慮到VR整套設備較為昂貴，對于只需展示教學對象結構原理，沉浸感和人機交互要求相對較低的學習內容，可以采用虛擬三維仿真技術。它利用三維動畫技術結合計算機視頻、音頻技術，能較好的模擬仿真場景[2]。由于不需要穿戴設備、手柄等器具，使用者只需在連接互聯網的PC機或移動終端安裝相關軟件，登錄后即可進入系統學習，不受時間和地點的限制，十分適合班級學生自行上線學習。

2 ?虛擬現實教學系統開發的路徑

學校在選取應用方案時，應考慮教學內容需求、校內機房狀況、學生個人PC機情況，針對應用方案所帶來的教學成效，在資源投入與成效產出間取得平衡。

2.1 虛擬現實教學系統開發流程

虛擬現實教學系統的開發流程如圖1所示。

通過需求分析獲取教學過程中的重點難點以及高危的、不易見的教學場景，確認需要VR虛擬交互解決的問題，形成需求列表，據此結合一體機、PC VR等設備的交互特點，形成基于6 DOF VR交互的教學內容和教學過程。在虛擬教學場景開發和系統功能開發時，使用3D Max建模工具、Unity3D平臺，通過HDRP（高動態渲染管線）技術高度還原仿真教學的虛擬現實場景，完成系統的教學功能、交互功能、VR界面、智能語音等功能的開發。

2.2 虛擬現實教學系統應面向專業群教學需求

考慮到虛擬現實系統開發的成本，開發目標應優先面向專業群共同的教學需求。分析其工作領域中相關工作任務的流程和職業能力需求，發掘出難以通過現實設備展現的現象、知識、技術等，根據內容屬性分類，開發設計相應的實踐教學模塊，供關聯課程設計時挑選組合使用。其中交互性相對較弱的理論知識模塊，采用三維虛擬仿真技術，使一般院?？刹扇≈貎热葺p硬件的應用方案，盡量讓學生能通過機房、網絡等常用設施，進入虛擬現實教學系統中的理論知識模塊自主學習。

新能源汽車應用高壓電源電路、多合一電驅動系統的結構，實踐教學普遍存在著高電壓危險;故障現象模擬困難;難以展示內部結構原理;師資和設備缺乏難有效開展班級實訓等狀況，適合開展融合虛擬現實教學系統的理實一體化教學探索。結合高職新能源汽車專業群“1+X”證書課程的改革建設，新能源汽車虛擬現實教學系統與職業證書培訓需求關系如圖2所示。

圖2中可見，為適應各專業選考不同證書課程的需要，確定虛擬現實教學系統應采用6個模塊化子系統來表現新能源汽車檢測維修全過程，使其既可在技術類課程中全部應用，也可在營銷管理等職業技能證書課程中選用。這樣既方便了工作過程系統化教學的設計和組織，又相對降低虛擬教學系統的開發成本。

2.3 虛擬現實教學系統框架內容設計

現行汽車虛擬現實教學，多以總成拆裝分解等實操內容的展示和演練為主，內容相對單一，教學組織不嚴密，課程邏輯性不強，常常只作為實訓教學的一種補充形式[3]。如果將虛擬現實教學有機融入專業課程的項目式教學過程，具備學習所需的課程邏輯和內容，學生能獲得更好的學習體驗及學習效果。對應新能源汽車檢修工作過程，虛擬現實教學系統設計為以下六個子系統，其教學目標和學習內容參見表1。

3 ?應用虛擬仿真教學系統的1+X證書課程實施

基于工作過程系統化的情境式教學模式，符合強調職業能力培養的1+X證書課程的特點，融入虛擬現實系統的教學內容后，能創設逼真的教學情境和模擬難度大的實踐教學內容。但在“1+X”證書課程中，它并不能完全代替實際的技能訓練，應視情進行虛實結合的實踐教學。

3.1 課程的教學過程

3.1.1 學習情境的創設

工作過程系統化的項目式教學，需要給學生創設一個模擬真實工作場景的學習情境。僅依靠語言的描述，學生并不能準確理解和把握關鍵信息?？衫谩疤摂M現實故障場景子系統”，模擬新能源汽車行駛中儀表某故障警告燈忽然點亮，信息屏輸出警告信息和SOC值，同時感受是否有車速變化及其他故障征兆等沉浸式場景。

3.1.2 分組討論與方案制定

接受“工作項目”后，學生分組討論并擬定檢修方案。在分組時注意學生的特點，把不同特長和愛好的（異質）學生組織到一個學習小組中。如善于溝通的可做為服務顧問和小組長;善于邏輯分析和基礎知識扎實的同學長于方案擬定與優化;動手能力強的學生在實操環節可充分發揮特長等等，以利于各小組高效完成工作任務，并在學習過程中開展競賽活動。通常教師在此環節指導學生通過虛擬現實的“新能源汽車結構原理子系統”學習故障關聯系統的理論知識，生動形象地展現系統的組成、功能、控制策略等。部分配置了虛擬現實教學平臺和開發了網絡課程的學校，往往布置該部分內容作為課前學習任務。課堂時間主要由教師指導學生直接進行故障分析和擬定診斷方案，切實發揮“翻轉課堂”和虛擬現實教學系統的作用。

3.1.3 檢測與檢修實操

學生確定檢修方案后，分別進入檢查維護、元件檢測、部件拆裝等虛擬教學子系統去完成故障檢測、診斷和排除的過程。比如先模擬用診斷儀讀取故障碼，再查看各電池的電壓、電流、溫度狀況、總電壓、SOC等數據流。發現電池缺電的應進行充電操作;內部各單體電池電壓差值過大的，需進行電池平衡的操作;如電池已損壞的，需更換電池模組。類似工作在虛擬現實教學系統中演練和考核通過后方能進行現場實操訓練。對于電池的均衡與電池模組更換等工作，做好預演練習，能提高實操的效率和安全性，減小損壞儀器的風險。對于眾多缺乏實踐設備的高職院校，更起了不可或缺的作用。

3.1.4 質量檢驗與結果測試

檢修完成后，進入維修工作的質量檢驗場景。該環節既可滿足課程教學的知識目標，也體現了給學生貫輸安全與質量意識的素質目標。最后一道工序，是汽車的竣工檢驗，提供給學員一個駕駛車輛正常行駛的場景，表明車輛已修好，行駛完全正常，使學生產生一種滿足感和成就感。

3.2 虛擬教學評價

虛擬教學子系統中所含1+X證書模擬考核模塊，可用于1+X的考證的強化培訓，也可用于課程教學效果評價。教師應在課后進行適當的考核，評價學生學習情況。在課程總評成績中，適當增加虛擬教學系統考核成績的權重，充分調動學生學習和訓練主動性。經統計，通過虛擬教學技術的融入，學生的實操技能訓練掌握更快，成績普遍提高了10%左右。

虛擬現實技術緊密融合到1+X證書課程的基于工作過程系統化的項目化教學模式中，為學習情境的創設、系統結構原理的理解、職業技能的訓練都提供了先進且生動形象的教學平臺，一定程度上幫助教師解決了教學案例經驗缺乏、實訓設備不足、實操風險過高、學生學習興趣低下等方面存在的問題。虛擬現實教學系統使用效果的提升，需要學校與教師的重視，優化課程的設計，在教學過程中更好地進行組織和應用。

參考文獻：

[1]周敏，郭艷軍，崔瑩，等.虛擬仿真技術在古生態場景重建中應用的探索[J].實驗技術與管理，2021，38（6）：142-146.

[2]毛勇忠，張繼新，黃瑋.三維仿真與虛擬現實技術在消防訓練中的應用[J].中國管理信息化，2019，22（3）：149-152.

[3]李春青，姜峰.基于虛擬現實技術的汽車專業教學改革研究[J].工業和信息化教育，2021（3）：81-84.