虛擬仿真技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中的教學(xué)應(yīng)用

張建強(qiáng) 關(guān)志偉 侯海晶 杜峰

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車是當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)變革的必然趨勢(shì)，但相關(guān)技術(shù)人才極度缺乏，嚴(yán)重影響了該產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前職業(yè)教育在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的教學(xué)方面面臨著教學(xué)設(shè)備成本高、教學(xué)設(shè)備不足等問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，在教學(xué)方面采用虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，該虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)在3DMAX軟件環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)模型的搭建，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，把模型輸出.FBX格式的文件導(dǎo)入到Unity3D軟件中進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，最終完成智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬仿真;智能網(wǎng)聯(lián)汽車;環(huán)境感知;教學(xué)應(yīng)用

[中圖分類號(hào)] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2020）07-0110-03

2015年5月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《中國(guó)制造2025》中，明確指出：2020年掌握智能輔助駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，初步建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系及生產(chǎn)配套體系;通過(guò)五年時(shí)間掌握自動(dòng)駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建立較完善的智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系、生產(chǎn)配套體系及產(chǎn)業(yè)群，基本完成汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1-2]。但是由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車設(shè)備成本高、技術(shù)難度大、技術(shù)更新快等原因，目前的職業(yè)教育跟不上智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，教學(xué)資源較少，教學(xué)方式單一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到教學(xué)要求。

以現(xiàn)代教育技術(shù)為支撐，采用虛擬仿真教學(xué)，結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)的教學(xué)需求，可以有效地解決教學(xué)設(shè)施不足、設(shè)備更新慢以及實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程的安全性等問(wèn)題。

一、虛擬仿真技術(shù)在教育建設(shè)中的應(yīng)用

虛擬仿真是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特征，讓人們沉浸在里面，能形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。近年來(lái)，在學(xué)科建設(shè)發(fā)展、國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)和信息技術(shù)的大力支持下，在虛擬仿真教學(xué)方面建設(shè)速度明顯加快。在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)和教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)及優(yōu)質(zhì)資源共享等方面，各個(gè)高校開(kāi)展了大量探索實(shí)踐[3]。教育部2013年啟動(dòng)并建設(shè)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（以下稱“中心”），“中心”以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和全面提高實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，目前已批準(zhǔn)建設(shè)了300多個(gè)“中心”[4-5]。因此，在教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)是目前教育發(fā)展的趨勢(shì)之一。

二、環(huán)境感知系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)整體方案

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與人、車、路、云端等智能信息交換共享的新型汽車，對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)而言，其中的原理是利用各種各樣的傳感器采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取周圍信息并進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)像人的眼睛和耳朵一樣的功能。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的一些高級(jí)智能行為，如精準(zhǔn)定位、主動(dòng)避障和自適應(yīng)路徑選擇都是以環(huán)境感知系統(tǒng)為基礎(chǔ)條件的。環(huán)境感知系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車?yán)锸呛诵年P(guān)鍵之一，存在知識(shí)點(diǎn)多、理解困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分元器件易損壞等問(wèn)題。教學(xué)與實(shí)際聯(lián)系密切，但是由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)開(kāi)設(shè)時(shí)間短，起步晚，教學(xué)資源少，參考性不高，而且智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)硬件設(shè)施成本高，價(jià)格貴，大部分中高職院校暫時(shí)還無(wú)法完全配備齊全這些硬件設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)法滿足當(dāng)前職業(yè)技術(shù)教育的基本需求，不利于學(xué)生對(duì)環(huán)境感知系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的獲取，而虛擬仿真技術(shù)的建設(shè)，不受場(chǎng)地建設(shè)的影響，也不受環(huán)境設(shè)施的影響，而且可以反復(fù)使用，多次操作，具有交互性等特點(diǎn)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有利于提高教師的教學(xué)效率。智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知多傳感器的教學(xué)設(shè)計(jì)與虛擬仿真技術(shù)的融合使用主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

1.前期做好調(diào)查，主要以智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知多傳感器方面的教學(xué)設(shè)計(jì)需要達(dá)到的要求和目前教學(xué)資源的不足相結(jié)合，以解決問(wèn)題為導(dǎo)向，根據(jù)教學(xué)的要求，對(duì)學(xué)生的能力建設(shè)方面展開(kāi)全方位、多角度、無(wú)死角的知識(shí)內(nèi)容設(shè)計(jì)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中沉浸式的代入感、三維立體的空間感和人機(jī)交互的真實(shí)感，通過(guò)“無(wú)死角”可視化地顯示三維立體模型，以集“學(xué)、練、考”于一體的教學(xué)方式，給智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)的教學(xué)帶來(lái)新的方向和活力。

2.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，以前期相關(guān)調(diào)查為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合各大高校的課程規(guī)劃要求，達(dá)到“學(xué)與練”的教學(xué)目標(biāo)。要注意內(nèi)容設(shè)計(jì)的前后邏輯關(guān)系、層次要鮮明，把問(wèn)題分解，逐次解決，分模塊化考慮，涵蓋結(jié)構(gòu)認(rèn)知、原理仿真展示、拆裝組裝等模塊。再結(jié)合教師的講解，讓學(xué)生在興趣迸發(fā)的情境下深度學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)內(nèi)容逐次細(xì)化，查漏補(bǔ)缺，提高教學(xué)效率，也讓老師省時(shí)、省力和省心。

三、智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)的整體設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)的主要功能是通過(guò)教師的指導(dǎo)，學(xué)生對(duì)虛擬仿真環(huán)境下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車進(jìn)行操作控制，進(jìn)而掌握相關(guān)知識(shí)，達(dá)到認(rèn)知和熟練操作的目的。本教學(xué)采用的仿真模型是某智能網(wǎng)聯(lián)汽車，其搭載著激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等主要裝置，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)由虛擬道路場(chǎng)景環(huán)境系統(tǒng)和控件系統(tǒng)組成，學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)的操作控件按鈕，使其更加真實(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)按照教學(xué)用的智能網(wǎng)聯(lián)汽車的實(shí)際尺寸用3DMAX 軟件1∶1進(jìn)行建模，輸出.FBX格式模型，然后對(duì)其仿真的環(huán)境進(jìn)行渲染，讓其仿真的環(huán)境更有真實(shí)性。然后將其建好的模型導(dǎo)入到Unity3D中，根據(jù)教學(xué)要求，增加相關(guān)的組件，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能要求。

（一）虛擬仿真教學(xué)的需求調(diào)研

智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真教學(xué)的設(shè)計(jì)要以學(xué)校的教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)為出發(fā)點(diǎn)，一切以學(xué)生和教師的需求為向?qū)?，真正做到為教師教學(xué)而建，為學(xué)生學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)。編制調(diào)查問(wèn)卷，了解各個(gè)高校的智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)專業(yè)的條件建設(shè)需求、軟硬件建設(shè)需求，認(rèn)識(shí)到以此為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)目前高校在教學(xué)設(shè)計(jì)方面遇到的問(wèn)題和困難，為接下來(lái)的教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考和建議。

本次調(diào)研主要是面向天津市、濟(jì)南市部分中高職院校，主要是問(wèn)卷調(diào)查以及與部分汽車相關(guān)教師、學(xué)生面對(duì)面交流方式，問(wèn)卷調(diào)查采用線上和線下方式。線上發(fā)放40份，有效問(wèn)卷35份，問(wèn)卷有效率為87.5%;線下發(fā)放40份，有效問(wèn)卷38份，問(wèn)卷有效率為95%。調(diào)查內(nèi)容主要是學(xué)生的接受程度，教師和學(xué)生期望達(dá)到的效果，教學(xué)效果，學(xué)生和教師的評(píng)價(jià)等方面。通過(guò)本次調(diào)查問(wèn)卷和師生交談，收集有效信息進(jìn)行匯總，得出相關(guān)結(jié)論。此教學(xué)方式在學(xué)生和教師中的受歡迎程度較高，具有很強(qiáng)的新穎性，能夠極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能夠提高教學(xué)效率。

（二）智能網(wǎng)聯(lián)汽車仿真環(huán)境設(shè)計(jì)

本次仿真設(shè)計(jì)采用Unity3D引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，具備可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境，可視化腳本編輯語(yǔ)言，具有高度的友好界面、整合性高、功能強(qiáng)大、修改容易等特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)者只需要將集成的功能模塊用連線的方式，通過(guò)邏輯關(guān)系將模塊連接，即可快速創(chuàng)建所鑄腳本功能，非常適合非編程人員與項(xiàng)目制作使用。本次仿真設(shè)計(jì)采用C#腳本編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，方便快捷。仿真環(huán)境開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

（三）激光雷達(dá)模型設(shè)計(jì)

Unity3D軟件不適合構(gòu)建復(fù)雜的幾何體，3DMAX建模軟件能夠方便地設(shè)計(jì)具有復(fù)雜功能的物體圖形，分建筑類和機(jī)械類，選擇適合的類別進(jìn)行模型的搭建，實(shí)現(xiàn)的效果是點(diǎn)擊雷達(dá)的控件，模型彈出爆炸圖，并一一展示各部件的名稱和內(nèi)容，點(diǎn)擊模型展示其效果和說(shuō)明，其他控件包括工作原理、工作流程等，效果如圖2所示。

四、虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)的效果和評(píng)價(jià)

采用問(wèn)卷調(diào)查法，通過(guò)對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查，了解其應(yīng)用的效果，接受學(xué)生的建議，發(fā)現(xiàn)不足，為進(jìn)一步研究和改進(jìn)提供有效的參考和建議。本次調(diào)查問(wèn)卷主要涉及以下幾個(gè)方面：（1）學(xué)生對(duì)本虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)的接受程度;（2）學(xué)生對(duì)本虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)的建議和意見(jiàn);（3）學(xué)生知識(shí)掌握程度;（4）遇到問(wèn)題，學(xué)生尋求解決辦法。

問(wèn)卷調(diào)查以線上和線下同時(shí)展開(kāi)進(jìn)行，線上以微信的形式發(fā)送給高校的學(xué)生，要求在一定時(shí)間內(nèi)完成問(wèn)卷，超過(guò)規(guī)定時(shí)間按無(wú)效卷處理;線下則主要是以書(shū)面的形式發(fā)放給學(xué)生，采用當(dāng)面發(fā)放、當(dāng)面回收的方式。關(guān)于本次問(wèn)卷，最終情況分析：線上發(fā)放40份，有效問(wèn)卷35份，問(wèn)卷有效率為87.5%;線下發(fā)放40份，有效問(wèn)卷38份，問(wèn)卷有效率為95%。對(duì)問(wèn)卷的主要問(wèn)題進(jìn)行分析如下。

根據(jù)調(diào)查分析，有89%的同學(xué)喜歡利用本次虛擬仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)其中線上線下部分學(xué)生隨機(jī)進(jìn)行反饋調(diào)查，隨機(jī)發(fā)放問(wèn)卷36份，其中有效問(wèn)卷33份，問(wèn)卷有效率為91.7%。如圖3受歡迎程度調(diào)查。

在學(xué)生知識(shí)掌握程度方面，學(xué)生的知識(shí)可接受程度較高，有78%的學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)效率會(huì)有顯著的提升。（如圖4學(xué)生掌握知識(shí)程度反饋圖）

運(yùn)用此平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)后，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到問(wèn)題，有83%的學(xué)生選擇重復(fù)使用此平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，吸引度較強(qiáng)。（如圖5知識(shí)還未完全掌握，學(xué)生尋求解決辦法）

對(duì)問(wèn)卷進(jìn)行分析，總結(jié)出以下幾個(gè)方面：

1.本次設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)，極大的新穎性是吸引學(xué)生興趣最關(guān)鍵的因素，在調(diào)查的學(xué)生情況中，有超過(guò)85%的學(xué)生對(duì)虛擬仿真有了認(rèn)識(shí)。學(xué)生的認(rèn)識(shí)程度有了大幅度提升。

2.交互性，本次智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)具有交互性，是本次教學(xué)設(shè)計(jì)的一大“亮點(diǎn)”，實(shí)時(shí)互動(dòng)，學(xué)生如同在真實(shí)操作一般，極大地增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)感，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中達(dá)到知識(shí)的深入和細(xì)化，不再是教師上課時(shí)，學(xué)生腦海中只有空泛的想象，學(xué)生可以全方位學(xué)習(xí)，多角度分析，極大地提高了教學(xué)效率。

本次設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生要求再增加一些虛擬仿真動(dòng)手環(huán)節(jié)，學(xué)生的動(dòng)手環(huán)節(jié)是學(xué)生掌握知識(shí)的關(guān)鍵，是理論聯(lián)系實(shí)際的最有效途徑。增加動(dòng)手環(huán)節(jié)有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力的提升。此外，學(xué)生還希望能夠增加一些有關(guān)激光雷達(dá)工作的視頻，想了解感知環(huán)境系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中的效果是怎樣的，真實(shí)的場(chǎng)景可以增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知感，有助于學(xué)生掌握和理解相關(guān)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。因此，本次智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)將根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)一步增加虛擬仿真動(dòng)手操作環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力，增加一些真實(shí)視頻，增強(qiáng)學(xué)生的理解能力。

五、結(jié)論

該虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不全面的問(wèn)題，也解決了大部分中高職院校由于各種原因不能夠購(gòu)買(mǎi)足夠的智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)器材用于真實(shí)教學(xué)的問(wèn)題，而且能夠使得學(xué)習(xí)者快速地掌握相關(guān)的示教操作，可多次操作，多次練習(xí)，學(xué)生的興趣大大提高，降低了高校的教學(xué)成本，提高教學(xué)效果，也有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)踐能力。

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◎編輯 武生智