虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在新能源汽車(chē)教學(xué)改革中的應(yīng)用

柳熾偉 陳月梅

摘要：針對(duì)新能源汽車(chē)1+X書(shū)證融通課程教學(xué)中存在的“高風(fēng)險(xiǎn)、缺設(shè)備、難展示”等困難，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入1+X證書(shū)課程的情境化教學(xué)模式中。設(shè)計(jì)了新能源汽車(chē)技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程所需的6個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)子系統(tǒng)，并實(shí)踐探索將其融入情境式課程的設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程，取得良好的教學(xué)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(guān)鍵詞：1+X證書(shū)制度;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);新能源汽車(chē);課程設(shè)計(jì);情境式教學(xué)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0245-03

0 ?引言

大量試點(diǎn)院校開(kāi)展了1+X書(shū)證融通的人才培養(yǎng)模式改革和探索。積極開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)和平臺(tái)，探索虛擬仿真教學(xué)在1+X書(shū)證融通的課程應(yīng)用模式，對(duì)深化“人工智能”在高等學(xué)校創(chuàng)新應(yīng)用的教學(xué)改革和推動(dòng)1+X證書(shū)制度的實(shí)施，都是一種有益的嘗試，具有十分積極的意義。

1 ?1+X證書(shū)制度下虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用的機(jī)遇

1.1 強(qiáng)化職業(yè)能力培養(yǎng)帶來(lái)新挑戰(zhàn)

1+X課程強(qiáng)化了職業(yè)能力的培養(yǎng)，部分教師由于缺乏行業(yè)企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)職業(yè)崗位任務(wù)及其工作過(guò)程、技術(shù)技能要求理解不夠深刻，在融通課程設(shè)計(jì)和教學(xué)過(guò)程中勝任力不足。主要表現(xiàn)在學(xué)科式課程設(shè)計(jì)思想，以教師講授為主的教學(xué)方式，割裂的理論知識(shí)點(diǎn)，技能訓(xùn)練任務(wù)邏輯與崗位工作缺乏聯(lián)系，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

1+X證書(shū)的實(shí)施，對(duì)試點(diǎn)院校實(shí)踐場(chǎng)地和設(shè)備提出了更高的要求，尤其是體現(xiàn)“新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范、新要求”的先進(jìn)儀器設(shè)備要及時(shí)增添購(gòu)置。同時(shí)強(qiáng)化技能培訓(xùn)導(dǎo)致原有設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量不足、設(shè)備技術(shù)狀況惡化、故障率升高等等，都阻礙了培訓(xùn)教學(xué)的正常實(shí)施。

1+X課程增加了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時(shí)間，在既定的人才培養(yǎng)方案總學(xué)時(shí)下，如何合理調(diào)整理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時(shí)長(zhǎng)和方法，成為教學(xué)改革的又一個(gè)難點(diǎn)。

1.2 面向課證融通的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的適用性

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種多源信息融合的系統(tǒng)仿真技術(shù)，利用 PC 或移動(dòng)設(shè)備、頭戴式顯示器、跟蹤傳感器等硬件設(shè)備，提供具備沉浸式的人工模擬環(huán)境、逼真的感知行為模擬、高級(jí)的人工交互的仿真和實(shí)驗(yàn)等功能[1]。VR在“1+X”證書(shū)課程上應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)。一是VR通過(guò)對(duì)職業(yè)崗位工作環(huán)境和任務(wù)過(guò)程的模擬，它能為學(xué)生和教師提供逼真、生動(dòng)的“工作”情境，又具有較強(qiáng)的可參與性，使學(xué)生能進(jìn)入虛擬環(huán)境模擬角色互動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生與傳統(tǒng)教育環(huán)境完全不同的教學(xué)模式，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中過(guò)分依賴(lài)語(yǔ)言描述、缺乏形象展現(xiàn)和參與性不足的缺點(diǎn)，為以學(xué)生為中心的情境化課程創(chuàng)造了條件，減輕教師勝任力不足的影響。二是VR能展現(xiàn)高度集成的復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，方便學(xué)生線(xiàn)上自學(xué)，增加線(xiàn)下實(shí)操訓(xùn)練時(shí)間，克服1+X證書(shū)課程既定課時(shí)與實(shí)訓(xùn)課時(shí)增加的矛盾。三是通過(guò)VR模擬各種實(shí)驗(yàn)或操作（尤其是危險(xiǎn)、昂貴、難度大的實(shí)操），使學(xué)生預(yù)先通過(guò)VR系統(tǒng)熟悉實(shí)操的步驟、要求和過(guò)程，能更快地在實(shí)訓(xùn)設(shè)備上習(xí)得真實(shí)的技能，降低了實(shí)訓(xùn)教學(xué)危險(xiǎn)性、設(shè)備負(fù)荷和使用頻率，減輕指導(dǎo)教師勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)耗材的使用成本，給實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)相當(dāng)便捷及良好的效果。四是VR教學(xué)系統(tǒng)還能提供游戲化的交互體驗(yàn)，通過(guò)任務(wù)、通關(guān)、排行榜等一些獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，讓學(xué)生在有趣的體驗(yàn)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，充分調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性。五是虛擬教學(xué)系統(tǒng)能模擬職業(yè)技能證書(shū)實(shí)操考核過(guò)程，減少學(xué)生怯場(chǎng)心理導(dǎo)致的失誤，提升證書(shū)考核通過(guò)率。

考慮到VR整套設(shè)備較為昂貴，對(duì)于只需展示教學(xué)對(duì)象結(jié)構(gòu)原理，沉浸感和人機(jī)交互要求相對(duì)較低的學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以采用虛擬三維仿真技術(shù)。它利用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)視頻、音頻技術(shù)，能較好的模擬仿真場(chǎng)景[2]。由于不需要穿戴設(shè)備、手柄等器具，使用者只需在連接互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)或移動(dòng)終端安裝相關(guān)軟件，登錄后即可進(jìn)入系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，十分適合班級(jí)學(xué)生自行上線(xiàn)學(xué)習(xí)。

2 ?虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的路徑

學(xué)校在選取應(yīng)用方案時(shí)，應(yīng)考慮教學(xué)內(nèi)容需求、校內(nèi)機(jī)房狀況、學(xué)生個(gè)人PC機(jī)情況，針對(duì)應(yīng)用方案所帶來(lái)的教學(xué)成效，在資源投入與成效產(chǎn)出間取得平衡。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

通過(guò)需求分析獲取教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)難點(diǎn)以及高危的、不易見(jiàn)的教學(xué)場(chǎng)景，確認(rèn)需要VR虛擬交互解決的問(wèn)題，形成需求列表，據(jù)此結(jié)合一體機(jī)、PC VR等設(shè)備的交互特點(diǎn)，形成基于6 DOF VR交互的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程。在虛擬教學(xué)場(chǎng)景開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)時(shí)，使用3D Max建模工具、Unity3D平臺(tái)，通過(guò)HDRP（高動(dòng)態(tài)渲染管線(xiàn)）技術(shù)高度還原仿真教學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，完成系統(tǒng)的教學(xué)功能、交互功能、VR界面、智能語(yǔ)音等功能的開(kāi)發(fā)。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)面向?qū)I(yè)群教學(xué)需求

考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本，開(kāi)發(fā)目標(biāo)應(yīng)優(yōu)先面向?qū)I(yè)群共同的教學(xué)需求。分析其工作領(lǐng)域中相關(guān)工作任務(wù)的流程和職業(yè)能力需求，發(fā)掘出難以通過(guò)現(xiàn)實(shí)設(shè)備展現(xiàn)的現(xiàn)象、知識(shí)、技術(shù)等，根據(jù)內(nèi)容屬性分類(lèi)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)模塊，供關(guān)聯(lián)課程設(shè)計(jì)時(shí)挑選組合使用。其中交互性相對(duì)較弱的理論知識(shí)模塊，采用三維虛擬仿真技術(shù)，使一般院?？刹扇≈貎?nèi)容輕硬件的應(yīng)用方案，盡量讓學(xué)生能通過(guò)機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)等常用設(shè)施，進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)中的理論知識(shí)模塊自主學(xué)習(xí)。

新能源汽車(chē)應(yīng)用高壓電源電路、多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)踐教學(xué)普遍存在著高電壓危險(xiǎn);故障現(xiàn)象模擬困難;難以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理;師資和設(shè)備缺乏難有效開(kāi)展班級(jí)實(shí)訓(xùn)等狀況，適合開(kāi)展融合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的理實(shí)一體化教學(xué)探索。結(jié)合高職新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)群“1+X”證書(shū)課程的改革建設(shè)，新能源汽車(chē)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)與職業(yè)證書(shū)培訓(xùn)需求關(guān)系如圖2所示。

圖2中可見(jiàn)，為適應(yīng)各專(zhuān)業(yè)選考不同證書(shū)課程的需要，確定虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)采用6個(gè)模塊化子系統(tǒng)來(lái)表現(xiàn)新能源汽車(chē)檢測(cè)維修全過(guò)程，使其既可在技術(shù)類(lèi)課程中全部應(yīng)用，也可在營(yíng)銷(xiāo)管理等職業(yè)技能證書(shū)課程中選用。這樣既方便了工作過(guò)程系統(tǒng)化教學(xué)的設(shè)計(jì)和組織，又相對(duì)降低虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)框架內(nèi)容設(shè)計(jì)

現(xiàn)行汽車(chē)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，多以總成拆裝分解等實(shí)操內(nèi)容的展示和演練為主，內(nèi)容相對(duì)單一，教學(xué)組織不嚴(yán)密，課程邏輯性不強(qiáng)，常常只作為實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一種補(bǔ)充形式[3]。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)有機(jī)融入專(zhuān)業(yè)課程的項(xiàng)目式教學(xué)過(guò)程，具備學(xué)習(xí)所需的課程邏輯和內(nèi)容，學(xué)生能獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)及學(xué)習(xí)效果。對(duì)應(yīng)新能源汽車(chē)檢修工作過(guò)程，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以下六個(gè)子系統(tǒng)，其教學(xué)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容參見(jiàn)表1。

3 ?應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的1+X證書(shū)課程實(shí)施

基于工作過(guò)程系統(tǒng)化的情境式教學(xué)模式，符合強(qiáng)調(diào)職業(yè)能力培養(yǎng)的1+X證書(shū)課程的特點(diǎn)，融入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容后，能創(chuàng)設(shè)逼真的教學(xué)情境和模擬難度大的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。但在“1+X”證書(shū)課程中，它并不能完全代替實(shí)際的技能訓(xùn)練，應(yīng)視情進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)。

3.1 課程的教學(xué)過(guò)程

3.1.1 學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)

工作過(guò)程系統(tǒng)化的項(xiàng)目式教學(xué)，需要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)模擬真實(shí)工作場(chǎng)景的學(xué)習(xí)情境。僅依靠語(yǔ)言的描述，學(xué)生并不能準(zhǔn)確理解和把握關(guān)鍵信息?？衫谩疤摂M現(xiàn)實(shí)故障場(chǎng)景子系統(tǒng)”，模擬新能源汽車(chē)行駛中儀表某故障警告燈忽然點(diǎn)亮，信息屏輸出警告信息和SOC值，同時(shí)感受是否有車(chē)速變化及其他故障征兆等沉浸式場(chǎng)景。

3.1.2 分組討論與方案制定

接受“工作項(xiàng)目”后，學(xué)生分組討論并擬定檢修方案。在分組時(shí)注意學(xué)生的特點(diǎn)，把不同特長(zhǎng)和愛(ài)好的（異質(zhì)）學(xué)生組織到一個(gè)學(xué)習(xí)小組中。如善于溝通的可做為服務(wù)顧問(wèn)和小組長(zhǎng);善于邏輯分析和基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)的同學(xué)長(zhǎng)于方案擬定與優(yōu)化;動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生在實(shí)操環(huán)節(jié)可充分發(fā)揮特長(zhǎng)等等，以利于各小組高效完成工作任務(wù)，并在學(xué)習(xí)過(guò)程中開(kāi)展競(jìng)賽活動(dòng)。通常教師在此環(huán)節(jié)指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的“新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)原理子系統(tǒng)”學(xué)習(xí)故障關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的理論知識(shí)，生動(dòng)形象地展現(xiàn)系統(tǒng)的組成、功能、控制策略等。部分配置了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)校，往往布置該部分內(nèi)容作為課前學(xué)習(xí)任務(wù)。課堂時(shí)間主要由教師指導(dǎo)學(xué)生直接進(jìn)行故障分析和擬定診斷方案，切實(shí)發(fā)揮“翻轉(zhuǎn)課堂”和虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的作用。

3.1.3 檢測(cè)與檢修實(shí)操

學(xué)生確定檢修方案后，分別進(jìn)入檢查維護(hù)、元件檢測(cè)、部件拆裝等虛擬教學(xué)子系統(tǒng)去完成故障檢測(cè)、診斷和排除的過(guò)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(shù)據(jù)流。發(fā)現(xiàn)電池缺電的應(yīng)進(jìn)行充電操作;內(nèi)部各單體電池電壓差值過(guò)大的，需進(jìn)行電池平衡的操作;如電池已損壞的，需更換電池模組。類(lèi)似工作在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)中演練和考核通過(guò)后方能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操訓(xùn)練。對(duì)于電池的均衡與電池模組更換等工作，做好預(yù)演練習(xí)，能提高實(shí)操的效率和安全性，減小損壞儀器的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于眾多缺乏實(shí)踐設(shè)備的高職院校，更起了不可或缺的作用。

3.1.4 質(zhì)量檢驗(yàn)與結(jié)果測(cè)試

檢修完成后，進(jìn)入維修工作的質(zhì)量檢驗(yàn)場(chǎng)景。該環(huán)節(jié)既可滿(mǎn)足課程教學(xué)的知識(shí)目標(biāo)，也體現(xiàn)了給學(xué)生貫輸安全與質(zhì)量意識(shí)的素質(zhì)目標(biāo)。最后一道工序，是汽車(chē)的竣工檢驗(yàn)，提供給學(xué)員一個(gè)駕駛車(chē)輛正常行駛的場(chǎng)景，表明車(chē)輛已修好，行駛完全正常，使學(xué)生產(chǎn)生一種滿(mǎn)足感和成就感。

3.2 虛擬教學(xué)評(píng)價(jià)

虛擬教學(xué)子系統(tǒng)中所含1+X證書(shū)模擬考核模塊，可用于1+X的考證的強(qiáng)化培訓(xùn)，也可用于課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)。教師應(yīng)在課后進(jìn)行適當(dāng)?shù)目己?，評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。在課程總評(píng)成績(jī)中，適當(dāng)增加虛擬教學(xué)系統(tǒng)考核成績(jī)的權(quán)重，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和訓(xùn)練主動(dòng)性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)虛擬教學(xué)技術(shù)的融入，學(xué)生的實(shí)操技能訓(xùn)練掌握更快，成績(jī)普遍提高了10%左右。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)緊密融合到1+X證書(shū)課程的基于工作過(guò)程系統(tǒng)化的項(xiàng)目化教學(xué)模式中，為學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的理解、職業(yè)技能的訓(xùn)練都提供了先進(jìn)且生動(dòng)形象的教學(xué)平臺(tái)，一定程度上幫助教師解決了教學(xué)案例經(jīng)驗(yàn)缺乏、實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足、實(shí)操風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低下等方面存在的問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)使用效果的提升，需要學(xué)校與教師的重視，優(yōu)化課程的設(shè)計(jì)，在教學(xué)過(guò)程中更好地進(jìn)行組織和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]周敏，郭艷軍，崔瑩，等.虛擬仿真技術(shù)在古生態(tài)場(chǎng)景重建中應(yīng)用的探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(xiàn)實(shí)技術(shù)在消防訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].中國(guó)管理信息化，2019，22（3）：149-152.

[3]李春青，姜峰.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革研究[J].工業(yè)和信息化教育，2021（3）：81-84.