新能源汽車專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用

張健 包丕利

摘 要：根據(jù)“職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南”，從新能源汽車專業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，提出虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的選擇方法、虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建設(shè)方法和虛擬項(xiàng)目的建設(shè)思路。將開發(fā)的虛擬項(xiàng)目在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用，探索實(shí)踐了一條“理-虛-實(shí)”相結(jié)合的一體化教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) “理-虛-實(shí)” 一體化教學(xué)

1 新能源汽車維修專業(yè)現(xiàn)狀分析

隨著新能源汽車銷量和保有量的持續(xù)增加，職業(yè)學(xué)校開設(shè)新能源汽車維修等相關(guān)專業(yè)越來越多；在新能源汽車維修專業(yè)建設(shè)中也出現(xiàn)了一些問題。

1.1 電動(dòng)汽車技術(shù)方面

一是電動(dòng)汽車技術(shù)相對燃油車百余年的發(fā)展來說，目前處于一種相對成熟但還在發(fā)展中的狀態(tài)。這種變化和發(fā)展給教學(xué)帶來了不確定性。這一點(diǎn)在實(shí)踐教學(xué)中表現(xiàn)尤為明顯，實(shí)訓(xùn)/實(shí)操的車型或?qū)嶒?yàn)臺(tái)時(shí)效期短、淘汰率高，投入產(chǎn)出比不高。

二是電動(dòng)汽車技術(shù)相比燃油車更加抽象。由于新能源汽車技術(shù)涉及學(xué)科領(lǐng)域較多，內(nèi)容相比傳統(tǒng)汽車更加抽象，因此職業(yè)院校新能源汽車專業(yè)在教學(xué)時(shí)面臨諸多困難。

1.2 新能源汽車的高電壓

職業(yè)學(xué)校的主要任務(wù)是培養(yǎng)高素質(zhì)的技能人才，新能源汽車維修專業(yè)對實(shí)踐教學(xué)的要求比較高。新能源汽車維修專業(yè)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，不管是從保養(yǎng)到維修還是從拆裝到調(diào)試不可避免的要觸及新能源汽車高壓部分。如何在新能源汽車相關(guān)專業(yè)實(shí)訓(xùn)/實(shí)踐環(huán)節(jié)即保證安全又保證教學(xué)效果是新能源汽車維修專業(yè)面臨的另一個(gè)困難。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)可以營造一個(gè)虛擬環(huán)境，操作者置身于虛擬環(huán)境并且可以與這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能。

與此同時(shí)由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無高電壓的危險(xiǎn)、也沒有零部件的損耗，因此學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)思路

虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)和建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要不同專業(yè)領(lǐng)域的人相互配合完成。通常一個(gè)VR項(xiàng)目的開發(fā)需要建模團(tuán)隊(duì)、教師團(tuán)隊(duì)和軟件團(tuán)隊(duì)共同完成，他們分工不同、相互支持。如圖1所示，教師團(tuán)隊(duì)需要確立開發(fā)項(xiàng)目、撰寫開發(fā)腳本，作為導(dǎo)演完成項(xiàng)目的整體規(guī)劃；建模團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)項(xiàng)目需求建立模型、制作動(dòng)畫；軟件團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)交互、確保項(xiàng)目的進(jìn)行。

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的選擇

3.1.1 面向理論教學(xué)的虛擬項(xiàng)目

通過對一線教師和專業(yè)學(xué)生的調(diào)研，對教學(xué)過程中存在的難點(diǎn)、痛點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要表現(xiàn)在電動(dòng)汽車工作原理部分、高壓部件結(jié)構(gòu)部分，如電動(dòng)汽車能量流、整車熱管理工作原理、動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)、電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)等。

3.1.2 面向?qū)嵱?xùn)教學(xué)的虛擬項(xiàng)目

通過行業(yè)企業(yè)的調(diào)研，對新能源汽車在維護(hù)、維修等方面的實(shí)際任務(wù)進(jìn)行歸納總結(jié)，提出面向?qū)嵱?xùn)的虛擬項(xiàng)目，如動(dòng)力電池更換、電機(jī)控制器更換、絕緣電阻檢測。

提出虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目后要遵循以下原則進(jìn)行項(xiàng)目篩選：

1）需要原則 篩選出的項(xiàng)目一定是教育教學(xué)所需要的；

2）規(guī)避原則 篩選出的項(xiàng)目一定是不容易通過實(shí)物完成的，如需要大場地、有危險(xiǎn)、設(shè)備損耗嚴(yán)重的項(xiàng)目；即虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目要解決教學(xué)中高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題。

如表1是動(dòng)力電池虛擬項(xiàng)目，所選項(xiàng)目都是在實(shí)際教學(xué)過程需求程度較高、面臨困難較大的項(xiàng)目。通過虛擬項(xiàng)目可以有效的降低學(xué)校的投入、教學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)性和教學(xué)難度。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的開發(fā)流程如圖2所示。

4.1 撰寫腳本

教師團(tuán)隊(duì)要根據(jù)實(shí)物（車輛、零部件等）進(jìn)行拆裝學(xué)習(xí)，確立需要進(jìn)行三維建模的零部件及VR項(xiàng)目交互、交互方式；撰寫建模需求和腳本。建模需求用于指導(dǎo)建模團(tuán)隊(duì)進(jìn)行三維模型的繪制和動(dòng)畫設(shè)計(jì)，腳本用于指導(dǎo)軟件團(tuán)隊(duì)進(jìn)行UI編寫。

4.2 建模

建模團(tuán)隊(duì)要根據(jù)建模需求進(jìn)行三維模型的建立和動(dòng)畫設(shè)計(jì)。目前，建模軟件主要有兩種技術(shù)：多邊形建模和數(shù)字雕刻，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中數(shù)字雕刻比較適合生物模型，多邊形建模比較適合機(jī)械、建筑的建模。因此新能源汽車專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中的模型可以選擇多邊形建模的方式。

在建模完成后，要進(jìn)行貼圖的制作；將材料、顏色和紋理添加到3D模型中，提高三維模型的質(zhì)感，使不同的模型具有不同的效果。在貼圖過程中為了與現(xiàn)實(shí)汽車實(shí)訓(xùn)/實(shí)驗(yàn)室保持一致，可以進(jìn)行做舊處理，使模型更具真實(shí)感。為了營造更好的視覺效果，可以在場景中布置數(shù)字燈對模型進(jìn)行打光，使得場景、3D模型更加真實(shí)。

動(dòng)畫是3D模型制作的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在新能源汽車虛擬現(xiàn)實(shí)中很多地方需要用動(dòng)畫演示，如：電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、電流的流動(dòng)、信號的傳遞等。

最后就是渲染，渲染是將場景中的所有信息（物體、材料、燈光、攝像機(jī)）結(jié)合起來產(chǎn)生單個(gè)或若干個(gè)的最終渲染圖像的過程；渲染完成后就可以導(dǎo)出文件，可以是OBJ、FBX或DAE文件。

4.3 設(shè)置交互

將3D模型導(dǎo)入新項(xiàng)目（Project），導(dǎo)入后模型會(huì)顯示在場景視圖中，根據(jù)需要調(diào)整模型在場景中的位置和大小比例，使其達(dá)到預(yù)期效果。

為模型設(shè)置碰撞（在Unity中可以通過添加Collider組件實(shí)現(xiàn)），模擬物體之間相互碰撞的效果，從而提供更加真實(shí)的場景，使操作者感受到力量、沖擊和物理反應(yīng)等。為此要為物體設(shè)置質(zhì)量、彈性、摩擦等屬性，這些屬性直接影響物體在場景中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和碰撞效；還要為物體設(shè)置碰撞形狀，如正方體、球體等，通過設(shè)置碰撞形狀，可以讓物體之間更加貼合，并模擬出物體之間的真實(shí)碰撞情況。

為模型設(shè)置運(yùn)動(dòng)學(xué)特征（在Unity中可以通過添加Rigidbody組件實(shí)現(xiàn)），對象添加了剛體組件以后就開始接受物理力學(xué)的影響了，比如重力、空氣摩擦力、碰撞產(chǎn)生的推力。

為場景和模型設(shè)置合適的光照和材質(zhì)，使得場景和模型的顯示效果更加貼近與真實(shí)環(huán)境。在場景中導(dǎo)入更多的三維模型，構(gòu)建一個(gè)完整的虛擬環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)模型間的真實(shí)交互。

VR手柄既能作為交互的輸入信號（包括移動(dòng)、拾取、轉(zhuǎn)向等），又可以作為交互的反饋信號（通常是通過振動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。因此要根據(jù)腳本確定交互方式，根據(jù)交互信號的輸入形式和類別確定VR手柄各按鍵的功能。

編寫交互代碼對模型進(jìn)行交互控制，可以通過監(jiān)聽VR手柄上各個(gè)按鍵、觸摸板的輸入信號及手柄的運(yùn)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)、移動(dòng)、拾取、轉(zhuǎn)動(dòng)等交互。

最后將項(xiàng)目部署到VR設(shè)備，如Oculus、HTC Vive等，使用VR手柄實(shí)現(xiàn)與三維模型的直接交互操作，獲取沉浸式體驗(yàn)。

4.4 測試與修改

部署到VR設(shè)備后，要經(jīng)過若干次測試與修改才能變成一個(gè)成熟的項(xiàng)目。測試時(shí)通常需要軟件團(tuán)隊(duì)、教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行依次測試，要測試模型搭建是否準(zhǔn)確、動(dòng)畫設(shè)置是否合理、交互手段是否合理、交互的難度是否正常、交互是否流暢等。通過測試要提出修改意見，需要注意的是在測試時(shí)往往需要一些對軟件和知識(shí)了解不多甚至是一點(diǎn)都不了解的新人進(jìn)行測試。建模團(tuán)隊(duì)和軟件團(tuán)隊(duì)根據(jù)測試修改意見進(jìn)行相應(yīng)的修改。

在經(jīng)歷若干次測試與修改后，一個(gè)相對成熟的VR項(xiàng)目才能真正成型。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的教學(xué)應(yīng)用

在教學(xué)過程中充分利用開發(fā)的VR項(xiàng)目，將其充分運(yùn)用到理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，如圖3所示。

在理論教學(xué)中通過教學(xué)類VR項(xiàng)目增加學(xué)生課堂參與度、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并將理論知識(shí)與虛擬實(shí)物結(jié)合，為理論與實(shí)際相結(jié)合搭建橋梁。在實(shí)踐教學(xué)中通過實(shí)訓(xùn)類VR項(xiàng)目增加學(xué)生動(dòng)手能力，保證學(xué)生在實(shí)訓(xùn)之前完成從“新手”到“熟手”的轉(zhuǎn)變，為實(shí)踐教學(xué)提供良好的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：中國交通教育研究會(huì) 2022-2024 年度教育科學(xué)研究課題“基于工學(xué)一體化教學(xué)模式省級優(yōu)質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案研究——以新能源汽車檢測與維修專業(yè)為例”（JT2022YB034）。

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