VR技術(shù)在《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》課程中的應(yīng)用研究

摘 要：文章分析了當(dāng)前本科高校車輛工程專業(yè)《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》教學(xué)中存在的問題。探討了VR技術(shù)在車輛工程教學(xué)中的優(yōu)點，并以鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理為例進行了VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計。新的教學(xué)手段可以使學(xué)生完全沉浸其中，降低了學(xué)習(xí)的難度，深度的視覺刺激可加深學(xué)生對知識的理解深度。文章的研究成果可對車輛工程教學(xué)工作起到一定推動作用，可為相關(guān)VR技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù) 新能源汽車 教學(xué)應(yīng)用

1 緒論

我國于2009年發(fā)布了《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，新能源汽車產(chǎn)業(yè)開始獲得財政支持，經(jīng)過十幾年的精心培育，獲得了長足的發(fā)展。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2023年新能源乘用車全年產(chǎn)銷量接近千萬輛，滲透率已達31.6%。即使2023年底補貼全面取消，2024年開年滲透率依然保持增長。國產(chǎn)新能源汽車正以強勁的勢頭搶占著以往燃油車的市場。與此相應(yīng)的是對新能源汽車專業(yè)人才的強大需求，各大高校車輛工程專業(yè)紛紛開設(shè)相關(guān)課程，或者直接設(shè)立新能源汽車專業(yè)來培養(yǎng)人才，以此來滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。但是，當(dāng)前的教學(xué)方法已經(jīng)無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原理抽象的新能源汽車的教學(xué)工作。將VR技術(shù)引入新能源汽車專業(yè)教育，可以加深學(xué)生對車輛結(jié)構(gòu)、原理的理解，進而提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率。該技術(shù)的出現(xiàn)為工程教育提供了新的途徑，使以往因諸多客觀因素?zé)o法實現(xiàn)的現(xiàn)場教學(xué)成為可能[1]。

所謂VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是將電腦仿真、圖像顯示以及人體動作傳感等技術(shù)融合，模擬出一個三維空間，使用者沉浸其中，通過智能穿戴終端讓人產(chǎn)生視覺、聽覺、觸覺等方面的真實感受，同時將其肢體動作信息采集到計算機，再反饋給使用者，從而讓人有一種身臨其境的感覺[2]。采用VR技術(shù)將新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理進行立體化展示，讓學(xué)生在高沉浸感的三維虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)，既可增加學(xué)習(xí)的趣味性，又可降低學(xué)習(xí)難度和實車損耗，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

2016年被科技界定為VR技術(shù)元年，這一年VR設(shè)備才真正大規(guī)模進入消費市場，主要應(yīng)用于游戲、影音、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域。過去的這幾年間，國內(nèi)外教育工作者對其在汽車人才培養(yǎng)方面的應(yīng)用進行了大量的研究。2017年王長亮對VR技術(shù)在汽車專業(yè)實訓(xùn)中的優(yōu)勢和應(yīng)用模式進行分析和詳細(xì)的闡述[4]。2019年袁敏以成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院新能源汽車實踐教學(xué)為案例，分析了實踐課程中所遇到的問題，并實施了教育部協(xié)同創(chuàng)新項目，建設(shè)了VR智慧教學(xué)中心[5]。2020年王澤森指出新能源汽車的實訓(xùn)中常常存在安全隱患多、技能訓(xùn)練成本高、教學(xué)演示困難等問題，應(yīng)用VR技術(shù)可極大程度地解決這些問題[6]。2020年付學(xué)敏指出高職院校的汽車專業(yè)因教學(xué)設(shè)備陳舊、教材落后，培養(yǎng)出來的人才已無法滿足產(chǎn)業(yè)的需求。虛擬仿真技術(shù)在汽車專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，可將各種抽象的理論知識進行形象、直觀地展示，可極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[7]。

上述研究多來自職業(yè)院校為解決工程實訓(xùn)的困難所做的努力，針對本科院校車輛工程專業(yè)的VR應(yīng)用研究則很少。本科院校車輛工程專業(yè)以培養(yǎng)汽車設(shè)計、開發(fā)、制造人才為目標(biāo)，不同于職業(yè)院校的車輛維修類專業(yè)。本科院校重理論、輕實踐，在課程設(shè)置上往往缺乏實踐環(huán)節(jié)，即使有也是由教師進行演示，學(xué)生無法獲得真實的體驗，理論學(xué)習(xí)不能與實踐結(jié)合，限制了學(xué)生對知識的理解深度。新能源汽車教具也往往因為價格昂貴，且有操作風(fēng)險而鮮有配備，VR技術(shù)的出現(xiàn)使得教學(xué)實踐有了新的解決方式。所以，本文對VR技術(shù)與《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》課程相結(jié)合的應(yīng)用模式進行探索。分析當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的現(xiàn)實問題，提出一些解決辦法，為相關(guān)虛擬應(yīng)用的開發(fā)提供一些思路。

2 目前新能源汽車實踐教學(xué)中存在的問題

2.1 教學(xué)成本高

新能源汽車教學(xué)設(shè)備往往都是在實車真實系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)而來，教學(xué)設(shè)備市場容量小，價格高昂。同時，新能源汽車技術(shù)發(fā)展速度快，而高校采購的教學(xué)設(shè)備往往要使用幾年甚至十幾年來攤薄成本，教學(xué)設(shè)備的更新速度難以跟上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展腳步，學(xué)生學(xué)到的可能是過時的技術(shù)，緊跟先進技術(shù)勢必加劇學(xué)校的資金困難。教學(xué)設(shè)備一般無法支持多次拆裝，尤其面對的還是首次接觸設(shè)備、毫無操作經(jīng)驗的學(xué)生，使用損耗大。設(shè)備往往短時間之內(nèi)就會出現(xiàn)故障，面臨著繁重的維護壓力，進一步推高了實訓(xùn)教學(xué)成本。

2.2 教學(xué)過程風(fēng)險大

新能源汽車不同于傳統(tǒng)燃油汽車，存在數(shù)百伏的高壓部件，動力電池、電機控制器、驅(qū)動電機等的拆裝都有著嚴(yán)格的操作規(guī)程，稍有不慎，就會造成觸電、短路等事故，威脅著人員、設(shè)備和實訓(xùn)車間的安全。鑒于它的高危屬性，經(jīng)驗欠缺的學(xué)生與其指導(dǎo)老師都承受著巨大的心理壓力。而且，如今高校的生師比又難以做到一對一指導(dǎo)，分組指導(dǎo)時，又無法兼顧所有學(xué)生的行為。除了特有的高壓風(fēng)險，傳統(tǒng)燃油車的實訓(xùn)風(fēng)險依然存在。

2.3 設(shè)備內(nèi)部不可入

本科院校車輛工程專業(yè)的《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》課程重在對理論知識的深刻認(rèn)知，在當(dāng)前的教學(xué)方式下，通過圖片、視頻來學(xué)習(xí)抽象的理論知識，需要學(xué)生具有極強的想象能力。而多數(shù)學(xué)生缺乏必要的興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差，不能有效地掌握理論知識。實訓(xùn)時雖然很多部件都能從整車上分解，但也有些部件不便進一步分解，部件本身往往也有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣就使得難以觀察其內(nèi)部構(gòu)造。例如，動力電池在設(shè)計、制造時，基于整體的結(jié)構(gòu)剛度、密封等考慮，往往進行灌膠，完全無法拆解。驅(qū)動電機的拆解會破壞其安裝精度和防護等級，頻繁拆裝會增加設(shè)備的損耗。另外，設(shè)備內(nèi)部不可入也使得在實車上理解其運行原理與課堂學(xué)習(xí)時一樣困難，況且新能源車運行原理中電、磁、能量等的變化肉眼看不到，電池內(nèi)部的鋰離子、電子等的走向看不到，對這些抽象知識的理解都需要強大的想象力，課堂和車間實物的教學(xué)效果都不甚理想。

3 采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其沉浸性、交互性、想象性等特點在諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，在教學(xué)中所展現(xiàn)出的優(yōu)點可以使新能源汽車實踐教學(xué)中存在的問題得到顯著的改善。

3.1 教學(xué)成本低

新能源汽車虛擬實驗室的建設(shè)與真實的物理實驗室設(shè)施相比，投資少、見效快，不需要購買實物系統(tǒng)、不需要建設(shè)大面積的車間，教學(xué)資料的更新通過升級軟件即可完成。虛擬實驗的進行對虛擬現(xiàn)實設(shè)備幾乎沒有損耗，可以多次、重復(fù)地進行。而且，虛擬實驗不存在物理實驗時的觸電、起火等危險。所以，操作時無需老師從旁指導(dǎo)，只需按照系統(tǒng)提示進行學(xué)習(xí)即可，降低了對指導(dǎo)老師的需求。在學(xué)習(xí)時可以得到系統(tǒng)的全面提示，操作錯誤也能得到及時的糾正。系統(tǒng)可以全面地記錄操作的過程，后續(xù)可以反復(fù)觀看、學(xué)習(xí)。因此，虛擬實驗是一種低成本教育工具，可以更容易地重復(fù)練習(xí)，并發(fā)展工程技能。

3.2 教學(xué)過程無風(fēng)險

虛擬實驗中一切操作都在電腦生成的三維立體環(huán)境中，學(xué)習(xí)者與立體影像進行交互，不接觸真實部件。用醒目的顏色或者符號等標(biāo)記高壓，誤操作會有聲、光報警提示，或者通過觸覺讓操作者感受到觸電的感覺，但不會造成實質(zhì)傷害。同時，也不存在設(shè)備損壞、身體磕碰、零部件掉落砸人等物理實驗中的情形。因此，虛擬實驗過程沒有任何人員、設(shè)備的受損風(fēng)險。

3.3 結(jié)構(gòu)與運行原理的可視化

在虛擬現(xiàn)實中，呈現(xiàn)在眼前的是立體影像，其提供的可視化有助于理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、過程和現(xiàn)象，因為人們普遍認(rèn)為視覺信息可以更好地被感知[8]。通過VR技術(shù)對新能源汽車的結(jié)構(gòu)認(rèn)知主要是通過零件立體模型對整車的構(gòu)造、總成以及零部件進行多角度的觀察、透視來實現(xiàn)。對于可以提供立體可視化和沉浸感的VR技術(shù)，其主要優(yōu)勢是有助于理解抽象的概念，破解知識難點。對于學(xué)生，有時很難在腦海中構(gòu)建復(fù)雜、抽象或看不見的物體。在這種情況下，VR技術(shù)可以通過動畫、透視來進行呈現(xiàn)，可以從任意角度觀看，可以極大地降低學(xué)習(xí)難度。工作原理的理解主要是通過將各系統(tǒng)工作時不可見的能量流、電流、磁場等可視化來實現(xiàn)的，如：車輛運行時能量的流動情況；電池充放電時鋰離子、電子的移動等[6]。雖然與學(xué)習(xí)者交互的是虛擬的三維影像，不是實物，但是由于VR技術(shù)的深度沉浸感，學(xué)習(xí)者也可以獲得與物理實驗相近的學(xué)習(xí)效果。同時，VR技術(shù)有著很強的趣味性，學(xué)習(xí)過程自帶游戲?qū)傩裕梢詷O大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該技術(shù)的沉浸性使虛擬世界具有真實的視覺、聽覺和觸覺，從而再現(xiàn)真實環(huán)境[9]。

4 VR技術(shù)的應(yīng)用案例構(gòu)想-鋰離子電池

《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》的教學(xué)效果很大程度上取決于呈現(xiàn)效果。當(dāng)前的課堂教育中講解鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理時，會用到如圖1所示的示意性圖片或相關(guān)視頻。教師通過語言向?qū)W生作出相關(guān)的講解，學(xué)生發(fā)揮想象并結(jié)合圖片及教師的語言描述對結(jié)構(gòu)和原理進行空間構(gòu)型和理解。但是，二維的圖片或視頻與學(xué)生在空間上是相互獨立的、缺乏互動的，理解的過程是枯燥的。同時，圖片、視頻往往都是原理性示意圖，非真實結(jié)構(gòu)建模，與真實的電池仍存在較大差距，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?，F(xiàn)場教學(xué)往往由于真實的視覺刺激，可以極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但由于上述的現(xiàn)場教學(xué)中存在的諸多困難，難以實現(xiàn)，且電池內(nèi)部不可入。應(yīng)用VR技術(shù)可以建立放大的動力電池三維立體模型，學(xué)生可置身其中，猶如處在一個大型結(jié)構(gòu)中，完全沉浸其中。學(xué)生甚至可以坐在鋰離子上，沿著其運動路徑離開正極材料，進入電解液，穿過隔膜的微孔，最終到達負(fù)極材料。學(xué)生能夠以第一視角感受充電、放電過程中鋰離子、電子等的遷移過程，感受這些粒子在正負(fù)極層間的嵌入和脫出過程。在該過程中，不同鋰鹽正極材料的層間結(jié)構(gòu)、晶體形狀，隔膜微孔和負(fù)極石墨層間結(jié)構(gòu)都會對學(xué)生形成深度的視覺刺激，能夠多方位觀察結(jié)構(gòu)，對于結(jié)構(gòu)和原理的理解非常有效。同時，也可以親身感受過充、過放等異常情況下電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化過程，進而建立起電池合理使用的正確意識。互動的過程既是游戲，又是學(xué)習(xí)，能充分調(diào)動學(xué)生的注意力、興趣和情緒?？梢?，基于VR技術(shù)的工程教學(xué)與當(dāng)前基于幻燈片的教學(xué)有著本質(zhì)的不同。

5 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前本科高校車輛工程專業(yè)《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》教學(xué)中存在的問題。為此，研究將VR技術(shù)引入課程教學(xué)，討論了該技術(shù)在車輛工程教學(xué)中的優(yōu)點，并以鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理為例進行了VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計。新的教學(xué)手段可以使學(xué)生完全沉浸其中，寓教于樂，降低了學(xué)習(xí)的難度，深度的視覺刺激加深了學(xué)生對知識的理解深度。本文的研究成果可對車輛工程教學(xué)工作起到一定推動作用，可為相關(guān)VR技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

基金項目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校級教學(xué)改革創(chuàng)新項目（編號：JG-202427）。

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