虛擬仿真技術在智能網聯汽車環境感知系統中的教學應用

張建強 關志偉 侯海晶 杜峰

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?發展智能網聯汽車是當今汽車產業變革的必然趨勢，但相關技術人才極度缺乏，嚴重影響了該產業的可持續發展。目前職業教育在智能網聯汽車的教學方面面臨著教學設備成本高、教學設備不足等問題。為了解決以上問題，在教學方面采用虛擬仿真技術應用于智能網聯汽車中，該虛擬仿真教學設計在3DMAX軟件環境下進行相關模型的搭建，對模型進行優化，把模型輸出.FBX格式的文件導入到Unity3D軟件中進行開發設計，最終完成智能網聯汽車環境感知系統虛擬仿真教學的設計。

[關 ? ?鍵 ? 詞] ?虛擬仿真;智能網聯汽車;環境感知;教學應用

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2020）07-0110-03

2015年5月國務院辦公廳發布的《中國制造2025》中，明確指出：2020年掌握智能輔助駕駛總體技術及各項關鍵技術，初步建立智能網聯汽車自主研發體系及生產配套體系;通過五年時間掌握自動駕駛總體技術及各項關鍵技術，建立較完善的智能網聯汽車自主研發體系、生產配套體系及產業群，基本完成汽車產業轉型升級[1-2]。但是由于智能網聯汽車設備成本高、技術難度大、技術更新快等原因，目前的職業教育跟不上智能網聯汽車產業的快速發展，教學資源較少，教學方式單一，遠遠達不到教學要求。

以現代教育技術為支撐，采用虛擬仿真教學，結合智能網聯汽車環境感知系統的教學需求，可以有效地解決教學設施不足、設備更新慢以及實訓操作過程的安全性等問題。

一、虛擬仿真技術在教育建設中的應用

虛擬仿真是學科專業與信息技術深度融合的產物，具有沉浸性、交互性和構想性的特征，讓人們沉浸在里面，能形成具有交互效能多維化的信息環境。近年來，在學科建設發展、國家政策驅動和信息技術的大力支持下，在虛擬仿真教學方面建設速度明顯加快。在虛擬仿真教學平臺建設、教學資源建設和教學隊伍建設及優質資源共享等方面，各個高校開展了大量探索實踐[3]。教育部2013年啟動并建設了國家級虛擬仿真實驗教學中心（以下稱“中心”），“中心”以培養學生創新精神和全面提高實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，推進實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學的改革與創新，目前已批準建設了300多個“中心”[4-5]。因此，在教學中運用虛擬仿真技術是目前教育發展的趨勢之一。

二、環境感知系統虛擬仿真教學整體方案

智能網聯汽車是指搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術，實現車與人、車、路、云端等智能信息交換共享的新型汽車，對智能網聯汽車環境感知系統而言，其中的原理是利用各種各樣的傳感器采集周圍的環境數據，獲取周圍信息并進行處理，從而實現像人的眼睛和耳朵一樣的功能。

智能網聯汽車的一些高級智能行為，如精準定位、主動避障和自適應路徑選擇都是以環境感知系統為基礎條件的。環境感知系統在智能網聯汽車里是核心關鍵之一，存在知識點多、理解困難、結構復雜、部分元器件易損壞等問題。教學與實際聯系密切，但是由于智能網聯汽車專業開設時間短，起步晚，教學資源少，參考性不高，而且智能網聯汽車相關硬件設施成本高，價格貴，大部分中高職院校暫時還無法完全配備齊全這些硬件設備，導致無法滿足當前職業技術教育的基本需求，不利于學生對環境感知系統相關知識點的獲取，而虛擬仿真技術的建設，不受場地建設的影響，也不受環境設施的影響，而且可以反復使用，多次操作，具有交互性等特點，極大地增強了學生的學習興趣，也有利于提高教師的教學效率。智能網聯汽車環境感知多傳感器的教學設計與虛擬仿真技術的融合使用主要從以下幾個方面進行考慮。

1.前期做好調查，主要以智能網聯汽車環境感知多傳感器方面的教學設計需要達到的要求和目前教學資源的不足相結合，以解決問題為導向，根據教學的要求，對學生的能力建設方面展開全方位、多角度、無死角的知識內容設計。借助虛擬現實技術中沉浸式的代入感、三維立體的空間感和人機交互的真實感，通過“無死角”可視化地顯示三維立體模型，以集“學、練、考”于一體的教學方式，給智能網聯汽車專業的教學帶來新的方向和活力。

2.教學內容的設計，以前期相關調查為出發點，結合各大高校的課程規劃要求，達到“學與練”的教學目標。要注意內容設計的前后邏輯關系、層次要鮮明，把問題分解，逐次解決，分模塊化考慮，涵蓋結構認知、原理仿真展示、拆裝組裝等模塊。再結合教師的講解，讓學生在興趣迸發的情境下深度學習，對知識內容逐次細化，查漏補缺，提高教學效率，也讓老師省時、省力和省心。

三、智能網聯汽車虛擬仿真教學的整體設計

智能網聯汽車虛擬仿真教學的主要功能是通過教師的指導，學生對虛擬仿真環境下的智能網聯汽車進行操作控制，進而掌握相關知識，達到認知和熟練操作的目的。本教學采用的仿真模型是某智能網聯汽車，其搭載著激光雷達、毫米波雷達等主要裝置，虛擬仿真教學系統由虛擬道路場景環境系統和控件系統組成，學生通過鼠標點擊相關的操作控件按鈕，使其更加真實，增強學生的學習興趣，提高教學效果。

智能網聯汽車虛擬仿真教學設計按照教學用的智能網聯汽車的實際尺寸用3DMAX 軟件1∶1進行建模，輸出.FBX格式模型，然后對其仿真的環境進行渲染，讓其仿真的環境更有真實性。然后將其建好的模型導入到Unity3D中，根據教學要求，增加相關的組件，實現相關的功能要求。

（一）虛擬仿真教學的需求調研

智能網聯汽車仿真教學的設計要以學校的教學、學生的學習為出發點，一切以學生和教師的需求為向導，真正做到為教師教學而建，為學生學習而設計。編制調查問卷，了解各個高校的智能網聯汽車相關專業的條件建設需求、軟硬件建設需求，認識到以此為出發點，總結目前高校在教學設計方面遇到的問題和困難，為接下來的教學設計提供參考和建議。

本次調研主要是面向天津市、濟南市部分中高職院校，主要是問卷調查以及與部分汽車相關教師、學生面對面交流方式，問卷調查采用線上和線下方式。線上發放40份，有效問卷35份，問卷有效率為87.5%;線下發放40份，有效問卷38份，問卷有效率為95%。調查內容主要是學生的接受程度，教師和學生期望達到的效果，教學效果，學生和教師的評價等方面。通過本次調查問卷和師生交談，收集有效信息進行匯總，得出相關結論。此教學方式在學生和教師中的受歡迎程度較高，具有很強的新穎性，能夠極大地提高學生的學習興趣，也能夠提高教學效率。

（二）智能網聯汽車仿真環境設計

本次仿真設計采用Unity3D引擎進行開發設計，具備可視化的設計環境，可視化腳本編輯語言，具有高度的友好界面、整合性高、功能強大、修改容易等特點。開發者只需要將集成的功能模塊用連線的方式，通過邏輯關系將模塊連接，即可快速創建所鑄腳本功能，非常適合非編程人員與項目制作使用。本次仿真設計采用C#腳本編程語言進行編程，方便快捷。仿真環境開發流程如圖1所示。

（三）激光雷達模型設計

Unity3D軟件不適合構建復雜的幾何體，3DMAX建模軟件能夠方便地設計具有復雜功能的物體圖形，分建筑類和機械類，選擇適合的類別進行模型的搭建，實現的效果是點擊雷達的控件，模型彈出爆炸圖，并一一展示各部件的名稱和內容，點擊模型展示其效果和說明，其他控件包括工作原理、工作流程等，效果如圖2所示。

四、虛擬仿真教學設計的效果和評價

采用問卷調查法，通過對學生的問卷調查，了解其應用的效果，接受學生的建議，發現不足，為進一步研究和改進提供有效的參考和建議。本次調查問卷主要涉及以下幾個方面：（1）學生對本虛擬仿真教學設計的接受程度;（2）學生對本虛擬仿真教學設計的建議和意見;（3）學生知識掌握程度;（4）遇到問題，學生尋求解決辦法。

問卷調查以線上和線下同時展開進行，線上以微信的形式發送給高校的學生，要求在一定時間內完成問卷，超過規定時間按無效卷處理;線下則主要是以書面的形式發放給學生，采用當面發放、當面回收的方式。關于本次問卷，最終情況分析：線上發放40份，有效問卷35份，問卷有效率為87.5%;線下發放40份，有效問卷38份，問卷有效率為95%。對問卷的主要問題進行分析如下。

根據調查分析，有89%的同學喜歡利用本次虛擬仿真設計進行學習，對其中線上線下部分學生隨機進行反饋調查，隨機發放問卷36份，其中有效問卷33份，問卷有效率為91.7%。如圖3受歡迎程度調查。

在學生知識掌握程度方面，學生的知識可接受程度較高，有78%的學生感覺學習效率會有顯著的提升。（如圖4學生掌握知識程度反饋圖）

運用此平臺進行學習后，學生在學習中遇到問題，有83%的學生選擇重復使用此平臺進行學習，吸引度較強。（如圖5知識還未完全掌握，學生尋求解決辦法）

對問卷進行分析，總結出以下幾個方面：

1.本次設計的智能網聯汽車虛擬仿真教學設計，極大的新穎性是吸引學生興趣最關鍵的因素，在調查的學生情況中，有超過85%的學生對虛擬仿真有了認識。學生的認識程度有了大幅度提升。

2.交互性，本次智能網聯汽車虛擬仿真教學設計具有交互性，是本次教學設計的一大“亮點”，實時互動，學生如同在真實操作一般，極大地增強了現實感，讓學生在學習的過程中達到知識的深入和細化，不再是教師上課時，學生腦海中只有空泛的想象，學生可以全方位學習，多角度分析，極大地提高了教學效率。

本次設計的智能網聯汽車虛擬仿真教學設計，學生要求再增加一些虛擬仿真動手環節，學生的動手環節是學生掌握知識的關鍵，是理論聯系實際的最有效途徑。增加動手環節有利于培養學生動手動腦能力的提升。此外，學生還希望能夠增加一些有關激光雷達工作的視頻，想了解感知環境系統在實際運用過程中的效果是怎樣的，真實的場景可以增強學生的認知感，有助于學生掌握和理解相關知識，增強學習興趣。因此，本次智能網聯汽車虛擬仿真教學設計將根據實際情況，進一步增加虛擬仿真動手操作環節，增強學生動手動腦能力，增加一些真實視頻，增強學生的理解能力。

五、結論

該虛擬仿真技術在教學中的應用，解決了傳統教學與實際應用聯系不全面的問題，也解決了大部分中高職院校由于各種原因不能夠購買足夠的智能網聯汽車相關器材用于真實教學的問題，而且能夠使得學習者快速地掌握相關的示教操作，可多次操作，多次練習，學生的興趣大大提高，降低了高校的教學成本，提高教學效果，也有利于提升學生的學習實踐能力。

參考文獻：

[1]《中國公路學報》編輯部.中國汽車工程學術研究綜述·2017[J].中國公路學報，2017，30（6）：1-197.

[2]袁也，關志偉，侯海晶，等.基于智能網聯汽車環境感知系統的教學微課開發研究[J].教育現代化，2019，6（19）：176-181.

[3]王淑嬙，賀行洋，鄒貽權，等.土建類虛擬仿真實驗教學資源持續建設與實踐[J].高等建筑教育，2018，27（5）：159-165.

[4]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014（8）.

[5]蒿麗萍.虛擬仿真實訓教學保障機制及評價機制研究[J].內蒙古電大學刊，2018（6）：88-92，102.

◎編輯 武生智