混合現實技術在汽車專業教學中的應用

儀征技師學院 王枝東，趙抒萍

1 基于人機交互的虛擬學習環境

隨著網絡技術的發展及計算機的普及，人們的學習認知不再局限在一個空間里，計算機空間三維運算能力的大幅度提升促進了虛擬現實技術的進一步發展。對于汽車這種具有復雜結構的科技產品，我們可以利用計算機虛擬技術虛擬出學習環境，讓學習者身臨其境，通過理論學習與虛擬技術的結合，可以讓學生進行更有效的自我學習。

2 三種虛擬現實技術的介紹

虛擬現實（VR）是指利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，使用者需要通過一個頭戴設備，模擬產生關于視覺、聽覺、觸覺等感知，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。也就是說，使用者所看到的事物都是虛擬的。

增強現實（AR）是通過電腦技術，將虛擬信息應用到真實的世界，是真實環境和虛擬物體實時地疊加到了同一個畫面或空間，并同時存在。如果說VR給使用者的是一個100%的虛擬世界，那么AR就是以現實世界的實體為主體，借助于數字技術幫助使用者更好地探索現實世界。

混合現實（MR）是合并現實和虛擬世界而產生了新的可視化環境。在新的可視化環境里物理和數字對象共存，并實時互動。也就是真實世界、虛擬世界和數字化信息并存。

3 混合現實（MR）技術在教學中應用

為了降低交通運輸大類、制造大類、信息技術大類及其相關專業的學生在學習中對立體抽象知識的理解難度，研究基于混合現實（MR）技術在教學中的應用有一定的意義，具體研究內容包括環境感知與精準定位、基于MR的人機交互、全息影像及數據動態渲染，實現虛擬三維物體、動畫與物理現實空間自然融合，形成一套全息教學應用系統，并通過此系統快速完成全息教學應用的開發和使用。

該教學應用系統首先必須構建VR+教育模式。構建虛擬的汽車實訓室環境，發展虛擬備課、虛擬授課、虛擬考試等教育教學新方法、促進以學習者為中心的個性化學習，推動教學模式轉型。促進虛擬現實教育資源開發，推動科普、培訓、教學、科研的融合發展。

其次，一些硬件的配備。比如：在MR頭盔中配備了1 300萬像素的高清攝像頭，可以進行人臉識別、物體識別、車牌識別、肢體識別及行人跟蹤等；捕獲聽覺的拾音器；高通驍龍 835旗艦級處理器等。這些高性能的硬件參數讓MR頭盔在全息技術展示時更加得心應手。

傳統的教學方式只能讓學生看到一個整體外觀，要看清變速器內部結構則需要嚴格參照維修工藝進行解體，但是這也破壞了實訓器材的密封性。在運用MR開展教學的過程中，學生可以多人組成一個小組同時學習，如圖1所示。MR呈現的虛擬自動變速器可以任意角度翻轉，也可以去掉外殼展示其內部結構，畫面生動易于讓學習者產生濃厚的學習興趣。師生可同時進入全息世界中，完成教學內容學習和小組討論。同時，在同一空間可開展不同內容的教學，如機械維修、零部件設計等，實現一室多用，一室共用，如圖2所示。

圖1 利用MR學習自動變速器

圖2 利用MR在同一空間開展不同內容的教學

MR教學清晰直觀，抽象內容簡單直觀地呈現于眼前，有利于學生快速理解和掌握所學內容。這種方式培養了學生主動學習的意識，激發了學生的求知欲和學習動力，學生學習的積極性大大增強。當然，師生們還可以借助網絡進行遠程互動，如疫情期間在家上網課時，師生也可以全息互動。通過遠程直播交互平臺，它以直播者第一視角，向不同地區、不同終端用戶，一同分享全息景象。這個功能可以讓教師和學生在任何不同的空間里看到同一個場景，學生可以隨時向教師提出問題，針對學生的問題，教師不再是只能用簡單的語言描述，可以打開全息視角一一剖解，達到事半功倍的效果。

4 MR全息教學與傳統信息化教學比較

（1）形式豐富。傳統的信息化教學多以“圖片+視頻+音頻”的形式進行授課，形式單一枯燥，長時間學習學生容易疲乏，注意力不集中。在傳統影像基礎上加入全息3D內容和場景，并通過眼鏡、手機、電腦等多終端學習，形式多樣，立體生動，學生學習興趣高漲。

（2）互動性強。對于工科類的實訓項目，諸如汽車結構認知、汽車拆裝、汽車維修、汽車鈑噴等，現場教學不可能做到一對一的演示與模擬練習，反復拆卸也極大地損傷了實訓設備及工量具。進入到全息投影后的學習空間，每位學生均可以直接與實訓設備互動，提高了學習的主動性和實踐性，提高了教學效率。

（3）實時反饋。教師和學生同處于全息教學空間中，教師對學習效果實時掌握，學生可以得到實時指點和反饋。傳統的信息化教學反饋，只能通過現場問題或課后作業獲得反饋，缺少實時溝通，學習效率較低。

（4）課題延展。汽車技術日新月異，借助豐富的全息3D特效，完全可以愉悅學生們的學習體驗，將現在很多抽象的智能網聯技術和晦澀難懂的新技術原理，用拓展的教學資源讓學生進行主動式學習，同時教師們開發的教學資源還可以在云端保存，為專業建設創建個性化教學資源和創新數字化資源。