基于混合現實（MR）技術的教學應用 研究與實踐
——以《動力電池及管理系統檢修》課程為例

陳曉鵬，張 霞，潘 達

（長沙職業技術學院，湖南 長沙 410217）

引言

隨著人工智能技術日新月異，MR技術備受關注，MR技術是一種全新數字全息影像學技術，以虛實融合、實時交互、三維場景等為主要特征的獨特優勢在教育領域展現巨大的應用潛力，有可能將在教育領域帶來突破性革新，但目前MR技術在教育領域上的應用才剛起步，在高職教育領域的應用研究與實踐也剛起步。

上海影創信息科技有限公司是一家專業從事混合現實MR智能眼鏡整體軟硬件開發的高科技企業，已經著手為高職教育行業打造具有科幻感的全息教學體驗，其MR產品和技術已進入多所高職院校，打造了基于MR技術的全息實訓室，說明MR為教育帶來全新的可能。本文以新能源汽車技術專業《動力電池及管理系統檢修》專業課程為例，研究與探索MR技術在課程教學中的應用。

《動力電池及管理系統檢修》為新能源汽車技術專業基礎課程，主要內容涉及高壓作業安全防護、動力電池維護保養、動力電池拆卸與安裝、動力電池結構原理的講解、動力電池管理系統結構、原理、功能的講解，動力電池及管理系統故障檢測、維修技能的學習。課程實施過程中需要使用純電動汽車及其動力電池部件，但是由于校內實訓車輛數量有限，學生的有效實操效果難以得到保證；動力電池為一個整體，學生不能直觀看到動力電池內部的結構；動力電池具有高壓危險，學生實操過程需要進行引導，以避免高壓操作危險。為有效解決上述問題，本文開展基于MR技術在《動力電池及管理系統檢修》課程應用研究[1]。

1 專業課程實現路徑

《動力電池及管理系統檢修》是高職院校新能源汽車技術專業的實操性較強的專業課程，服務于新能源汽車售后服務企業的動力電池維護保養、檢查、拆卸、拆解、檢測、元件更換、安裝等生產環節，是培養學生新能源汽車機電維修崗職業能力的重要專業課程。

在《動力電池及管理系統檢修》教學過程中，如果使用傳統的教學方法，如對照一個動力電池實物或動力電池及管理系統臺架講解動力電池組成部件，學生興趣度不高、理解也較為困難，原因是動力電池為一個整體封裝部件，很多部件學生不能直接看到，從而導致部分學生不能夠理解動力電池及管理系統的組成，嚴重的影響的教學效果。由此可見，為了達到《動力電池及管理系統檢修》專業課程的教學目標，傳統的教學環境和設施已經無法滿足要求。

MR技術可以為學生提供直觀三維立體體驗，將虛擬的動力電池及管理系統部件模型、動畫、視頻以三維立體方式呈現在學生眼前，學生通過基于MR技術的課程平臺、資源進行動力電池檢查、拆卸、拆解、檢測、元件更換、安裝等虛擬操作，改變《動力電池及管理系統檢修》課程傳統教學方式課堂的缺點，強調教學過程中的實時的感受性、實踐的交互性、情境共享性，能夠有效地提高學生課堂參與的積極性，具體的實現路徑如圖1所示[2]。

圖1 實現路徑

通過基于崗位工作任務的課程內容的構建，建設基于MR技術的課程資源，課堂教學中學生佩戴MR眼鏡，通過MR全息成像技術，能夠使動力電池結構、工作原理、維修過程三維立體地呈現在師生的面前，并通過邊虛擬操作、邊引導學生在實物上實踐操作，真正實現虛實結合，為理論教學與實踐教學提供強有力支撐。

2 專業課程教學內容

《動力電池及管理系統檢修》課程注重理實一體，實用性強且貼合企業崗位工作實踐，主要講授動力電池及管理系統維護保養，動力電池檢查、拆卸、拆解、檢測維修、安裝以及不同車型的動力電池常見問題的檢測維修與故障排除。通過此課程學習，使學生能夠熟悉純電動汽車動力電池及管理系統的基本結構、工作原理，掌握動力電池及管理系統檢修的基本操作技能，為后續整車故障診斷與排除打下堅實基礎[3]。

根據《動力電池及管理系統檢修》課程教學需要，利用MR技術呈現動力電池及管理系統維護保養過程，呈現動力電池及管理系統三維立體結構，呈現動力電池及管理系統工作過程中能量流動、信號控制等內容，呈現動力電池拆卸、拆解、檢修等工作過程。在教學過程中，具體內容如下表1所示[4]。

表1 教學內容

3 專業課程教學設計

信息化的教學手段能夠支撐課堂教學的開展，但是課程教學是否有效取決于課堂教學設計，基于MR技術構建的《動力電池及管理系統檢修》課程資源需要根據課程特點，進行合理設計才能夠起到良好效果，以動力電池拆卸舉例進行說明[5-7]。

3.1 課前準備

教師在職教云平臺發布課前預習內容，學生在職教云平臺查看任務書、信息頁、工作頁等內容，通過微課學習，自主探究動力電池拆卸的相關內容，預習結束后，學生在職教云平臺與教師進行互動交流，討論學習過程中存在的問題，并完成課前預習的測試。通過測試結果，教師掌握學生對動力電池拆卸的流程有了解，但思路不甚清晰。針對動力電池固定螺栓，工具選擇不熟悉，工作使用操作規范性不強，且高壓作業安全防護意識薄弱。因此，在課中實施階段針對這部分內容利用MR技術提供三維立體的動力電池拆卸體驗，將安全防護、車輛舉升、冷卻液釋放、工具選擇、工具使用等操作流程以三維立體的方式呈現給學生，提高了學生學習的興趣和知識掌握程度。

3.2 課中實施

課中開展了“引出任務—虛擬操作—制定方案—錘煉技能—質量評價”五個教學環節的實施，技能學習過程采用“虛擬仿真+實車操作”方式開展。

3.2.1 引出任務

教師通過動力電池內部存在故障的案例，引出動力電池拆卸實操任務，組織學生對動力電池拆卸流程與注意事項進行討論，教師進行總結。總結時，通過播放不規范使用動力電池舉升設備導致事故視頻，警示學生工具、設備使用規范性，要求學生在實操過程中做到安全生產意識謹記于心。

3.2.2 虛擬操作

雖然學生對動力拆卸的流程有一定的了解，但是學生此前課程從未進行此方面實踐操作，因此，引導學生佩戴MR眼鏡，在虛擬世界中模擬實訓車輛動力電池進行拆卸，由于MR技術能夠提供三維立體化逼真體驗，使學生能夠360°觀察操作過程，并作詳細記錄。

3.2.3 制定方案

通過課前學習、課中虛擬操作，學生熟練掌握了動力電池拆卸的流程與注意事項，為了避免學生在實踐操作過程中思路不清晰，拆卸步驟未按照要求進行，遺忘關鍵注意事項等，要求學生小組制定動力電池拆卸工作方案，提交教師審查合格后，方可進行實踐操作。

3.2.4 錘煉技能

MR技術能夠同時看到真實世界對象和虛擬世界對象，能夠實現真實世界與虛擬世界的交互且提供反饋，通過結合使用MR眼鏡與實訓車輛，以虛擬操作逐步引導學生實踐操作。通過MR平臺生成電子工單記錄，同時對于學生錯誤操作，能夠及時進行警示，可有效減少安全隱患。

3.2.5 質量評價

對于學生的學習效果，評價活動可在MR平臺上進行，通過MR平臺監測與記錄實操學習過程，進行數據采集與分析，了解學生學習特點、學習過程、學習效果。

3.3 課后拓展

學校實訓場地全天對學生開放，受到課堂時間與實訓條件的限制，部分學生實操環節掌握情況不好，可以通過課后拓展互動，借助MR平臺，多次通過虛擬與現實交互的方式多次鍛煉技能。

4 專業課程教學效果

（1）MR技術融入課堂，使學生更換直觀的觀察動力電池拆卸整個過程，打造沉浸式體驗課堂，有效提高學生技能掌握的效率。

（2）MR 技術讓學生在虛擬世界的空間里學習探索，實踐操作環節滿足了學生的好奇心，通過虛擬世界與現實世界的交互，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學生實踐技能學習的效果。

（3）MR技術平臺可以動態監視和實時記錄實操和學習過程，通過收集和分析數據，準確獲取學生的學習效果，發現實操過程中存在的問題，促進了教師課程教學的改革。

5 存在問題

雖然MR技術在《動力電池及管理系統檢修》課程教學中提高了教學效果，但是仍存在以下方面的問題：

（1）MR技術非常先進，平臺功能較強，但是在高職教育領域應用較少，特別是新能源汽車實踐教學應用方面，盡管MR技術平臺企業開發了一些支持新能源汽車教學的課程資源，但是該資源與院校實訓條件匹配度不高，且目前學校教師開發基于MR技術的課程資源的能力缺乏，導致MR技術推廣存在問題。

（2）由于MR技術在新能源汽車專業課程教學的應用尚處于探索階段，如何有效使用MR技術開展課堂教學提高實踐教學效果，尚且沒有成熟的案例與方法可以借鑒。