開放大學智能網聯汽車虛擬仿真教學模式研究

尤建祥，艾 華，馬 亮

1.盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124000；2.撫順市第二中等職業技術專業學校，遼寧 撫順 113000

開放大學（Open University） 是以開放性和靈活性為特點的大學教育機構，不受時間、空間和學術背景的限制，任何人都可以申請入學學習，其教學內容通過電子郵件、互聯網、電視、光盤等多種媒介形式傳遞給學生，使得學生可以在自己的時間和地點進行學習。開放大學的目標是為那些無法在傳統大學教育中獲得學位的人提供教育機會，使他們能夠在學習、職業發展和個人成長方面獲得提升。而開放大學的學習模式也是教學主體一直探究的重要項目。

智能網聯汽車是指通過無線通信、傳感器、人工智能等技術，實現汽車和互聯網的智能連接以及與周圍環境的無縫互動[1]。智能網聯汽車可以實現車與車之間的信息互換、車與道路基礎設施之間的互聯、車與行人之間的信息交互等，這些互動讓交通更加智能化、高效化、安全化。

智能網聯汽車有許多應用和優勢，其中包括：

自動駕駛：通過激光雷達、攝像頭、聲吶、雷達和GPS 傳感器等技術，車輛能自動感知周圍環境，自主完成剎車、加速、轉彎等操作，實現無人駕駛。

智能導航：基于車載系統、交通信息、車輛位置、旅行計劃等數據，實現高效的路徑規劃、實時交通狀況推送，提供更好的行車體驗和導航服務。

高效能耗：通過實現車輛與道路、城市等交通基礎設施之間的信息互動，優化行車路線、減少空轉，獲得不撒油、續航更長等效果。

安全駕駛：通過車輛之間、車輛和行人之間的通信，預測潛在的危險，提醒車輛駕駛者注意安全，有效降低交通事故的發生率。

智能網聯汽車技術不斷的發展和完善，將對未來汽車產業產生深刻影響，同時也給交通出行、城市管理、社會安全等領域帶來新的機遇和挑戰[2]。

一、智能網聯汽車專業教學現狀

目前智能網聯汽車專業在開放大學中的教學模式往往以錄播課為主。這種教學模式決定了教師“一對多”的授課方式，而忽略了學生的主體性[3]。缺乏互動與實訓，學習效果往往只能落在定義和基本內容上。通過到各典型案例學校實地調研，對校內師生進行智能網聯汽車知識體系和教學要求的問卷調查，了解學生回答問卷的正確率如圖1 所示。

圖1 學生智能網聯汽車知識回答正確率

調研顯示，學校學生可以通過網絡課程的學習獲取一定量的智能網聯汽車學科基礎知識，其中對智能網聯汽車PDI 及售后預檢領域中的任務一客戶服務接待、任務二高級駕駛輔助系統（ADAS） 運維以及任務三智能座艙系統運維掌握程度較高。對于ADAS 部件更換與測試領域和智能座艙系統設定與匹配領域這種需要實際操作的任務掌握不牢。故建立線上智能網聯汽車專業虛擬仿真實訓平臺，智能網聯汽車運用虛擬仿真教學模式迫在眉睫。

虛擬仿真技術是利用先進的3D 建模、動畫制作、圖像渲染等技術，在計算機的存儲空間中構建出一套與現實世界完全一致的虛擬空間，用來模擬現實世界中較復雜、較危險、較昂貴的操作和行為的一種數字化仿真交互技術。在虛擬仿真空間中，人們可以進行學習、模仿、操作以及回溯。這些正好彌補了當今許多具有高投入、高難度和危險性的專業教學環節存在的劣勢，在職業教育發展過程中起到了巨大的推動作用。在當今職業教育數字化改革中，虛擬仿真技術也占據了舉足輕重的地位[4]。許多虛擬仿真實訓基地的建設證明了虛擬仿真技術在職業教育中發揮的價值。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》中提出要建設虛擬實驗室，從2013 年教育部開始建設國家級虛擬仿真實訓中心至今，已有300 多個國家級虛擬仿真教學中心開始運行，進一步推動我國職業教育虛實結合、理實結合、講訓結合的“三結合”教學改革。

二、智能網聯汽車專業教學存在的問題

現有開放教育智能網聯汽車虛擬仿真教學方法的理論研究雖基本明確了虛擬仿真基地建設標準及虛擬仿真教學的核心構成要素，但是綜述我國各高職院校智能網聯汽車專業虛擬仿真開放教育的實施情況發現，我國高職院校現有開放教育智能網聯汽車虛擬仿真教學方法仍存在以下問題。

（一）教學方法創新平臺不夠完善

高職院校智能網聯汽車專業的教學需要大量的實訓設備、軟件工具和技術資料來保持教學內容的更新和前沿性[5]。然而，很多院校沒有足夠的財力來購買和維護這些資源，在很大程度上會限制教師的教學方法創新。在師資方面，智能網聯汽車行業是一個快速發展的領域，需要具備先進知識和技能的師資隊伍。然而，很多高職院校難以聘請到具有相關專業背景和工作經驗的教師，導致更多的教師只是為了完成教學任務而不是研究教法創新。

（二）探索式學生實驗平臺有待提高

快速發展的智能網聯汽車領域要求學生實驗平臺配備最新的設備和技術，以反映行業的最新趨勢和要求[6]。然而，很多院校使用過時或不足的設備，導致學生很難獲得足夠的實際經驗。這將導致學生在探索式學生實驗平臺上的實踐機會有限，使得他們創新意識不強。

（三）未完全實現線上仿真實訓模式

線上仿真實訓模式需要先進的技術和設備，包括高性能計算機、虛擬現實設備、仿真軟件等[7]。很多院校缺乏這些資源，難以支持線上仿真實訓。線上仿真實訓通常需要大量的帶寬和穩定的網絡連接，以確保學生能夠流暢地使用仿真工具。很多地區存在網絡不穩定或帶寬不足的問題。另外，在線上仿真實訓課程建設方面也需要積累，開發適用于線上仿真實訓的課程內容需要時間和資源，很多院校沒有足夠的課程內容來支持這種模式。

（四）基于過程的智能化可追溯綜合評價體系需要持續改進

對于虛擬仿真實訓過程進行可追溯綜合評價需要采集和管理學生在智能網聯汽車專業學習過程中的數據，并對其進行專業化的統計和分析，目前大多數虛擬仿真實訓系統還不具備這種功能[8]。教師和學生在理解和有效使用智能化評估工具和流程方面也需要進行培訓，評估體系也不應該僅僅是評估學生的表現，還應該提供有關改進教學和課程的反饋，但目前在這方面考慮仍不夠全面。對于綜合評價體系的建立需要外部行業或教育機構的認可，否則可能使評估體系缺乏權威性和可信度。

（五）跨平臺無邊界的教育教學方法有待充實

跨平臺無邊界教育需要高質量的教育內容和多樣化的學習資源，當前我國的線上教育資源多數是以傳統線下授課教案為藍本，經過簡單改動和編輯，這樣的教學設計很難完全適應線上線下、多平臺、無邊界的嶄新教學模式，容易造成學生沉浸感和參與感不足，降低學習效果[9]。另外一些學生可能在無邊界學習環境中面臨自律不足、分散注意力和時間管理等問題，這些都需要教師在跨平臺無邊界的教學方法方面進行創新。

三、應用虛擬仿真模式的契合性

虛擬仿真教學可以在國家開放大學智能網聯汽車專業中有廣泛的應用，為遠程學習的學生提供高質量的教育體驗[10]。虛擬仿真教學模式對開放大學智能網聯汽車專業的改善有以下幾點：

實驗室模擬：虛擬仿真教學可以模擬實驗室環境，允許學生進行各種汽車相關的實驗，如電動汽車的充電與放電、駕駛輔助系統的仿真測試等，既可以降低教學機構設備的投入成本，又可以彌補遠程學習生無法親臨實驗室的不足[11]。

汽車設計與調試：在智能網聯汽車的設計、功能調試、性能測試方面，學生可以充分利用虛擬仿真軟件，來提高設計效率和保證參數的準確性。

故障排除：在學生練習智能網聯汽車排除故障時，可以利用虛擬仿真技術模擬各種故障，讓學生在仔細觀察的同時更好地思考如何排除這些故障[12]。

數據分析與決策：學生可以利用虛擬仿真教學工具來分析汽車數據、識別趨勢并制定決策，這對于智能網聯汽車領域的數據驅動決策非常重要[13]。

跟蹤和評估：教師可以使用虛擬仿真工具來跟蹤學生的學習進展并評估他們的能力水平，以確保他們能掌握所需的知識和技能。

學生使用虛擬仿真技術進行學習，可以降低教育成本，在可以完全保證安全的情況下，盡可能高效率地完成實訓實驗任務，增強學生的獲得感和體驗感。在國家開放大學，學生可以利用虛擬仿真技術提高智能網聯汽車的學習效果，保障學生的技術發展[14]。

四、虛擬仿真技術在汽車智能網聯教學中的應用探索

基于開放教育布局思路，設計智能網聯汽車虛擬教學方法學習體系，利用虛擬仿真、虛擬現實、虛實結合等新技術與傳統教育相融合的技術優勢，形成交互作用，創立協同共進的虛擬仿真教學的新方法。

（一）開發開放大學智能網聯汽車專業虛擬仿真教學任務

成立課程委員會，結合優質虛擬仿真實訓資源的開放共享和持續應用，面向行業、對接產業，滿足開放教育人才需求，整合現有資源，開展智能網聯汽車專業虛擬仿真教學任務。將學科能力分為三大領域：領域一智能網聯汽車PDI 及售后預檢、領域二ADAS 部件更換與檢測和領域三智能座艙系統設定與匹配。

根據教學目標，制定一系列任務，具體教學任務如表1 所示。

表1 智能網聯汽車專業虛擬仿真教學任務

結合現有教材與資源，開發適合遠程教育的虛擬課程模式，有效地提高了學生學習效果。

（二）完善智能網聯汽車虛擬仿真實訓模式

根據調查，ADAS 部件更換與測試通過傳統教學效果并不理想，在脫離實訓情況下學生并未真正掌握操作步驟，完成任務實施，故需要更完善的虛擬仿真實訓模式。智能網聯汽車是建立在計算機物聯網、大數據云模式的基礎上，搭載先進的環境感知系統，實現人、車、路，網絡相通，進行信息交換的新型汽車。而在實訓過程中，智能網聯汽車的硬件成本較高，反復拆裝演示對于復雜的系統損耗較大且不直觀，無法滿足職業教育的需求。虛擬仿真實訓模式的建立，使實訓教學不受場地、硬件、人員的限制，可以反復多次訓練。在教學過程中，減少器材的損耗，降低教學成本，在基礎拆卸、裝配過程中，更加直觀，提高了教學效果。

（三）智能網聯汽車虛擬仿真平臺設計

根據智能網聯汽車教學任務及實訓要求，采用三維虛擬建立真實智能網聯汽車運維場景模式仿真，將整個學習任務在平臺軟件中應用。包括基礎設施仿真任務部分、各系統檢測與維修仿真任務部分、理論知識學習任務部分、仿真測試評價部分等。在基礎設施仿真任務部分中，模擬智能網聯汽車修配車間，通過電腦控制維修工，觸發按鍵，完成任務實施前的環境準備工作，包括儀容儀表、工具的選擇與使用、汽車的防護等。模擬真實場景，只有正確完成當前任務才能繼續觸發下一個任務，基礎設施仿真任務操作如圖2 所示。

圖2 基礎設施仿真任務操作圖

在各系統檢測與維修仿真任務部分中，學生可以通過任務指示，完成智能網聯汽車各系統檢測、拆裝、標定等任務，也可模擬真實場景對智能網聯汽車進行試車從而檢測維修效果，針對每一個系統都設計詳細的檢測與診斷步驟。

在進行故障診斷實訓時，學生可以根據觀察故障現象，以及性能檢測結果，分析出可能產生的故障點，并進行維修和確定。只有正確排除故障點后，仿真軟件才會繼續向下執行指令，并記錄得分。如若學生對于故障點確定不準確，則無法進行下一環節的調試，同時會發布提示，指引學生找到正確故障點。例如單目視覺傳感器標定流程如圖3 所示。

圖3 單目視覺傳感器標定流程

五、虛擬仿真技術在智能網聯汽車專業教學中的效果

從兩個維度進行教學效果評價。一方面，從學生接受程度進行測評，采用不記名問卷調查的方式，主要問題包括：對于平臺虛擬仿真教學的接受程度、遇見的困難以及建議和學習過程中有哪些問題需要改進。另一方面，對學生的智能網聯汽車運用與維修知識掌握情況進行測評。根據調查分析，有88%的同學非常接受虛擬仿真教學模式，認為該模式新穎，有學習興趣。還有7%的同學不喜歡這種教學模式，大部分原因是自己硬件設施不配套。在知識掌握程度測試中，學生對ADAS 部件更換與測試領域和智能座艙系統設定與匹配領域測試結果大大提高，充分說明了虛擬仿真教學模式在智能網聯汽車教學中發揮了舉足輕重的作用，取得了良好的教學效果。在學習過程中，遇到問題有86%的同學會選擇進入平臺再次學習。但是也有很多同學提出，可以增加更多體驗感較強的實訓任務，還可以嵌入實際場景操作視頻，加強認知感，有助于對整體系統的掌握與理解。因此，智能網聯汽車虛擬仿真教學將根據實際情況，進一步增加虛擬仿真實訓環節，增強學生動手動腦能力，增加真實操作視頻，增強學生的理解。

六、智能網聯汽車虛擬仿真教學模式的意義

（一）提高學生的學習興趣

通過智能網聯汽車虛擬仿真教學，將復雜的程序簡單化，真正做到虛實結合，在教學過程中，既注重直觀的實際操作，又巧妙地把理論知識嵌入實際場景中。在原理教學中，更直觀地展示智能網聯汽車各個領域配件相互聯系，直觀地操作人機互聯等裝置。這都是傳統教學中達不到的，大大地提高了學生的學習動力和學習興趣。

（二）提高教學過程的有效性

虛擬仿真教學模式可以跟現有的遠程教學模式相互補充、緊密關聯，達到1 加1 大于2 的教學效果。首先，通過遠程教學，學生已經對實訓要求、工具使用、汽車準備以及任務實施有了初步認識，再將任務嵌入到虛擬場景中，能夠完成從“看”到“做”再到“會”的過程，使學生有信心有能力進行深入探究。其次，學生通過在虛擬仿真的世界中進行實訓和探索，提高了對于新技術的數字化素養，幫助他們更好地了解智能網聯汽車的數字化技術和應用。在提高教學效果的同時，充分降低了成本，照顧到了教育公平，讓原本礙于硬件投資成本而實訓設備較少的院校也能夠開展更好的實訓教學活動。另外，虛擬仿真實訓也避免了零部件的機械磨損。在各種拆裝過程中，零件經常容易磨損，造成新發故障，影響學生在實訓時的故障判斷。而在虛擬仿真世界中，每一次的實訓開始，都跟第一次實訓時一樣，提高了實訓任務的統一性和有效性。

（三）提升教學管理的效率

在傳統的汽車專業教學過程中教師對于教學管理只能采用面對面的教學和教師向學生單方向的管理模式。但利用虛擬仿真教學模式，教師可以在應用虛擬仿真實訓設備時，模擬一個企業老板身份，通過為學生設計不同的獎勵方式，激勵學生更好地學習知識和進行實訓練習，引導一個班級的風氣向著努力學習、提高技能的大方向轉化。利用更加貼合實際的操作方法進一步影響帶動學生，培養學生積極的職業探索心。

虛擬仿真技術在智能網聯汽車教學中的應用，解決了傳統遠程教育教學與實際操作聯系不緊密的問題。虛擬仿真實訓平臺的使用，可以將實際操作滲透到真實場景，有機地結合理論和實際，改進教學方法，為提高教學質量提供保障。通過仿真平臺將智能網聯汽車各個領域技術呈現給學生，讓學生更加深入地了解各個領域的內涵、理論和原理，培養更多智能網聯汽車人才。