新能源汽車專業虛擬現實項目開發與教學應用

張健 包丕利

摘 要：根據“職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南”，從新能源汽車專業實際需求出發，提出虛擬現實項目的選擇方法、虛擬現實項目團隊建設方法和虛擬項目的建設思路。將開發的虛擬項目在實際教學中應用，探索實踐了一條“理-虛-實”相結合的一體化教學方法。

關鍵詞：虛擬現實 “理-虛-實” 一體化教學

1 新能源汽車維修專業現狀分析

隨著新能源汽車銷量和保有量的持續增加，職業學校開設新能源汽車維修等相關專業越來越多；在新能源汽車維修專業建設中也出現了一些問題。

1.1 電動汽車技術方面

一是電動汽車技術相對燃油車百余年的發展來說，目前處于一種相對成熟但還在發展中的狀態。這種變化和發展給教學帶來了不確定性。這一點在實踐教學中表現尤為明顯，實訓/實操的車型或實驗臺時效期短、淘汰率高，投入產出比不高。

二是電動汽車技術相比燃油車更加抽象。由于新能源汽車技術涉及學科領域較多，內容相比傳統汽車更加抽象，因此職業院校新能源汽車專業在教學時面臨諸多困難。

1.2 新能源汽車的高電壓

職業學校的主要任務是培養高素質的技能人才，新能源汽車維修專業對實踐教學的要求比較高。新能源汽車維修專業的實訓環節，不管是從保養到維修還是從拆裝到調試不可避免的要觸及新能源汽車高壓部分。如何在新能源汽車相關專業實訓/實踐環節即保證安全又保證教學效果是新能源汽車維修專業面臨的另一個困難。

2 虛擬現實技術的優勢

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術可以營造一個虛擬環境，操作者置身于虛擬環境并且可以與這個環境進行交互。虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能。

與此同時由于虛擬的訓練系統無高電壓的危險、也沒有零部件的損耗，因此學生可以反復練習，直至掌握操作技能。

3 虛擬現實項目的開發思路

虛擬現實項目的開發和建設是一個系統工程，需要不同專業領域的人相互配合完成。通常一個VR項目的開發需要建模團隊、教師團隊和軟件團隊共同完成，他們分工不同、相互支持。如圖1所示，教師團隊需要確立開發項目、撰寫開發腳本，作為導演完成項目的整體規劃；建模團隊需要根據項目需求建立模型、制作動畫；軟件團隊需要根據項目需求設計交互、確保項目的進行。

3.1 虛擬現實項目的選擇

3.1.1 面向理論教學的虛擬項目

通過對一線教師和專業學生的調研，對教學過程中存在的難點、痛點進行分析，發現其主要表現在電動汽車工作原理部分、高壓部件結構部分，如電動汽車能量流、整車熱管理工作原理、動力電池結構、電機控制器結構等。

3.1.2 面向實訓教學的虛擬項目

通過行業企業的調研，對新能源汽車在維護、維修等方面的實際任務進行歸納總結，提出面向實訓的虛擬項目，如動力電池更換、電機控制器更換、絕緣電阻檢測。

提出虛擬現實項目后要遵循以下原則進行項目篩選：

1）需要原則 篩選出的項目一定是教育教學所需要的；

2）規避原則 篩選出的項目一定是不容易通過實物完成的，如需要大場地、有危險、設備損耗嚴重的項目；即虛擬現實項目要解決教學中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題。

如表1是動力電池虛擬項目，所選項目都是在實際教學過程需求程度較高、面臨困難較大的項目。通過虛擬項目可以有效的降低學校的投入、教學的風險性和教學難度。

4 虛擬現實項目的建設

虛擬現實項目的開發流程如圖2所示。

4.1 撰寫腳本

教師團隊要根據實物（車輛、零部件等）進行拆裝學習，確立需要進行三維建模的零部件及VR項目交互、交互方式；撰寫建模需求和腳本。建模需求用于指導建模團隊進行三維模型的繪制和動畫設計，腳本用于指導軟件團隊進行UI編寫。

4.2 建模

建模團隊要根據建模需求進行三維模型的建立和動畫設計。目前，建模軟件主要有兩種技術：多邊形建模和數字雕刻，各有優點和缺點。其中數字雕刻比較適合生物模型，多邊形建模比較適合機械、建筑的建模。因此新能源汽車專業虛擬現實項目中的模型可以選擇多邊形建模的方式。

在建模完成后，要進行貼圖的制作；將材料、顏色和紋理添加到3D模型中，提高三維模型的質感，使不同的模型具有不同的效果。在貼圖過程中為了與現實汽車實訓/實驗室保持一致，可以進行做舊處理，使模型更具真實感。為了營造更好的視覺效果，可以在場景中布置數字燈對模型進行打光，使得場景、3D模型更加真實。

動畫是3D模型制作的另一個重要環節，在新能源汽車虛擬現實中很多地方需要用動畫演示，如：電機的轉動、車輪的轉動、電流的流動、信號的傳遞等。

最后就是渲染，渲染是將場景中的所有信息（物體、材料、燈光、攝像機）結合起來產生單個或若干個的最終渲染圖像的過程；渲染完成后就可以導出文件，可以是OBJ、FBX或DAE文件。

4.3 設置交互

將3D模型導入新項目（Project），導入后模型會顯示在場景視圖中，根據需要調整模型在場景中的位置和大小比例，使其達到預期效果。

為模型設置碰撞（在Unity中可以通過添加Collider組件實現），模擬物體之間相互碰撞的效果，從而提供更加真實的場景，使操作者感受到力量、沖擊和物理反應等。為此要為物體設置質量、彈性、摩擦等屬性，這些屬性直接影響物體在場景中的運動狀態和碰撞效；還要為物體設置碰撞形狀，如正方體、球體等，通過設置碰撞形狀，可以讓物體之間更加貼合，并模擬出物體之間的真實碰撞情況。

為模型設置運動學特征（在Unity中可以通過添加Rigidbody組件實現），對象添加了剛體組件以后就開始接受物理力學的影響了，比如重力、空氣摩擦力、碰撞產生的推力。

為場景和模型設置合適的光照和材質，使得場景和模型的顯示效果更加貼近與真實環境。在場景中導入更多的三維模型，構建一個完整的虛擬環境，并實現模型間的真實交互。

VR手柄既能作為交互的輸入信號（包括移動、拾取、轉向等），又可以作為交互的反饋信號（通常是通過振動實現）。因此要根據腳本確定交互方式，根據交互信號的輸入形式和類別確定VR手柄各按鍵的功能。

編寫交互代碼對模型進行交互控制，可以通過監聽VR手柄上各個按鍵、觸摸板的輸入信號及手柄的運動信號，實現反轉、移動、拾取、轉動等交互。

最后將項目部署到VR設備，如Oculus、HTC Vive等，使用VR手柄實現與三維模型的直接交互操作，獲取沉浸式體驗。

4.4 測試與修改

部署到VR設備后，要經過若干次測試與修改才能變成一個成熟的項目。測試時通常需要軟件團隊、教師團隊進行依次測試，要測試模型搭建是否準確、動畫設置是否合理、交互手段是否合理、交互的難度是否正常、交互是否流暢等。通過測試要提出修改意見，需要注意的是在測試時往往需要一些對軟件和知識了解不多甚至是一點都不了解的新人進行測試。建模團隊和軟件團隊根據測試修改意見進行相應的修改。

在經歷若干次測試與修改后，一個相對成熟的VR項目才能真正成型。

5 虛擬現實項目的教學應用

在教學過程中充分利用開發的VR項目，將其充分運用到理論教學和實踐教學當中，如圖3所示。

在理論教學中通過教學類VR項目增加學生課堂參與度、激發學習興趣，并將理論知識與虛擬實物結合，為理論與實際相結合搭建橋梁。在實踐教學中通過實訓類VR項目增加學生動手能力，保證學生在實訓之前完成從“新手”到“熟手”的轉變，為實踐教學提供良好的基礎。

基金項目：中國交通教育研究會 2022-2024 年度教育科學研究課題“基于工學一體化教學模式省級優質專業人才培養方案研究——以新能源汽車檢測與維修專業為例”（JT2022YB034）。

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