VR技術在《新能源汽車結構與原理》課程中的應用研究

摘 要：文章分析了當前本科高校車輛工程專業《新能源汽車結構與原理》教學中存在的問題。探討了VR技術在車輛工程教學中的優點，并以鋰離子電池結構與原理為例進行了VR技術應用教學設計。新的教學手段可以使學生完全沉浸其中，降低了學習的難度，深度的視覺刺激可加深學生對知識的理解深度。文章的研究成果可對車輛工程教學工作起到一定推動作用，可為相關VR技術的應用開發提供參考。

關鍵詞：VR技術 新能源汽車 教學應用

1 緒論

我國于2009年發布了《汽車產業調整和振興規劃》，新能源汽車產業開始獲得財政支持，經過十幾年的精心培育，獲得了長足的發展。據中國汽車工業協會統計，2023年新能源乘用車全年產銷量接近千萬輛，滲透率已達31.6%。即使2023年底補貼全面取消，2024年開年滲透率依然保持增長。國產新能源汽車正以強勁的勢頭搶占著以往燃油車的市場。與此相應的是對新能源汽車專業人才的強大需求，各大高校車輛工程專業紛紛開設相關課程，或者直接設立新能源汽車專業來培養人才，以此來滿足產業發展的需求。但是，當前的教學方法已經無法適應結構復雜、原理抽象的新能源汽車的教學工作。將VR技術引入新能源汽車專業教育，可以加深學生對車輛結構、原理的理解，進而提高人才培養的質量和效率。該技術的出現為工程教育提供了新的途徑，使以往因諸多客觀因素無法實現的現場教學成為可能[1]。

所謂VR技術即虛擬現實技術，是將電腦仿真、圖像顯示以及人體動作傳感等技術融合，模擬出一個三維空間，使用者沉浸其中，通過智能穿戴終端讓人產生視覺、聽覺、觸覺等方面的真實感受，同時將其肢體動作信息采集到計算機，再反饋給使用者，從而讓人有一種身臨其境的感覺[2]。采用VR技術將新能源汽車結構與原理進行立體化展示，讓學生在高沉浸感的三維虛擬環境中學習，既可增加學習的趣味性，又可降低學習難度和實車損耗，具有廣闊的應用前景[3]。

2016年被科技界定為VR技術元年，這一年VR設備才真正大規模進入消費市場，主要應用于游戲、影音、醫療、教育等領域。過去的這幾年間，國內外教育工作者對其在汽車人才培養方面的應用進行了大量的研究。2017年王長亮對VR技術在汽車專業實訓中的優勢和應用模式進行分析和詳細的闡述[4]。2019年袁敏以成都理工大學工程技術學院新能源汽車實踐教學為案例，分析了實踐課程中所遇到的問題，并實施了教育部協同創新項目，建設了VR智慧教學中心[5]。2020年王澤森指出新能源汽車的實訓中常常存在安全隱患多、技能訓練成本高、教學演示困難等問題，應用VR技術可極大程度地解決這些問題[6]。2020年付學敏指出高職院校的汽車專業因教學設備陳舊、教材落后，培養出來的人才已無法滿足產業的需求。虛擬仿真技術在汽車專業教學中的應用，可將各種抽象的理論知識進行形象、直觀地展示，可極大地提升學生的學習效果[7]。

上述研究多來自職業院校為解決工程實訓的困難所做的努力，針對本科院校車輛工程專業的VR應用研究則很少。本科院校車輛工程專業以培養汽車設計、開發、制造人才為目標，不同于職業院校的車輛維修類專業。本科院校重理論、輕實踐，在課程設置上往往缺乏實踐環節，即使有也是由教師進行演示，學生無法獲得真實的體驗，理論學習不能與實踐結合，限制了學生對知識的理解深度。新能源汽車教具也往往因為價格昂貴，且有操作風險而鮮有配備，VR技術的出現使得教學實踐有了新的解決方式。所以，本文對VR技術與《新能源汽車結構與原理》課程相結合的應用模式進行探索。分析當前實踐教學中存在的現實問題，提出一些解決辦法，為相關虛擬應用的開發提供一些思路。

2 目前新能源汽車實踐教學中存在的問題

2.1 教學成本高

新能源汽車教學設備往往都是在實車真實系統的基礎上開發而來，教學設備市場容量小，價格高昂。同時，新能源汽車技術發展速度快，而高校采購的教學設備往往要使用幾年甚至十幾年來攤薄成本，教學設備的更新速度難以跟上產業的發展腳步，學生學到的可能是過時的技術，緊跟先進技術勢必加劇學校的資金困難。教學設備一般無法支持多次拆裝，尤其面對的還是首次接觸設備、毫無操作經驗的學生，使用損耗大。設備往往短時間之內就會出現故障，面臨著繁重的維護壓力，進一步推高了實訓教學成本。

2.2 教學過程風險大

新能源汽車不同于傳統燃油汽車，存在數百伏的高壓部件，動力電池、電機控制器、驅動電機等的拆裝都有著嚴格的操作規程，稍有不慎，就會造成觸電、短路等事故，威脅著人員、設備和實訓車間的安全。鑒于它的高危屬性，經驗欠缺的學生與其指導老師都承受著巨大的心理壓力。而且，如今高校的生師比又難以做到一對一指導，分組指導時，又無法兼顧所有學生的行為。除了特有的高壓風險，傳統燃油車的實訓風險依然存在。

2.3 設備內部不可入

本科院校車輛工程專業的《新能源汽車結構與原理》課程重在對理論知識的深刻認知，在當前的教學方式下，通過圖片、視頻來學習抽象的理論知識，需要學生具有極強的想象能力。而多數學生缺乏必要的興趣，導致學習效果差，不能有效地掌握理論知識。實訓時雖然很多部件都能從整車上分解，但也有些部件不便進一步分解，部件本身往往也有著復雜的內部結構，這樣就使得難以觀察其內部構造。例如，動力電池在設計、制造時，基于整體的結構剛度、密封等考慮，往往進行灌膠，完全無法拆解。驅動電機的拆解會破壞其安裝精度和防護等級，頻繁拆裝會增加設備的損耗。另外，設備內部不可入也使得在實車上理解其運行原理與課堂學習時一樣困難，況且新能源車運行原理中電、磁、能量等的變化肉眼看不到，電池內部的鋰離子、電子等的走向看不到，對這些抽象知識的理解都需要強大的想象力，課堂和車間實物的教學效果都不甚理想。

3 采用虛擬現實技術的優點

虛擬現實技術因其沉浸性、交互性、想象性等特點在諸多領域受到廣泛關注，在教學中所展現出的優點可以使新能源汽車實踐教學中存在的問題得到顯著的改善。

3.1 教學成本低

新能源汽車虛擬實驗室的建設與真實的物理實驗室設施相比，投資少、見效快，不需要購買實物系統、不需要建設大面積的車間，教學資料的更新通過升級軟件即可完成。虛擬實驗的進行對虛擬現實設備幾乎沒有損耗，可以多次、重復地進行。而且，虛擬實驗不存在物理實驗時的觸電、起火等危險。所以，操作時無需老師從旁指導，只需按照系統提示進行學習即可，降低了對指導老師的需求。在學習時可以得到系統的全面提示，操作錯誤也能得到及時的糾正。系統可以全面地記錄操作的過程，后續可以反復觀看、學習。因此，虛擬實驗是一種低成本教育工具，可以更容易地重復練習，并發展工程技能。

3.2 教學過程無風險

虛擬實驗中一切操作都在電腦生成的三維立體環境中，學習者與立體影像進行交互，不接觸真實部件。用醒目的顏色或者符號等標記高壓，誤操作會有聲、光報警提示，或者通過觸覺讓操作者感受到觸電的感覺，但不會造成實質傷害。同時，也不存在設備損壞、身體磕碰、零部件掉落砸人等物理實驗中的情形。因此，虛擬實驗過程沒有任何人員、設備的受損風險。

3.3 結構與運行原理的可視化

在虛擬現實中，呈現在眼前的是立體影像，其提供的可視化有助于理解復雜的結構、過程和現象，因為人們普遍認為視覺信息可以更好地被感知[8]。通過VR技術對新能源汽車的結構認知主要是通過零件立體模型對整車的構造、總成以及零部件進行多角度的觀察、透視來實現。對于可以提供立體可視化和沉浸感的VR技術，其主要優勢是有助于理解抽象的概念，破解知識難點。對于學生，有時很難在腦海中構建復雜、抽象或看不見的物體。在這種情況下，VR技術可以通過動畫、透視來進行呈現，可以從任意角度觀看，可以極大地降低學習難度。工作原理的理解主要是通過將各系統工作時不可見的能量流、電流、磁場等可視化來實現的，如：車輛運行時能量的流動情況；電池充放電時鋰離子、電子的移動等[6]。雖然與學習者交互的是虛擬的三維影像，不是實物，但是由于VR技術的深度沉浸感，學習者也可以獲得與物理實驗相近的學習效果。同時，VR技術有著很強的趣味性，學習過程自帶游戲屬性，可以極大地激發學生的學習興趣。該技術的沉浸性使虛擬世界具有真實的視覺、聽覺和觸覺，從而再現真實環境[9]。

4 VR技術的應用案例構想-鋰離子電池

《新能源汽車結構與原理》的教學效果很大程度上取決于呈現效果。當前的課堂教育中講解鋰離子電池結構與原理時，會用到如圖1所示的示意性圖片或相關視頻。教師通過語言向學生作出相關的講解，學生發揮想象并結合圖片及教師的語言描述對結構和原理進行空間構型和理解。但是，二維的圖片或視頻與學生在空間上是相互獨立的、缺乏互動的，理解的過程是枯燥的。同時，圖片、視頻往往都是原理性示意圖，非真實結構建模，與真實的電池仍存在較大差距，難以激發學生的學習興趣。現場教學往往由于真實的視覺刺激，可以極大地提升學生的學習興趣，但由于上述的現場教學中存在的諸多困難，難以實現，且電池內部不可入。應用VR技術可以建立放大的動力電池三維立體模型，學生可置身其中，猶如處在一個大型結構中，完全沉浸其中。學生甚至可以坐在鋰離子上，沿著其運動路徑離開正極材料，進入電解液，穿過隔膜的微孔，最終到達負極材料。學生能夠以第一視角感受充電、放電過程中鋰離子、電子等的遷移過程，感受這些粒子在正負極層間的嵌入和脫出過程。在該過程中，不同鋰鹽正極材料的層間結構、晶體形狀，隔膜微孔和負極石墨層間結構都會對學生形成深度的視覺刺激，能夠多方位觀察結構，對于結構和原理的理解非常有效。同時，也可以親身感受過充、過放等異常情況下電池內部結構的劣化過程，進而建立起電池合理使用的正確意識。互動的過程既是游戲，又是學習，能充分調動學生的注意力、興趣和情緒。可見，基于VR技術的工程教學與當前基于幻燈片的教學有著本質的不同。

5 結語

本文分析了當前本科高校車輛工程專業《新能源汽車結構與原理》教學中存在的問題。為此，研究將VR技術引入課程教學，討論了該技術在車輛工程教學中的優點，并以鋰離子電池結構與原理為例進行了VR技術應用教學設計。新的教學手段可以使學生完全沉浸其中，寓教于樂，降低了學習的難度，深度的視覺刺激加深了學生對知識的理解深度。本文的研究成果可對車輛工程教學工作起到一定推動作用，可為相關VR技術的應用開發提供參考。

基金項目：山西農業大學校級教學改革創新項目（編號：JG-202427）。

參考文獻：

[1]王麗霞，陳禮輝，黃森慰，等.虛擬仿真技術（VR）在“光伏系統原理與技術”教學中的應用研究[J].電子測試，2019（18）：135-136.

[2]馮銳.虛擬現實技術在汽車行業的應用[J].專用車與零部件，2016（05）：40-42.

[3]姚艷南.虛擬現實技術在新能源純電動汽車汽修教學培訓中的應用[J].汽車工業研究，2020（1）：53-56.

[4]王長亮.VR虛擬現實在汽車專業實訓教學中應用[J].現代經濟信息，2017（21）：397.

[5]袁敏，王振玉，楊斌，等.基于虛擬現實技術的新能源汽車實踐教學研究[J].教育現代化，2019，6（55）：275-276.

[6]王澤森，申榮衛.VR技術在新能源汽車專業教學中的應用與研究[J].職業，2020（04）：94-95.

[7]付學敏，李敏，王普，等.虛擬仿真技術在汽車維修專業實訓教學中的應用探討[J].南方農機，2020，51（09）：206.

[8]Daineko Y， Ipalakova M， Tsoy D， et al. Augmented and virtual reality for physics： Experience of Kazakhstan secondary educational institutions[J].Computer Applications in Engineering Education， 2020， 28（5）： 1220-1231.

[9]Saghafian M， Laumann K， Akhtar R S， et al. The evaluation of virtual reality fire extinguisher training[J]. Frontiers in Psychology， 2020， 11： 593466.