摘 要：文章分析了當(dāng)前本科高校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)《新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理》教學(xué)中存在的問(wèn)題。探討了VR技術(shù)在車(chē)輛工程教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)，并以鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理為例進(jìn)行了VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)。新的教學(xué)手段可以使學(xué)生完全沉浸其中，降低了學(xué)習(xí)的難度，深度的視覺(jué)刺激可加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解深度。文章的研究成果可對(duì)車(chē)輛工程教學(xué)工作起到一定推動(dòng)作用，可為相關(guān)VR技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù) 新能源汽車(chē) 教學(xué)應(yīng)用

1 緒論

我國(guó)于2009年發(fā)布了《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始獲得財(cái)政支持，經(jīng)過(guò)十幾年的精心培育，獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2023年新能源乘用車(chē)全年產(chǎn)銷(xiāo)量接近千萬(wàn)輛，滲透率已達(dá)31.6%。即使2023年底補(bǔ)貼全面取消，2024年開(kāi)年滲透率依然保持增長(zhǎng)。國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)正以強(qiáng)勁的勢(shì)頭搶占著以往燃油車(chē)的市場(chǎng)。與此相應(yīng)的是對(duì)新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)人才的強(qiáng)大需求，各大高校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)紛紛開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，或者直接設(shè)立新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)來(lái)培養(yǎng)人才，以此來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。但是，當(dāng)前的教學(xué)方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原理抽象的新能源汽車(chē)的教學(xué)工作。將VR技術(shù)引入新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教育，可以加深學(xué)生對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)、原理的理解，進(jìn)而提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效率。該技術(shù)的出現(xiàn)為工程教育提供了新的途徑，使以往因諸多客觀因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)成為可能[1]。

所謂VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將電腦仿真、圖像顯示以及人體動(dòng)作傳感等技術(shù)融合，模擬出一個(gè)三維空間，使用者沉浸其中，通過(guò)智能穿戴終端讓人產(chǎn)生視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等方面的真實(shí)感受，同時(shí)將其肢體動(dòng)作信息采集到計(jì)算機(jī)，再反饋給使用者，從而讓人有一種身臨其境的感覺(jué)[2]。采用VR技術(shù)將新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行立體化展示，讓學(xué)生在高沉浸感的三維虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)，既可增加學(xué)習(xí)的趣味性，又可降低學(xué)習(xí)難度和實(shí)車(chē)損耗，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

2016年被科技界定為VR技術(shù)元年，這一年VR設(shè)備才真正大規(guī)模進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，主要應(yīng)用于游戲、影音、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域。過(guò)去的這幾年間，國(guó)內(nèi)外教育工作者對(duì)其在汽車(chē)人才培養(yǎng)方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。2017年王長(zhǎng)亮對(duì)VR技術(shù)在汽車(chē)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用模式進(jìn)行分析和詳細(xì)的闡述[4]。2019年袁敏以成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院新能源汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)為案例，分析了實(shí)踐課程中所遇到的問(wèn)題，并實(shí)施了教育部協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目，建設(shè)了VR智慧教學(xué)中心[5]。2020年王澤森指出新能源汽車(chē)的實(shí)訓(xùn)中常常存在安全隱患多、技能訓(xùn)練成本高、教學(xué)演示困難等問(wèn)題，應(yīng)用VR技術(shù)可極大程度地解決這些問(wèn)題[6]。2020年付學(xué)敏指出高職院校的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)因教學(xué)設(shè)備陳舊、教材落后，培養(yǎng)出來(lái)的人才已無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)的需求。虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，可將各種抽象的理論知識(shí)進(jìn)行形象、直觀地展示，可極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[7]。

上述研究多來(lái)自職業(yè)院校為解決工程實(shí)訓(xùn)的困難所做的努力，針對(duì)本科院校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的VR應(yīng)用研究則很少。本科院校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)以培養(yǎng)汽車(chē)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造人才為目標(biāo)，不同于職業(yè)院校的車(chē)輛維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)。本科院校重理論、輕實(shí)踐，在課程設(shè)置上往往缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)，即使有也是由教師進(jìn)行演示，學(xué)生無(wú)法獲得真實(shí)的體驗(yàn)，理論學(xué)習(xí)不能與實(shí)踐結(jié)合，限制了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解深度。新能源汽車(chē)教具也往往因?yàn)閮r(jià)格昂貴，且有操作風(fēng)險(xiǎn)而鮮有配備，VR技術(shù)的出現(xiàn)使得教學(xué)實(shí)踐有了新的解決方式。所以，本文對(duì)VR技術(shù)與《新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理》課程相結(jié)合的應(yīng)用模式進(jìn)行探索。分析當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提出一些解決辦法，為相關(guān)虛擬應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供一些思路。

2 目前新能源汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1 教學(xué)成本高

新能源汽車(chē)教學(xué)設(shè)備往往都是在實(shí)車(chē)真實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)而來(lái)，教學(xué)設(shè)備市場(chǎng)容量小，價(jià)格高昂。同時(shí)，新能源汽車(chē)技術(shù)發(fā)展速度快，而高校采購(gòu)的教學(xué)設(shè)備往往要使用幾年甚至十幾年來(lái)攤薄成本，教學(xué)設(shè)備的更新速度難以跟上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展腳步，學(xué)生學(xué)到的可能是過(guò)時(shí)的技術(shù)，緊跟先進(jìn)技術(shù)勢(shì)必加劇學(xué)校的資金困難。教學(xué)設(shè)備一般無(wú)法支持多次拆裝，尤其面對(duì)的還是首次接觸設(shè)備、毫無(wú)操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，使用損耗大。設(shè)備往往短時(shí)間之內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障，面臨著繁重的維護(hù)壓力，進(jìn)一步推高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本。

2.2 教學(xué)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)大

新能源汽車(chē)不同于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，存在數(shù)百伏的高壓部件，動(dòng)力電池、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等的拆裝都有著嚴(yán)格的操作規(guī)程，稍有不慎，就會(huì)造成觸電、短路等事故，威脅著人員、設(shè)備和實(shí)訓(xùn)車(chē)間的安全。鑒于它的高危屬性，經(jīng)驗(yàn)欠缺的學(xué)生與其指導(dǎo)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(duì)一指導(dǎo)，分組指導(dǎo)時(shí)，又無(wú)法兼顧所有學(xué)生的行為。除了特有的高壓風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)燃油車(chē)的實(shí)訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn)依然存在。

2.3 設(shè)備內(nèi)部不可入

本科院校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的《新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理》課程重在對(duì)理論知識(shí)的深刻認(rèn)知，在當(dāng)前的教學(xué)方式下，通過(guò)圖片、視頻來(lái)學(xué)習(xí)抽象的理論知識(shí)，需要學(xué)生具有極強(qiáng)的想象能力。而多數(shù)學(xué)生缺乏必要的興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差，不能有效地掌握理論知識(shí)。實(shí)訓(xùn)時(shí)雖然很多部件都能從整車(chē)上分解，但也有些部件不便進(jìn)一步分解，部件本身往往也有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣就使得難以觀察其內(nèi)部構(gòu)造。例如，動(dòng)力電池在設(shè)計(jì)、制造時(shí)，基于整體的結(jié)構(gòu)剛度、密封等考慮，往往進(jìn)行灌膠，完全無(wú)法拆解。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的拆解會(huì)破壞其安裝精度和防護(hù)等級(jí)，頻繁拆裝會(huì)增加設(shè)備的損耗。另外，設(shè)備內(nèi)部不可入也使得在實(shí)車(chē)上理解其運(yùn)行原理與課堂學(xué)習(xí)時(shí)一樣困難，況且新能源車(chē)運(yùn)行原理中電、磁、能量等的變化肉眼看不到，電池內(nèi)部的鋰離子、電子等的走向看不到，對(duì)這些抽象知識(shí)的理解都需要強(qiáng)大的想象力，課堂和車(chē)間實(shí)物的教學(xué)效果都不甚理想。

3 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其沉浸性、交互性、想象性等特點(diǎn)在諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，在教學(xué)中所展現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)可以使新能源汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題得到顯著的改善。

3.1 教學(xué)成本低

新能源汽車(chē)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)施相比，投資少、見(jiàn)效快，不需要購(gòu)買(mǎi)實(shí)物系統(tǒng)、不需要建設(shè)大面積的車(chē)間，教學(xué)資料的更新通過(guò)升級(jí)軟件即可完成。虛擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備幾乎沒(méi)有損耗，可以多次、重復(fù)地進(jìn)行。而且，虛擬實(shí)驗(yàn)不存在物理實(shí)驗(yàn)時(shí)的觸電、起火等危險(xiǎn)。所以，操作時(shí)無(wú)需老師從旁指導(dǎo)，只需按照系統(tǒng)提示進(jìn)行學(xué)習(xí)即可，降低了對(duì)指導(dǎo)老師的需求。在學(xué)習(xí)時(shí)可以得到系統(tǒng)的全面提示，操作錯(cuò)誤也能得到及時(shí)的糾正。系統(tǒng)可以全面地記錄操作的過(guò)程，后續(xù)可以反復(fù)觀看、學(xué)習(xí)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)是一種低成本教育工具，可以更容易地重復(fù)練習(xí)，并發(fā)展工程技能。

3.2 教學(xué)過(guò)程無(wú)風(fēng)險(xiǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)中一切操作都在電腦生成的三維立體環(huán)境中，學(xué)習(xí)者與立體影像進(jìn)行交互，不接觸真實(shí)部件。用醒目的顏色或者符號(hào)等標(biāo)記高壓，誤操作會(huì)有聲、光報(bào)警提示，或者通過(guò)觸覺(jué)讓操作者感受到觸電的感覺(jué)，但不會(huì)造成實(shí)質(zhì)傷害。同時(shí)，也不存在設(shè)備損壞、身體磕碰、零部件掉落砸人等物理實(shí)驗(yàn)中的情形。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有任何人員、設(shè)備的受損風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理的可視化

在虛擬現(xiàn)實(shí)中，呈現(xiàn)在眼前的是立體影像，其提供的可視化有助于理解復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和現(xiàn)象，因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為視覺(jué)信息可以更好地被感知[8]。通過(guò)VR技術(shù)對(duì)新能源汽車(chē)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知主要是通過(guò)零件立體模型對(duì)整車(chē)的構(gòu)造、總成以及零部件進(jìn)行多角度的觀察、透視來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于可以提供立體可視化和沉浸感的VR技術(shù)，其主要優(yōu)勢(shì)是有助于理解抽象的概念，破解知識(shí)難點(diǎn)。對(duì)于學(xué)生，有時(shí)很難在腦海中構(gòu)建復(fù)雜、抽象或看不見(jiàn)的物體。在這種情況下，VR技術(shù)可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)、透視來(lái)進(jìn)行呈現(xiàn)，可以從任意角度觀看，可以極大地降低學(xué)習(xí)難度。工作原理的理解主要是通過(guò)將各系統(tǒng)工作時(shí)不可見(jiàn)的能量流、電流、磁場(chǎng)等可視化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如：車(chē)輛運(yùn)行時(shí)能量的流動(dòng)情況；電池充放電時(shí)鋰離子、電子的移動(dòng)等[6]。雖然與學(xué)習(xí)者交互的是虛擬的三維影像，不是實(shí)物，但是由于VR技術(shù)的深度沉浸感，學(xué)習(xí)者也可以獲得與物理實(shí)驗(yàn)相近的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，VR技術(shù)有著很強(qiáng)的趣味性，學(xué)習(xí)過(guò)程自帶游戲?qū)傩?，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該技術(shù)的沉浸性使虛擬世界具有真實(shí)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)，從而再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境[9]。

4 VR技術(shù)的應(yīng)用案例構(gòu)想-鋰離子電池

《新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理》的教學(xué)效果很大程度上取決于呈現(xiàn)效果。當(dāng)前的課堂教育中講解鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理時(shí)，會(huì)用到如圖1所示的示意性圖片或相關(guān)視頻。教師通過(guò)語(yǔ)言向?qū)W生作出相關(guān)的講解，學(xué)生發(fā)揮想象并結(jié)合圖片及教師的語(yǔ)言描述對(duì)結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行空間構(gòu)型和理解。但是，二維的圖片或視頻與學(xué)生在空間上是相互獨(dú)立的、缺乏互動(dòng)的，理解的過(guò)程是枯燥的。同時(shí)，圖片、視頻往往都是原理性示意圖，非真實(shí)結(jié)構(gòu)建模，與真實(shí)的電池仍存在較大差距，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?，F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)往往由于真實(shí)的視覺(jué)刺激，可以極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但由于上述的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)中存在的諸多困難，難以實(shí)現(xiàn)，且電池內(nèi)部不可入。應(yīng)用VR技術(shù)可以建立放大的動(dòng)力電池三維立體模型，學(xué)生可置身其中，猶如處在一個(gè)大型結(jié)構(gòu)中，完全沉浸其中。學(xué)生甚至可以坐在鋰離子上，沿著其運(yùn)動(dòng)路徑離開(kāi)正極材料，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜的微孔，最終到達(dá)負(fù)極材料。學(xué)生能夠以第一視角感受充電、放電過(guò)程中鋰離子、電子等的遷移過(guò)程，感受這些粒子在正負(fù)極層間的嵌入和脫出過(guò)程。在該過(guò)程中，不同鋰鹽正極材料的層間結(jié)構(gòu)、晶體形狀，隔膜微孔和負(fù)極石墨層間結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)學(xué)生形成深度的視覺(jué)刺激，能夠多方位觀察結(jié)構(gòu)，對(duì)于結(jié)構(gòu)和原理的理解非常有效。同時(shí)，也可以親身感受過(guò)充、過(guò)放等異常情況下電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劣化過(guò)程，進(jìn)而建立起電池合理使用的正確意識(shí)?；?dòng)的過(guò)程既是游戲，又是學(xué)習(xí)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力、興趣和情緒。可見(jiàn)，基于VR技術(shù)的工程教學(xué)與當(dāng)前基于幻燈片的教學(xué)有著本質(zhì)的不同。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前本科高校車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)《新能源汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理》教學(xué)中存在的問(wèn)題。為此，研究將VR技術(shù)引入課程教學(xué)，討論了該技術(shù)在車(chē)輛工程教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)，并以鋰離子電池結(jié)構(gòu)與原理為例進(jìn)行了VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)設(shè)計(jì)。新的教學(xué)手段可以使學(xué)生完全沉浸其中，寓教于樂(lè)，降低了學(xué)習(xí)的難度，深度的視覺(jué)刺激加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解深度。本文的研究成果可對(duì)車(chē)輛工程教學(xué)工作起到一定推動(dòng)作用，可為相關(guān)VR技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供參考。

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：JG-202427）。

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