河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 志，楊學(xué)新，武波濤

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新技術(shù)的優(yōu)勢，通過在現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)虛擬場景信息，實(shí)現(xiàn)了同一場景內(nèi)實(shí)際物體和虛擬物體的實(shí)時(shí)共存和交互，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。其關(guān)鍵的技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的信息交互和獲取。

1 當(dāng)前新能源汽車技術(shù)專業(yè)教學(xué)存在的問題

新能源汽車最大的特點(diǎn)是電驅(qū)動(dòng)，如一汽豐田普銳斯車、吉利帝豪EV車、比亞迪K9純電動(dòng)大客車等，使用的電壓均在數(shù)百伏，有的甚至高達(dá)750 V。新能源汽車高壓組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路較復(fù)雜，拆裝困難且存在一定的觸電風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前中高職新能源汽車專業(yè)課程教學(xué)主要采用理論講授和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的方式。理論教學(xué)一般借助圖片和視頻資源對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行講解，這對空間想象力較弱的學(xué)生來說困難較大，課堂效果差。實(shí)訓(xùn)教學(xué)則普遍存在實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足、對高壓安全防護(hù)要求高、教學(xué)成本高等問題。探索基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車教學(xué)模式可有效解決上述問題。

2 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新能源汽車技術(shù)專業(yè)教學(xué)交互系統(tǒng)

2.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于Unity3D開發(fā)工具和Visual studio 2017應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建MR教學(xué)系統(tǒng)。MR教學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是建模，通過測繪整車及零部件尺寸，收集現(xiàn)有的有關(guān)新能源汽車的圖片、文字和視頻等資料，構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫。然后借助Hololens設(shè)備上的傳感器對真實(shí)世界的結(jié)構(gòu)、用戶坐標(biāo)位置及進(jìn)行交互的指令（例如手勢、聲音及視角方向等信息）等信息進(jìn)行獲取，利用Hololens設(shè)備上開發(fā)的應(yīng)用程序，構(gòu)建實(shí)時(shí)的虛擬結(jié)合的全息影像。MR教學(xué)系統(tǒng)同時(shí)具備評價(jià)功能，能對用戶的操作步驟進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合其最終解決問題的效率，給出一個(gè)分值，實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)者操作過程及結(jié)果的反饋。

2.2 基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3種教學(xué)模式

根據(jù)新能源汽車技術(shù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)了以下3種教學(xué)模式。

（1）結(jié)構(gòu)認(rèn)知。佩戴HoloLens頭顯設(shè)備后，用戶可以看見新能源汽車結(jié)構(gòu)的全息影像，可通過手勢對其進(jìn)行放大、縮小、360°旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，改變各部分結(jié)構(gòu)的透明度及顏色，從中研究新能源汽車結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系和控制關(guān)系，還可以對其進(jìn)行拆裝。模型中任意部件均可分解，生動(dòng)展示工作狀態(tài)，同時(shí)配有語音講解，輕松突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題。

（2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)中的新能源汽車進(jìn)行復(fù)合教學(xué)，同比例進(jìn)行復(fù)制，當(dāng)啟動(dòng)現(xiàn)實(shí)中的汽車時(shí)，圖像采集設(shè)備根據(jù)其采集數(shù)據(jù)的變化，對現(xiàn)實(shí)中車輛的工作狀況進(jìn)行模擬，還可對虛擬模型進(jìn)行故障檢測，獲取其故障信息，進(jìn)行零件更換，實(shí)現(xiàn)模擬排除故障。

（3）案例教學(xué)。在進(jìn)行多人教學(xué)時(shí)，教師可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的案例模型，也可現(xiàn)場進(jìn)行故障設(shè)置，此時(shí)多人可同時(shí)觀看其操作步驟。單人演練時(shí)，學(xué)生可以對模型進(jìn)行各種操作，不受他人影響。

2.3 教學(xué)實(shí)施流程

教學(xué)實(shí)施流程可分為課程引入、虛擬操作、教學(xué)評價(jià)等3個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）課程引入。采用案例引導(dǎo)式教學(xué)方法，教師設(shè)置車輛故障并向?qū)W生描述故障現(xiàn)象，學(xué)生帶著問題開始課堂的學(xué)習(xí)。

（2）虛擬實(shí)操。學(xué)生佩戴HoloLens眼鏡，通過圖像掃描方式獲取環(huán)境信息和汽車結(jié)構(gòu)模型。首先進(jìn)入結(jié)構(gòu)認(rèn)知教學(xué)模式，通過對新能源汽車的虛擬全息影像進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)、縮放和拆裝操作，以便于對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行初步的認(rèn)識。接著進(jìn)入案例教學(xué)模式，學(xué)生根據(jù)教師指令做好高壓安全防護(hù)并進(jìn)入到單人操作模式，該模式下學(xué)生可以各自獨(dú)立進(jìn)行操作。依次進(jìn)行故障分析，故障檢測，確定故障點(diǎn)，更換相應(yīng)的零部件、元器件或線路，修復(fù)車輛后驗(yàn)證故障。系統(tǒng)可設(shè)置多次操作，如故障點(diǎn)查找錯(cuò)誤，可進(jìn)行新一輪的故障排除，直到車輛功能恢復(fù)正常。

（3）教學(xué)評價(jià)。故障排除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入評價(jià)模塊，對學(xué)生的操作步驟和過程進(jìn)行評分，并反饋結(jié)果，便于學(xué)生對整個(gè)操作過程進(jìn)行反思和總結(jié)。

在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生是主體，教師起引導(dǎo)作用，大大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)論

MR教學(xué)模式將學(xué)習(xí)從傳統(tǒng)的二維屏幕和書本擴(kuò)展到整個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的教學(xué)可視空間，降低了對學(xué)生抽象空間想象能力的要求，讓枯燥的課堂理論學(xué)習(xí)變得豐富、有趣；通過和虛擬世界豐富的動(dòng)態(tài)交互，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也解決了新能源汽車高壓安全防護(hù)問題，降低了反復(fù)拆裝、測量所需的教學(xué)成本。