混合现实技术在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程中的应用

余阿东，胡荣博

（信阳职业技术学院, 河南 信阳 464000）

混合现实（Mixed Reality，MR）技术指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理实体和数字对象共存并实时互动，合成一个虚实融合世界，其中的物理实体和数字对象满足真实的三维投影关系，使用者难以分辨真实世界与虚拟世界的边界，达到一种真实世界与虚拟物体共存的状态[1]。针对混合现实全息技术的特点，在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学过程中，教师将混合现实全息技术运用到课堂中，以“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程为载体，构建新的全息教学模式，重点解决当前存在的实训设备缺乏、教学模式不适应产业发展、操作安全隐患等问题，从而更好地培养学生的职业素养和实际操作技能，以此提高新能源汽车专业人才培养质量。

1 混合现实全息技术发展现状及其在现实教学中的运用

MR 被称为混合现实，它是虚拟和物理世界的融合，以创造一个实时启用虚拟和物理对象之间交互的新环境。与VR（让用户沉浸在完全虚拟的环境）或AR（仅将数字内容覆盖在物理环境之上而不考虑其独特和不断变化的组成）不同，MR 设备不断收集周围发生的新信息。此类信息非常有助于将数字内容无缝放置在物理环境中，用户可以与之交互，MR 将虚拟和物理世界融合在一起，虚拟和物理交织在一起[2]。MR 是一个快速发展的领域，广泛应用于工业、教育培训、娱乐、地产、医疗等行业。随着人类科技的迭代发展，尤其是5G 网络和通信技术的高速发展，各行各业都将大规模应用MR技术[3]。对于职业技术教育，学习者基于MR 获得实际经验，提高了参与度和学习的有效性。对于新能源汽车技术专业教育教学，混合现实（MR）技术能够改变教育的时空结构、教学结构、资源结构，特别是对于新能源汽车技术专业的“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程，混合现实全息技术有着很实用的运用价值，能够很好地提高教学效率和质量。

对于新能源汽车技术专业的“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程，为了减少理论学习的枯燥乏味，教师利用MR 混合现实全息技术营造学习互动场景，以直观性、互动性更强的沉浸式教学环境激发学生的学习兴趣[4]。教学内容内置闯关和积分等游戏性激励机制，更大程度调动学生的主动性。灵活的模块化项目式课程内容设计满足学生的个性化学习需求，学生可根据自己对纯电动汽车整车结构的掌握情况安排学习进度[5]。MR 教学系统可自动采集并分析学生的学习行为数据，为教师备课和有针对性教学提供有力的数据支撑。鉴于纯电动汽车整车结构与拆装教学中“参与感”与“互动”对知识学习的重要性，把MR 教学过程分解为情景、观察、自主探究、示范探究、训练、融合、评价七个教学流程步骤。在MR 混合现实设计中，构造多样的问题情境、应用情境，设计难易度适宜的探究任务，引导学生通过自主探究，发现“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程学习的乐趣，体验自主获得知识、解决问题的过程[6]。同时，心智训练任务也被融入课程教学中，使得纯专业性的知识技能教学变得富有情感，实现课堂教学效果的提升。考虑到教师课堂教学水平不同的现状，MR 混合现实“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程设置了教师示范教学的任务支线，师生可以按照传统的分步讲解示范、分步模仿练习的形式开展教学活动[7]。

2 混合现实全息技术在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学中的优势分析

“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程是高职高专新能源汽车技术专业的一门重要课程，学生通常在一年级下学期学习该课程。学生首先要进行纯电动汽车整车结构理论知识的学习，传统的教学是在课堂上通过PPT 进行理论知识的教学讲解，使学生明白纯电动汽车基本组成结构：即主能源系统、电力驱动系统、协同控制系统和智能系统。其中，主能源系统由主电源和能量管理系统构成，能量管理系统是实现能源利用主电源监控、协调充电放电控制等功能的关键部件；电力驱动系统由驱动电机、集成电子电路系统、齿轮传动系统等部分组成；协同控制系统主要由集成芯片控制单元、电压变换装置、辅助电源等组成，利用纯电动汽车主电源，提供辅助电动动力来源，如辅助电源实现纯电动汽车动力转向、纯电动汽车空调调节、纯电动汽车车灯照明等功能；智能系统主要包括智能驾驶感知硬件，如独立变焦高精度超视固态激光雷达、800 万像素高清摄像头、全场景智能交互系统等[8]。通常在理论课讲解以后，再在实训车间进行实训，由于实训车间实训车辆老旧和数量较少，以及时间和空间上的限制，对实训车辆不能够进行完全拆解和组装，使得实训往往达不到理想的教学效果，无法满足教学要求，学生学习往往浮于形式，学习效果不是太理想，知识和技能没有取得实质性进步。

纯电动汽车系统组成复杂，涉及电、磁、控制、机械、流体等不同的物理域以及总体、机械、气动外形、电子电气等不同部分[9]。如何综合考核各个关键部件的电磁、结构、温升等性能？如何综合评估系统与部件的匹配性？如何在各个部分中协调设计？如何在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程给学生讲清楚这些内容？需要借助MR 混合技术帮助学生理解和掌握这方面的知识。新能源汽车动力系统均由高性能牵引电机提供扭力输出，在仿真设计和研发过程中涉及流体、结构、温度、电磁和控制等多个领域的复杂多物理场问题。新能源汽车动力电池是一个全新的部件，主要考虑到纯电动汽车行驶过程中的安全性以及使用寿命的管理[10]。这两者分别与汽车的碰撞安全性以及电池的热管理最为相关。碰撞安全性涉及电池的安全使用与否，而电池包的热管理则很大程度影响电池包的整体寿命和续航里程。新能源汽车电子设备数量众多，都有可能成为辐射干扰源或被干扰体，如电机、变流器、各种天线、ECU 等，种类繁多，频谱跨度广，且安装位置多样，整车级EMC 测试标准主要限定了车载发射器和车外辐射源工作时车辆的EMC 性能，如果将EMC 问题都压缩在整车的最后设计阶段，则设计者需要付出更多的代价[11]。在进行“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学时，这些知识是要给学生讲解清楚的。只有这样学生才能够学好纯电动汽车的相关知识，教师在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学过程中，就要借助MR 混合现实全息技术的优势来帮助学生学习，掌握这些比较难以理解的知识。

随着信息技术的发展，混合现实全息技术为“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学提供了一种问题解决工具。利用混合现实全息技术教学将全班学生带入一个全息空间，在空间内学生可以看到自己所处纯电动汽车整车结构与拆装实训真实环境，也能看到虚拟形式呈现的立体纯电动汽车整车结构与拆装实训教学内容，而师生将以全息形象呈现在教、学、练三大应用场景的教学空间内，方便教学互动，让学习高效直观，轻松掌握知识与技能。混合现实全息技术能够实现“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程本地同屏教学，这让身处同一教室内的师生均可以对方的第一视角查看教学内容，同步了解学习情况。混合现实全息技术也能够实现“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程异地同屏教学，身处异地的师生，特别是对于学生的企业导师，双方仍可以对方的第一视角查看教学内容，同步了解学习情况，满足学生对优质纯电动汽车职教教育资源的需求[12]。通过本地同屏、异地同屏等混合现实全息技术教学能够很好地实现本地师生互动、远程师生互动等教学活动，彻底打破教学的空间限制，很好地解决“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学难点，以及很好地提高学生的学习效果。

3 混合现实全息技术在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学中的应用

纯电动汽车整车结构与拆装是新能源汽车技术专业的必修课程，在实训课程教学中结合混合现实全息技术，以当前我国自主生产的市场上主流纯电动汽车的总体结构为基础，将纯电动汽车结构和原理知识融入混合现实教学情境中。基于混合现实全息技术的实训课程教学内容包括：纯电动汽车拆装安全操作方法、纯电动汽车整车控制系统结构原理与拆装、纯电动汽车动力电池系统结构原理与拆装、纯电动汽车驱动电机及控制系统结构与拆装、纯电动汽车充电系统结构原理与拆装和辅助系统结构原理与拆装、纯电动汽车高端技术解析等。混合现实全息技术可将这些复杂的结构以及技术等影像资料在虚拟现实系统设备中建造出来，为学生提供一个可重复操作的纯电动汽车三维拆装虚拟模型和环境。混合现实全息技术可同时显示表层纯电动汽车结构和深层结构，还可以对拆装结构进行360°的旋转，方便学生进行拆装观察，这些都能够很好地帮助学生快速地理解纯电动汽车拆装结构的立体关系。通过对空间三维纯电动汽车结构模型的拆装训练，学生可理解纯电动汽车相关的复杂实物结构，提高学生在纯电动汽车结构方面的专业知识。针对纯电动汽车复杂自动驾驶系统结构进行教学，混合现实全息技术可以将自动驾驶系统结构数据的虚拟空间数字图像直观地展现在学生眼前，可以让学生更直观、更生动地认识自动驾驶系统形态和特点；然后通过实际结构系统验证教学效果，提高学生在纯电动汽车自动驾驶系统知识方面的学习效果。混合现实全息技术可将不同的纯电动汽车结构个性化地展示和拆装，可根据“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程需求进行课程重建和完善，大幅提高学生学习效率。

混合现实全息技术以纯电动汽车结构为原型进行精准测绘，利用先进的实时渲染引擎与物理引擎，逼真地展现现实教学模型，直观展现纯电动汽车结构原理与拆装过程，逻辑关系科学严谨，给予学生真实体验。学生除可以在课堂上学习纯电动汽车整车结构与拆装外，也可以课后进行学习和训练，教师可以用混合现实全息技术设备作为载体，采用“微课导学”或“网上课堂”等信息化教学模式组织教学，方便给学生解答纯电动汽车整车结构与拆装方面的问题，改变传统教学方式，优化教学效果。虚拟现实技术还可用于纯电动汽车整车结构与拆装操作技能考核[13]，改变传统的试卷考核模式。学生在规定时间内对混合现实全息技术设备显示的三维纯电动汽车结构进行拆装，教师可有效地对学生操作进行考核评分。

MR 混合现实全息技术能够对纯电动汽车的锂离子电池包热管理系统进行展示，使学生很快就能够理解这些抽象的道理。电池温度均匀性问题可以分为电池模组内的均匀性和模组之间的均匀性。在电池包的热分析中，MR 混合现实全息技术在模型简化处理方面有巨大优势，电池包内部结构通常非常复杂，包含螺栓、支撑结构、铜片等，而现实实训中所需要的关键部位，如换热流道、电芯等被包裹在这些复杂的结构下，需要提取出来以便学生观察，这非常不方便。使用MR 混合现实全息技术的几何建模及修复工具则可较为快捷地对几何模型进行简化处理，并得到用于展示的模型。针对电池包还需要进行结构强度分析，比如翻转、冲击、跌落分析等。使用MR 混合现实全息技术，可快速、安全地观察电池包在各种工况中的结构表现情况。纯电动汽车电机及驱动、控制系统包括电气、电磁、热、流体、结构、噪声、控制等多物理场、多层次、集成化内容，MR 混合现实全息技术能够很清晰地展示这些内容，能够帮助学生高效探索和积累纯电动汽车学习经验，快速地掌握纯电动汽车电机和控制系统知识，快速掌握企业岗位所需知识。

4 结论

针对混合现实全息技术的优势，教师在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学过程中，将混合现实全息技术运用到课堂中，以“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程为载体，在虚拟现实系统设备中建造出纯电动汽车三维拆装模型，为学生提供一个可重复操作的虚拟纯电动汽车拆装环境，构建新的全息教学模式。混合现实全息技术在“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学中的应用最大限度地挖掘学生学习能力，帮助学校培养多元化的人才。MR 混合现实全息技术与“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程教学相结合，打造混合现实全息技术专业实训室，带来更加直观的全息教学体验。校企联动运用混合现实全息技术，让学生随时随地使用企业里的优质资源，为学校培养多元化、专业化人才。“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程全息教学授课清晰、直观，远程协作实现了校企联动，一室多用优化了资源配置。“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程MR 混合现实全息技术的到来，让学生能够更直观地感受纯电动汽车的内部结构，更深入地了解纯电动汽车及行业的知识与信息。“纯电动汽车整车结构与拆装”实训课程MR 混合现实全息技术教学授课将传统教学与先进的MR 混合现实全息技术相结合，极大地拓展教学能力，大大提升了教学质量，为汽车行业培养了更多专业化技术人才。相信在不久的将来，MR 混合现实全息技术会在汽车行业内得到更好地普及，从而推动电动汽车行业迅速发展，同时也为我国的碳中和目标做出积极的贡献。