混合现实技术应用于新能源汽车检测与维修专业教学探索

摘 要：混合现实技术在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建起交互与反馈的桥梁，将其应用于新能源汽车检测与维修教学具有多方面的优势。高职院校可运用混合现实技术开展新能源汽车检测与维修专业教学：通过建设功能完备的教学平台、构建多元化教学体系、增加校企合作深度和广度，推动教学内容和方法的深度改革，实现教育资源优化配置，促进新能源汽车检测与维修专业教学创新发展。

关键词：混合现实技术；新能源汽车；检测与维修技术

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）33-0156-04

在当今全球能源转型与科技创新的时代背景下，新能源汽车逐渐成为绿色出行的代表，极大地改变了人们的交通方式。新能源汽车快速普及对汽车检测与维修技术提出了更高要求。高职院校汽车检测与维修专业（以下简称汽修专业）传统的教学模式已难以满足高素质新能源汽修人才的培养需求。混合现实（Mixed Reality，简称MR）技术的兴起与应用，为新能源汽修专业教学带来了新的机遇。混合现实技术以其独特的沉浸式体验和高度交互性，打破了传统教学的时空限制，为学生提供更加直观、生动的学习体验。本文探讨混合现实技术应用于高职院校新能源汽修专业教学的必要性，并提出切实可行的实施策略，以期为新能源汽修专业教师提供参考和借鉴，推动新能源汽修专业教学创新发展。

一、混合现实技术的概念及研究现状

（一）混合现实技术的概念

混合现实技术是一种继虚拟现实（VR）技术和增强现实（AR）技术之后，出现的全新数字全息影像技术，它集成了VR和AR特性的前沿技术，主要通过在虚拟环境中引入真实场景信息，创造出既包含虚拟对象又包含现实世界的混合环境，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反映的信息回路。在这个环境中，用户可以通过佩戴特定的设备，如MR头戴式显示器，同时看到真实世界和由计算机生成的虚拟对象。与VR技术不同，利用混合现实技术看到的虚拟对象能够随着用户的移动和视角的变化而动态调整，使用户能够在虚拟与现实之间自由切换，获得更加真实、直观和沉浸式的体验，享受前所未有的交互乐趣。

（二）混合现实技术的发展历程及研究现状

1.混合现实技术的发展历程

20世纪60年代至80年代是混合现实技术的概念孕育阶段。20世纪60年代，计算机图形学、计算机视觉等相关技术的兴起，为混合现实技术的诞生奠定了基础。1968年，计算机科学家伊凡·苏泽兰（Ivan Sutherland）开发出了最早的VR头戴显示器设备（达摩克利斯之剑）。当时的研究主要集中在如何通过计算机生成虚拟图像，并尝试将其与现实世界进行初步的结合，为后续混合现实技术将虚拟元素与现实的结合提供了思路上的启发。20世纪90年代，AR技术开始出现，它被认为是混合现实技术的重要前身和技术萌芽。AR技术通过将虚拟信息叠加在现实世界中，让用户在现实环境的基础上看到额外的虚拟内容。如波音公司开发了用于辅助飞机制造的增强现实系统，工人能通过头戴式显示器看到飞机的虚拟装配指南，从而提高生产效率。

随着计算机技术、传感器技术的不断进步，混合现实技术在2000—2010年进入了初步发展阶段。在硬件设备方面，出现了一些较为轻便的头戴式显示器和手持设备，更好地实现了虚拟信息与现实世界的融合。同时，相关的软件算法也在不断改进，提高了虚拟元素与现实场景的匹配度和交互性。如微软公司2009年推出的Kinect体感设备，能够通过摄像头捕捉用户的动作和姿势，为混合现实技术的交互方式提供了新的可能性。2010年以后，混合现实技术进入了快速发展阶段。各大科技公司纷纷加大了对混合现实技术的研发投入，推出了一系列具有代表性的产品。如微软公司2015年开发了HoloLens（混合现实头戴式显示器），它具有独立的计算能力和高分辨率的显示屏幕，能够将虚拟物体逼真地融合到现实环境中，让用户可以通过手势、语音等方式与虚拟物体进行交互。此后，谷歌、苹果、三星等公司也相继推出了MR设备，推动了混合现实技术在消费市场的普及。同时，混合现实技术在教育、医疗、建筑、娱乐等多个领域的应用不断拓展和深入。

2.混合现实技术研究现状及未来发展趋势

当前，混合现实技术的研究现状呈现出多方面的积极态势。在技术层面，硬件显示技术朝着高分辨率、高刷新率、低延迟的方向发展，同时为提升便携性，轻薄智能眼镜等新形态设备也在探索中。在计算能力方面，高性能处理器和图形芯片得到应用，云计算和边缘计算技术也为提高计算能力提供强大支持。目前主要的MR系统由虚拟场景生成器、头盔式显示器、体现使用者视线追踪观察的头部姿态追踪装置、用户位置确认装置及将虚拟场景与真实场景对应的交互式装置组成［1］，如HoloLens2全息设备、HMD Odyssey+沉浸式设备等。这些产品不仅提升了用户体验，而且推动了混合现实技术在各个领域的广泛应用。

根据当前的发展趋势和市场需求情况，MR行业的市场在未来将保持快速增长的态势。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，混合现实技术将在娱乐、教育、医疗、工业等多个领域发挥其独特优势，为人类带来更多的便利和乐趣。特别是在教育领域，混合现实技术能够为学生提供沉浸式的学习体验，使抽象知识更加直观、生动、易懂。

二、混合现实技术应用于新能源汽修专业教学的优势分析

新能源汽修是高职院校普遍开设的专业之一，理论性与实践性较强，将具有虚实融合、实时交互特点的混合现实技术引入新能源汽修专业教学，具有多方面的应用优势，有利于提高教学质量，更好地达成新能源汽修人才培养目标。

（一）提供沉浸式的工作岗位体验

新能源汽修专业的实操性较强，通常需要在真实的工作场景中完成实践性学习。然而，许多高职院校受到资金、场地、环境等硬性条件的限制，很难向学生提供充足的实践场地与材料，学生更多是从集体授课中完成理论知识的学习和技能模仿训练，这样的教学脱离了工作场景，学习体验单一、抽象，不利于学生熟悉汽修工作的实际操作流程。研究表明，视觉、听觉和触觉等多种感官的刺激，对提高学生的学习效果和记忆能力具有明显作用。利用混合现实技术构建高度仿真的新能源汽修岗位工作环境和工作过程，不仅能让学生体验真实的岗位任务，甚至进行虚拟实践操作，克服传统教学“原理难讲解、实物难观察、任务难实施”的不足［2］，而且能为学生提供多感官的沉浸式体验，使其对学习过程形成深刻的印象。

（二）促进个性化学习

首先，MR教学系统具有强大的数据分析和评估功能，包括课堂行为分析、学生学习进度追踪、课堂纪律监控、教学评估分析等方面。教师可以利用该功能进行学情分析，如根据系统反馈的数据识别学生的个性化学习需求和难点，从而为学生量身定制学习内容以及提供个性化的学习路径。其次，MR教学系统可以根据学生的学习需求与目标生成个性化的虚拟环境，如：为新能源汽修专业的学生提供虚拟的汽修车间工作台环境，为生物学专业的学生提供微观世界的虚拟实验室，等等。这些虚拟环境较大程度保证了学生在学习过程中获得良好的学习体验。最后，MR教学系统内含丰富的交互式工具，如三维模型、虚拟实验和模拟游戏等，学生可以利用这些工具进行自主学习，按照自己的节奏探索和学习新知识。

（三）提高实训教学的安全性

新能源汽修是一项具有一定危险性的工作，主要安全隐患存在于高压电系统，维修人员操作不当就容易遭遇触电、烧伤或车辆起火等问题。MR场景是利用计算机生成的一种模拟环境，学生在虚拟环境中可以进行安全、无风险的实践操作，最大限度提高教学的安全性。例如，在电池故障维修的教学中，学生可以在MR系统中模拟设备安装、维修和故障排除等流程，避免了实际操作中可能发生的触电、电池液泄漏、烧伤等风险。此外，MR系统可以模拟各种潜在安全隐患的场景和事故场景，让学生直观地了解安全风险，并学会如何采取预防措施，增强安全意识，从而降低使用实训设备时的危险性。

三、混合现实技术融入新能源汽修专业教学的现实路径

将混合现实技术融入新能源汽修专业教学，需要提炼出行之有效的做法，不仅体现在技术层面的整合创新，而且体现在教学内容和方式的变革、教学资源的优化配置等方面。

（一）打造高仿真的模拟环境，建设功能完备的教学平台

混合现实技术应用于新能源汽修专业教学，能够构建高仿真的模拟操作环境，同时搭建功能完备、易于操作的互动教学平台。

在技术层面，首先要实地考察汽修行业对专业技能及职业素养的要求，尤其要关注模拟高压电器系统、动力系统、空调系统、转向系统、制动系统、冷却系统等部分的任务要求，利用VR全景制作技术，使用如Adobe Lightroom Classic，Photomatix，PTGui，PTGui Viewer，pano2vr，AdobePhotoshop等软件，根据需求进行实景拍摄，后期处理输出全景视频或全景图，代码实现交互逻辑输出可交互的VR内容；其次要将教学资源嵌入到混合现实技术平台上［3］，在虚拟环境中进行真实还原。例如，针对某款混合动力汽车，构建混合动力系统的高精度模型，包括发动机、电动机、电池组、DC-DC变换器、DC-AC电力电子控制单元等核心部件，让学生在虚拟环境中对这些部件进行拆解、组装和故障排查。此外，还可以模拟多种故障（如电池性能下降、电机异常振动等）场景，让学生在虚拟环境中进行诊断和修复操作，从而提高学生对新能源汽修技术的掌握程度。可见，混合现实技术的引入能够解决传统教学中资源有限、实践机会不足的问题，创建高度仿真的模拟环境，让学生在不接触实际车辆的情况下，也能够对新能源汽车的各个系统进行深入探索、反复练习和不断试错，从而不断提高解决实际问题的能力。

在平台建设方面，要打造一个功能完备、易于操作的MR教学平台。该平台划分为课程引入、虚拟操作、教学评价等教学模块，各个教学模块融入新能源汽车充电系统维修、电子控制系统维修、电机系统维修等方面的真实案例。这些案例来源于真实维修工作场景，经过精心设计和优化转化为教学内容，更加符合教学的需要。学生通过学习这些案例，接触多样化的维修情境，加深对新能源汽车维修的实际操作过程的了解，掌握各种维修技巧和方法。此外，MR教学平台上的智能助教功能，如实时反馈、评分系统、大数据分析等功能，不仅能够提高教学的互动性，而且可以为学生提供个性化的学习路径和反馈，帮助他们更好地理解和掌握所学知识。

（二）构建多元化教学体系，促进教学内容和方法的深度改革

将混合现实技术引入新能源汽修专业教学，打破了传统以讲授为主的教学模式，转而强调实践与理论相结合的沉浸式学习体验，推动多元化的教学体系形成。在教学内容层面，混合现实技术的应用实现了教学内容的动态更新与丰富。通过整合行业内的真实维修案例，为学生提供丰富且切合实际的学习内容。以某款新能源汽车电机维修教学为例，教师利用混合现实技术模拟电机异常振动的故障场景，学生佩戴MR设备后，可以清晰地观察到虚拟环境中电机的振动情况，听到真实的振动声，并通过虚拟工具进行故障排查和修复。在此过程中，学生获得了维修电机的真实体验，积累了相关实践经验。此外，在新能源汽车的构造和工艺教学中，混合现实技术可以将汽车零件、构造、工艺进行虚拟化处理，学生通过MR设备观察虚拟的汽车零件和构造，了解它们的工作原理和制造流程。教学内容的改革，不仅涵盖了新能源汽车维修的最新技术与标准，而且融入了故障排查的逻辑思考与问题解决策略，有效提升了学生的专业素养与实践能力。

在教学方法上，混合现实技术的引入推动了从单一讲授向多元化、互动化教学模式的转变。教师基于混合现实技术采用项目教学、案例教学、情境教学、模块化教学等教学方法，并灵活使用探究式、启发式、讨论式、参与式等教学方法，形成混合式教学、翻转课堂、理实一体化教学等新兴教学模式。例如，教师在新能源汽车动力电池的实训教学中采用案例教学法，引入某款新能源车辆的真实案例，其在行驶过程中曾出现续航能力不足和电池亏电的现象。教师利用混合现实技术创建了该车辆的高度仿真三维虚拟故障场景，让学生利用MR头戴式设备、VR眼镜等对电池组进行深入检测，实时查看电池组各项数据，结果发现电池外壳出现裂痕，且电池组内部存在短路故障，通过智能技术精准定位故障点，最终修复故障。教学模式的转变，不仅提升了学生的参与度与兴趣，而且促进了理论知识与实践技能的深度融合，使学生能够完成从认知到操作的顺畅衔接。此外，混合现实技术通过手势识别、语音识别等交互特点，帮助学生在混合现实环境中与虚拟对象进行实时互动，增强了学习的趣味性，并通过即时反馈机制促进学生自我反思与技能精进。如在某国产新能源汽车的充电系统教学中，学生通过手势操作虚拟的充电接口，了解充电过程的工作原理和注意事项。系统会根据学生的操作过程和结果，给予即时的反馈和评分，帮助他们及时发现并纠正错误。同时，混合现实技术还支持多用户协同学习，鼓励学生开展团队合作并进行知识共享。如在模拟汽车维修场景中，学生通过MR设备共同解决模拟中的问题，共同完成任务，进一步提升协作能力和解决问题能力。

（三）促进教育资源优化配置，增加校企合作深度和广度

校企合作能够为学生提供真实的工作环境和更多的实践机会，使他们在实践中掌握新能源汽车检测与维修的核心技能。同时，校企合作可以让企业切实参与到人才培养过程中，通过与学校统筹合作、协调发力，共同培养符合行业发展需求的人才。校企合作搭建起了学校与企业之间沟通的桥梁，将混合现实技术引入校企合作之中，为实现教育资源的优化配置和共享、培养适应市场需求的高水平汽修技术人才提供了有力保障，最终实现学校与企业的双赢。

首先，混合现实技术为校企合作提供了新的互动平台。在传统校企合作模式中，学生虽然有可能直接接触到企业的实际操作环境和真实案例，但是机会仍然比较少，导致学生实训和实习时长过短，专业技能得不到有效提升。在新能源汽修专业的MR教学中，聘请企业的骨干人员、杰出工匠等作为兼职教师，可以更好地将企业的实际案例、技术标准、操作流程等融入教学之中，最大限度还原真实工作场景，提高学生的专业学习效果。高职院校新能源汽修专业的师生与企业优秀人才的互动，还为双方的文化展示与学术交流提供了契机，增进了校企之间的互信与合作。

其次，混合现实技术促进了校企合作资源的共享与优化配置。高职院校与新能源汽车企业可以利用混合现实技术共同开发教学平台、构建课程体系和开展实训项目，实现资源的有效整合与共享。一方面，企业可以将其先进的设备、技术和案例资源引入教学之中，丰富教学内容和实践形式；另一方面，学校可以利用混合现实技术降低实训成本，提高实训效率和安全性，为企业节省培训成本和时间。这种资源共享与优化配置的模式，不仅提高了校企合作的效率和效益，而且促进了教育资源的优化配置和合理利用。

最后，混合现实技术促进了校企合作模式的创新。高职院校与企业双方可以利用混合现实技术开展远程实训、在线指导等新型合作，打破时间和空间的限制，建立更加灵活多样的校企合作模式。例如，企业利用混合现实技术进行远程故障诊断和技术支持教学，为在校学生提供实时指导和帮助；学校利用混合现实技术进行远程教学和实践指导，为企业员工提供培训和技能提升服务。这种创新合作模式拓宽了校企合作的渠道，促进了教育与产业的深度融合和协同发展。

总体而言，混合现实技术为新能源汽修教学带来了革命性的变革。高职院校新能源汽修专业利用混合现实技术实施教学，可以通过技术与内容的整合提高教学的直观性和互动性，通过平台和教学体系建设促进教学内容和方法的创新，通过校企合作持续优化教学模式，为学生提供更多实践机会和创新空间，推动专业教学的创新发展，为培养高水平汽修技术人才、推动产业升级和社会进步贡献力量。

参考文献

［1］陈晓鹏，李智军，谢丽君，等.混合现实技术与情境模拟教学的融合在新能源汽车技术专业实践教学中的应用［J］.汽车维护与修理，2024（8）：29-31.

［2］王泽禹.基于混合现实技术的非物质文化遗产保护和传承研究［J］.科技与创新，2022（19）：1-4.

［3］吴刚.基于混合现实技术的高职新能源汽车技术专业人才培养模式［J］.时代汽车，2022（9）：61-63.