新能源汽车专业虚拟现实项目开发与教学应用

张健 包丕利

摘 要：根据“职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南”，从新能源汽车专业实际需求出发，提出虚拟现实项目的选择方法、虚拟现实项目团队建设方法和虚拟项目的建设思路。将开发的虚拟项目在实际教学中应用，探索实践了一条“理-虚-实”相结合的一体化教学方法。

关键词：虚拟现实 “理-虚-实” 一体化教学

1 新能源汽车维修专业现状分析

随着新能源汽车销量和保有量的持续增加，职业学校开设新能源汽车维修等相关专业越来越多；在新能源汽车维修专业建设中也出现了一些问题。

1.1 电动汽车技术方面

一是电动汽车技术相对燃油车百余年的发展来说，目前处于一种相对成熟但还在发展中的状态。这种变化和发展给教学带来了不确定性。这一点在实践教学中表现尤为明显，实训/实操的车型或实验台时效期短、淘汰率高，投入产出比不高。

二是电动汽车技术相比燃油车更加抽象。由于新能源汽车技术涉及学科领域较多，内容相比传统汽车更加抽象，因此职业院校新能源汽车专业在教学时面临诸多困难。

1.2 新能源汽车的高电压

职业学校的主要任务是培养高素质的技能人才，新能源汽车维修专业对实践教学的要求比较高。新能源汽车维修专业的实训环节，不管是从保养到维修还是从拆装到调试不可避免的要触及新能源汽车高压部分。如何在新能源汽车相关专业实训/实践环节即保证安全又保证教学效果是新能源汽车维修专业面临的另一个困难。

2 虚拟现实技术的优势

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术可以营造一个虚拟环境，操作者置身于虚拟环境并且可以与这个环境进行交互。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能。

与此同时由于虚拟的训练系统无高电压的危险、也没有零部件的损耗，因此学生可以反复练习，直至掌握操作技能。

3 虚拟现实项目的开发思路

虚拟现实项目的开发和建设是一个系统工程，需要不同专业领域的人相互配合完成。通常一个VR项目的开发需要建模团队、教师团队和软件团队共同完成，他们分工不同、相互支持。如图1所示，教师团队需要确立开发项目、撰写开发脚本，作为导演完成项目的整体规划；建模团队需要根据项目需求建立模型、制作动画；软件团队需要根据项目需求设计交互、确保项目的进行。

3.1 虚拟现实项目的选择

3.1.1 面向理论教学的虚拟项目

通过对一线教师和专业学生的调研，对教学过程中存在的难点、痛点进行分析，发现其主要表现在电动汽车工作原理部分、高压部件结构部分，如电动汽车能量流、整车热管理工作原理、动力电池结构、电机控制器结构等。

3.1.2 面向实训教学的虚拟项目

通过行业企业的调研，对新能源汽车在维护、维修等方面的实际任务进行归纳总结，提出面向实训的虚拟项目，如动力电池更换、电机控制器更换、绝缘电阻检测。

提出虚拟现实项目后要遵循以下原则进行项目筛选：

1）需要原则 筛选出的项目一定是教育教学所需要的；

2）规避原则 筛选出的项目一定是不容易通过实物完成的，如需要大场地、有危险、设备损耗严重的项目；即虚拟现实项目要解决教学中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题。

如表1是动力电池虚拟项目，所选项目都是在实际教学过程需求程度较高、面临困难较大的项目。通过虚拟项目可以有效的降低学校的投入、教学的风险性和教学难度。

4 虚拟现实项目的建设

虚拟现实项目的开发流程如图2所示。

4.1 撰写脚本

教师团队要根据实物（车辆、零部件等）进行拆装学习，确立需要进行三维建模的零部件及VR项目交互、交互方式；撰写建模需求和脚本。建模需求用于指导建模团队进行三维模型的绘制和动画设计，脚本用于指导软件团队进行UI编写。

4.2 建模

建模团队要根据建模需求进行三维模型的建立和动画设计。目前，建模软件主要有两种技术：多边形建模和数字雕刻，各有优点和缺点。其中数字雕刻比较适合生物模型，多边形建模比较适合机械、建筑的建模。因此新能源汽车专业虚拟现实项目中的模型可以选择多边形建模的方式。

在建模完成后，要进行贴图的制作；将材料、颜色和纹理添加到3D模型中，提高三维模型的质感，使不同的模型具有不同的效果。在贴图过程中为了与现实汽车实训/实验室保持一致，可以进行做旧处理，使模型更具真实感。为了营造更好的视觉效果，可以在场景中布置数字灯对模型进行打光，使得场景、3D模型更加真实。

动画是3D模型制作的另一个重要环节，在新能源汽车虚拟现实中很多地方需要用动画演示，如：电机的转动、车轮的转动、电流的流动、信号的传递等。

最后就是渲染，渲染是将场景中的所有信息（物体、材料、灯光、摄像机）结合起来产生单个或若干个的最终渲染图像的过程；渲染完成后就可以导出文件，可以是OBJ、FBX或DAE文件。

4.3 设置交互

将3D模型导入新项目（Project），导入后模型会显示在场景视图中，根据需要调整模型在场景中的位置和大小比例，使其达到预期效果。

为模型设置碰撞（在Unity中可以通过添加Collider组件实现），模拟物体之间相互碰撞的效果，从而提供更加真实的场景，使操作者感受到力量、冲击和物理反应等。为此要为物体设置质量、弹性、摩擦等属性，这些属性直接影响物体在场景中的运动状态和碰撞效；还要为物体设置碰撞形状，如正方体、球体等，通过设置碰撞形状，可以让物体之间更加贴合，并模拟出物体之间的真实碰撞情况。

为模型设置运动学特征（在Unity中可以通过添加Rigidbody组件实现），对象添加了刚体组件以后就开始接受物理力学的影响了，比如重力、空气摩擦力、碰撞产生的推力。

为场景和模型设置合适的光照和材质，使得场景和模型的显示效果更加贴近与真实环境。在场景中导入更多的三维模型，构建一个完整的虚拟环境，并实现模型间的真实交互。

VR手柄既能作为交互的输入信号（包括移动、拾取、转向等），又可以作为交互的反馈信号（通常是通过振动实现）。因此要根据脚本确定交互方式，根据交互信号的输入形式和类别确定VR手柄各按键的功能。

编写交互代码对模型进行交互控制，可以通过监听VR手柄上各个按键、触摸板的输入信号及手柄的运动信号，实现反转、移动、拾取、转动等交互。

最后将项目部署到VR设备，如Oculus、HTC Vive等，使用VR手柄实现与三维模型的直接交互操作，获取沉浸式体验。

4.4 测试与修改

部署到VR设备后，要经过若干次测试与修改才能变成一个成熟的项目。测试时通常需要软件团队、教师团队进行依次测试，要测试模型搭建是否准确、动画设置是否合理、交互手段是否合理、交互的难度是否正常、交互是否流畅等。通过测试要提出修改意见，需要注意的是在测试时往往需要一些对软件和知识了解不多甚至是一点都不了解的新人进行测试。建模团队和软件团队根据测试修改意见进行相应的修改。

在经历若干次测试与修改后，一个相对成熟的VR项目才能真正成型。

5 虚拟现实项目的教学应用

在教学过程中充分利用开发的VR项目，将其充分运用到理论教学和实践教学当中，如图3所示。

在理论教学中通过教学类VR项目增加学生课堂参与度、激发学习兴趣，并将理论知识与虚拟实物结合，为理论与实际相结合搭建桥梁。在实践教学中通过实训类VR项目增加学生动手能力，保证学生在实训之前完成从“新手”到“熟手”的转变，为实践教学提供良好的基础。

基金项目：中国交通教育研究会 2022-2024 年度教育科学研究课题“基于工学一体化教学模式省级优质专业人才培养方案研究——以新能源汽车检测与维修专业为例”（JT2022YB034）。

参考文献：

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[5]王丽梅，刘良，李国春．基于虚拟项目的动力电池技术教学改革的探索[J].教育教学论坛，2017（9）.