VR技术在《新能源汽车结构与原理》课程中的应用研究

摘 要：文章分析了当前本科高校车辆工程专业《新能源汽车结构与原理》教学中存在的问题。探讨了VR技术在车辆工程教学中的优点，并以锂离子电池结构与原理为例进行了VR技术应用教学设计。新的教学手段可以使学生完全沉浸其中，降低了学习的难度，深度的视觉刺激可加深学生对知识的理解深度。文章的研究成果可对车辆工程教学工作起到一定推动作用，可为相关VR技术的应用开发提供参考。

关键词：VR技术 新能源汽车 教学应用

1 绪论

我国于2009年发布了《汽车产业调整和振兴规划》，新能源汽车产业开始获得财政支持，经过十几年的精心培育，获得了长足的发展。据中国汽车工业协会统计，2023年新能源乘用车全年产销量接近千万辆，渗透率已达31.6%。即使2023年底补贴全面取消，2024年开年渗透率依然保持增长。国产新能源汽车正以强劲的势头抢占着以往燃油车的市场。与此相应的是对新能源汽车专业人才的强大需求，各大高校车辆工程专业纷纷开设相关课程，或者直接设立新能源汽车专业来培养人才，以此来满足产业发展的需求。但是，当前的教学方法已经无法适应结构复杂、原理抽象的新能源汽车的教学工作。将VR技术引入新能源汽车专业教育，可以加深学生对车辆结构、原理的理解，进而提高人才培养的质量和效率。该技术的出现为工程教育提供了新的途径，使以往因诸多客观因素无法实现的现场教学成为可能[1]。

所谓VR技术即虚拟现实技术，是将电脑仿真、图像显示以及人体动作传感等技术融合，模拟出一个三维空间，使用者沉浸其中，通过智能穿戴终端让人产生视觉、听觉、触觉等方面的真实感受，同时将其肢体动作信息采集到计算机，再反馈给使用者，从而让人有一种身临其境的感觉[2]。采用VR技术将新能源汽车结构与原理进行立体化展示，让学生在高沉浸感的三维虚拟环境中学习，既可增加学习的趣味性，又可降低学习难度和实车损耗，具有广阔的应用前景[3]。

2016年被科技界定为VR技术元年，这一年VR设备才真正大规模进入消费市场，主要应用于游戏、影音、医疗、教育等领域。过去的这几年间，国内外教育工作者对其在汽车人才培养方面的应用进行了大量的研究。2017年王长亮对VR技术在汽车专业实训中的优势和应用模式进行分析和详细的阐述[4]。2019年袁敏以成都理工大学工程技术学院新能源汽车实践教学为案例，分析了实践课程中所遇到的问题，并实施了教育部协同创新项目，建设了VR智慧教学中心[5]。2020年王泽森指出新能源汽车的实训中常常存在安全隐患多、技能训练成本高、教学演示困难等问题，应用VR技术可极大程度地解决这些问题[6]。2020年付学敏指出高职院校的汽车专业因教学设备陈旧、教材落后，培养出来的人才已无法满足产业的需求。虚拟仿真技术在汽车专业教学中的应用，可将各种抽象的理论知识进行形象、直观地展示，可极大地提升学生的学习效果[7]。

上述研究多来自职业院校为解决工程实训的困难所做的努力，针对本科院校车辆工程专业的VR应用研究则很少。本科院校车辆工程专业以培养汽车设计、开发、制造人才为目标，不同于职业院校的车辆维修类专业。本科院校重理论、轻实践，在课程设置上往往缺乏实践环节，即使有也是由教师进行演示，学生无法获得真实的体验，理论学习不能与实践结合，限制了学生对知识的理解深度。新能源汽车教具也往往因为价格昂贵，且有操作风险而鲜有配备，VR技术的出现使得教学实践有了新的解决方式。所以，本文对VR技术与《新能源汽车结构与原理》课程相结合的应用模式进行探索。分析当前实践教学中存在的现实问题，提出一些解决办法，为相关虚拟应用的开发提供一些思路。

2 目前新能源汽车实践教学中存在的问题

2.1 教学成本高

新能源汽车教学设备往往都是在实车真实系统的基础上开发而来，教学设备市场容量小，价格高昂。同时，新能源汽车技术发展速度快，而高校采购的教学设备往往要使用几年甚至十几年来摊薄成本，教学设备的更新速度难以跟上产业的发展脚步，学生学到的可能是过时的技术，紧跟先进技术势必加剧学校的资金困难。教学设备一般无法支持多次拆装，尤其面对的还是首次接触设备、毫无操作经验的学生，使用损耗大。设备往往短时间之内就会出现故障，面临着繁重的维护压力，进一步推高了实训教学成本。

2.2 教学过程风险大

新能源汽车不同于传统燃油汽车，存在数百伏的高压部件，动力电池、电机控制器、驱动电机等的拆装都有着严格的操作规程，稍有不慎，就会造成触电、短路等事故，威胁着人员、设备和实训车间的安全。鉴于它的高危属性，经验欠缺的学生与其指导老师都承受着巨大的心理压力。而且，如今高校的生师比又难以做到一对一指导，分组指导时，又无法兼顾所有学生的行为。除了特有的高压风险，传统燃油车的实训风险依然存在。

2.3 设备内部不可入

本科院校车辆工程专业的《新能源汽车结构与原理》课程重在对理论知识的深刻认知，在当前的教学方式下，通过图片、视频来学习抽象的理论知识，需要学生具有极强的想象能力。而多数学生缺乏必要的兴趣，导致学习效果差，不能有效地掌握理论知识。实训时虽然很多部件都能从整车上分解，但也有些部件不便进一步分解，部件本身往往也有着复杂的内部结构，这样就使得难以观察其内部构造。例如，动力电池在设计、制造时，基于整体的结构刚度、密封等考虑，往往进行灌胶，完全无法拆解。驱动电机的拆解会破坏其安装精度和防护等级，频繁拆装会增加设备的损耗。另外，设备内部不可入也使得在实车上理解其运行原理与课堂学习时一样困难，况且新能源车运行原理中电、磁、能量等的变化肉眼看不到，电池内部的锂离子、电子等的走向看不到，对这些抽象知识的理解都需要强大的想象力，课堂和车间实物的教学效果都不甚理想。

3 采用虚拟现实技术的优点

虚拟现实技术因其沉浸性、交互性、想象性等特点在诸多领域受到广泛关注，在教学中所展现出的优点可以使新能源汽车实践教学中存在的问题得到显著的改善。

3.1 教学成本低

新能源汽车虚拟实验室的建设与真实的物理实验室设施相比，投资少、见效快，不需要购买实物系统、不需要建设大面积的车间，教学资料的更新通过升级软件即可完成。虚拟实验的进行对虚拟现实设备几乎没有损耗，可以多次、重复地进行。而且，虚拟实验不存在物理实验时的触电、起火等危险。所以，操作时无需老师从旁指导，只需按照系统提示进行学习即可，降低了对指导老师的需求。在学习时可以得到系统的全面提示，操作错误也能得到及时的纠正。系统可以全面地记录操作的过程，后续可以反复观看、学习。因此，虚拟实验是一种低成本教育工具，可以更容易地重复练习，并发展工程技能。

3.2 教学过程无风险

虚拟实验中一切操作都在电脑生成的三维立体环境中，学习者与立体影像进行交互，不接触真实部件。用醒目的颜色或者符号等标记高压，误操作会有声、光报警提示，或者通过触觉让操作者感受到触电的感觉，但不会造成实质伤害。同时，也不存在设备损坏、身体磕碰、零部件掉落砸人等物理实验中的情形。因此，虚拟实验过程没有任何人员、设备的受损风险。

3.3 结构与运行原理的可视化

在虚拟现实中，呈现在眼前的是立体影像，其提供的可视化有助于理解复杂的结构、过程和现象，因为人们普遍认为视觉信息可以更好地被感知[8]。通过VR技术对新能源汽车的结构认知主要是通过零件立体模型对整车的构造、总成以及零部件进行多角度的观察、透视来实现。对于可以提供立体可视化和沉浸感的VR技术，其主要优势是有助于理解抽象的概念，破解知识难点。对于学生，有时很难在脑海中构建复杂、抽象或看不见的物体。在这种情况下，VR技术可以通过动画、透视来进行呈现，可以从任意角度观看，可以极大地降低学习难度。工作原理的理解主要是通过将各系统工作时不可见的能量流、电流、磁场等可视化来实现的，如：车辆运行时能量的流动情况；电池充放电时锂离子、电子的移动等[6]。虽然与学习者交互的是虚拟的三维影像，不是实物，但是由于VR技术的深度沉浸感，学习者也可以获得与物理实验相近的学习效果。同时，VR技术有着很强的趣味性，学习过程自带游戏属性，可以极大地激发学生的学习兴趣。该技术的沉浸性使虚拟世界具有真实的视觉、听觉和触觉，从而再现真实环境[9]。

4 VR技术的应用案例构想-锂离子电池

《新能源汽车结构与原理》的教学效果很大程度上取决于呈现效果。当前的课堂教育中讲解锂离子电池结构与原理时，会用到如图1所示的示意性图片或相关视频。教师通过语言向学生作出相关的讲解，学生发挥想象并结合图片及教师的语言描述对结构和原理进行空间构型和理解。但是，二维的图片或视频与学生在空间上是相互独立的、缺乏互动的，理解的过程是枯燥的。同时，图片、视频往往都是原理性示意图，非真实结构建模，与真实的电池仍存在较大差距，难以激发学生的学习兴趣。现场教学往往由于真实的视觉刺激，可以极大地提升学生的学习兴趣，但由于上述的现场教学中存在的诸多困难，难以实现，且电池内部不可入。应用VR技术可以建立放大的动力电池三维立体模型，学生可置身其中，犹如处在一个大型结构中，完全沉浸其中。学生甚至可以坐在锂离子上，沿着其运动路径离开正极材料，进入电解液，穿过隔膜的微孔，最终到达负极材料。学生能够以第一视角感受充电、放电过程中锂离子、电子等的迁移过程，感受这些粒子在正负极层间的嵌入和脱出过程。在该过程中，不同锂盐正极材料的层间结构、晶体形状，隔膜微孔和负极石墨层间结构都会对学生形成深度的视觉刺激，能够多方位观察结构，对于结构和原理的理解非常有效。同时，也可以亲身感受过充、过放等异常情况下电池内部结构的劣化过程，进而建立起电池合理使用的正确意识。互动的过程既是游戏，又是学习，能充分调动学生的注意力、兴趣和情绪。可见，基于VR技术的工程教学与当前基于幻灯片的教学有着本质的不同。

5 结语

本文分析了当前本科高校车辆工程专业《新能源汽车结构与原理》教学中存在的问题。为此，研究将VR技术引入课程教学，讨论了该技术在车辆工程教学中的优点，并以锂离子电池结构与原理为例进行了VR技术应用教学设计。新的教学手段可以使学生完全沉浸其中，寓教于乐，降低了学习的难度，深度的视觉刺激加深了学生对知识的理解深度。本文的研究成果可对车辆工程教学工作起到一定推动作用，可为相关VR技术的应用开发提供参考。

基金项目：山西农业大学校级教学改革创新项目（编号：JG-202427）。

参考文献：

[1]王丽霞，陈礼辉，黄森慰，等.虚拟仿真技术（VR）在“光伏系统原理与技术”教学中的应用研究[J].电子测试，2019（18）：135-136.

[2]冯锐.虚拟现实技术在汽车行业的应用[J].专用车与零部件，2016（05）：40-42.

[3]姚艳南.虚拟现实技术在新能源纯电动汽车汽修教学培训中的应用[J].汽车工业研究，2020（1）：53-56.

[4]王长亮.VR虚拟现实在汽车专业实训教学中应用[J].现代经济信息，2017（21）：397.

[5]袁敏，王振玉，杨斌，等.基于虚拟现实技术的新能源汽车实践教学研究[J].教育现代化，2019，6（55）：275-276.

[6]王泽森，申荣卫.VR技术在新能源汽车专业教学中的应用与研究[J].职业，2020（04）：94-95.

[7]付学敏，李敏，王普，等.虚拟仿真技术在汽车维修专业实训教学中的应用探讨[J].南方农机，2020，51（09）：206.

[8]Daineko Y， Ipalakova M， Tsoy D， et al. Augmented and virtual reality for physics： Experience of Kazakhstan secondary educational institutions[J].Computer Applications in Engineering Education， 2020， 28（5）： 1220-1231.

[9]Saghafian M， Laumann K， Akhtar R S， et al. The evaluation of virtual reality fire extinguisher training[J]. Frontiers in Psychology， 2020， 11： 593466.