新能源汽车虚拟仿真基地建设 实训解决方案

一、建设思路

（一）AR虚拟仿真实训教室需求

（二）AR虚拟仿真课程体系需求

（三）AR虚拟仿真资源共享需求

二、建设目标

（一）借鉴现代化科技充实教学方法

（二）创新教学模式

（三）完善汽车实训体系

（四）加强师资队伍建设

三、建设原则

（一）科技引领，虚实结合

（二）育训结合，教学创新

（三）科学管理，规范考核

四、建设内容

4.1 教学场所整体设计，建设虚拟仿真实训中心

4.1.1 虚拟展示体验区

4.1.2 智慧教学实训区

4.2 VR虚拟仿真教学课程资源中心建设

4.2.1 虚拟仿真系统建设规划

4.2.2 虚仿资源委托开发规划

4.2.3 虚仿资源合作共建规划

4.3 虚拟仿真实训设施设备建设

4.3.1 VR一体机

4.3.2 沉浸式偏振LED大屏

4.3.3 MR眼镜

4.3.4 桌面级虚拟现实操作一体机

4.3.5 高性能电脑

4.3.5 移动终端

4.4 应用创新，探索职业教育虚拟仿真教学改革的新模式

4.5 共建共享，健全虚拟仿真基地建设运行产教融合机制

4.6 教师发展，创设载体提升师生的虚拟仿真信息化素养

五、预期成效

（一）建成示范性虚拟仿真实训基地

（二）打造一流的VR+专业虚仿资源课程

（三）提高学院教师信息化水平

（四）提高专业人才培养质量

（五）建成科学规范的教学评价体系

（六）为后期其它专业仿真实训打下基础

六、进度计划

教学场所整体设计，建设虚拟仿真实训中心

立足专业与专业融合、空间和资源融合、课程与实训融合，深化教育 教学、创新创业和展示体验、社会服务四大功能，本着虚拟现实仿真技术 的教学应用和推广，包括虚拟展示体验区、智慧教学实训区和虚拟协同创新区， 致力打造区域内技术领先、资源丰富、示范辐射的虚拟仿真实训示范中心。

4.1.1 虚拟展示体验区 

1、体验区功能

以 AR/VR/MR 等技术手段为支撑，通过多种形态 AR/VR/MR 设备，展示虚拟现实技术在机械产品设计与制造及教育教学中的应用，重点展示新能源汽车汽修操作的教学资源，并面向社会开放参观及培训，扩大基地影响，塑造基地品牌。

 2、体验区功能模块

MR互动展示体验：MR混合现实互动平台结合时下前沿科技，利用 VR、AR、人机交互、三维数字等多种技术手段实现用户沉浸式体验，以教学演练、方案设计、展览展示为核心价值，提供虚拟教学、仿真演练、机械模型原理体验展示等。

沉浸式 AR、VR 教学体验：基于沉浸式虚拟现实技术，戴上头盔可在虚拟环境中通过虚拟示教器或者通过手柄拖拽的方式直接完成汽车的拆装、排故、检修等操作演示，如新能源汽车拆装相关体验训练。

 4.1.2 智慧教学实训区

1.实训区定位

智慧实训教学区配以整套虚拟仿真实训设备，主要以开展学生虚拟仿真实训为主。运用先进的 AR技术，创新立体化教学，沉浸式、分组 8组、交互式实训，以提升教学实训效果。

2.实训区功能

智慧教学实训区分为大屏实训部分和平板实训部分布局建设，可以根据教学内容要求不同部署对应的虚拟仿真教学软件。智慧教学实训区平面布局图如图所示。

 实训区以新技术（AR/VR 等）为手段， 以“教-学-做-创-用”为核心理念，通过“实践教学（智慧教学课堂）— —仿真实训（虚拟汽修，通过 XR 多形态-VR、AR）——新技术（XR/AI+） 赋能专业（群）建设”的方式，打造智慧智能的教学实训空间，实现跨硬件、跨区域、跨教室、跨专业、跨课程的虚拟实训教学的引领。 实训区可实现理实一体化教学、协作式学习、情景式学习等多种形态 教学，主要以汽修专业群教学实训为主，并可推广到其他相关专业。

4.2 AR+VR虚拟仿真教学课程资源中心建设

4.2.1 虚拟仿真系统建设规划

1、变革传统实训方式

运用虚拟现实技术，突破传统教学方式的局限，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间通过计算机自由地选择适合的学习训练内容，按照适合于自己的方式和速度进行学习。这种探索性的学习模拟训练有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，增强学习体验，加强学习效果，从而提高学习者的动力。虚拟环境极大程度扩展了实训时间和内容，减少了实际实训的耗材及实训环节中的危险性。

2、丰富课堂教学内容

利用虚拟现实技术可丰富教学内容，将技能训练搬到课堂中进行。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不易直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术制作各种仿真课件创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟操作，从而极大丰富课堂的教学内容。

3、提升学生学习效果

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、感知性，操作者能够进行友好人机交互，真实感受互动的实验过程，身临其境地进行操作，满足学生全方位实训需求，还可以为学生开创全新的沉浸式学习情景、吸引学生浓厚的兴趣，调动学生积极性，为教师提供崭新的教学手段、丰富课堂教学内容，激发了学生学习兴趣、提升了教师教学效果。

4、节约教育成本

虚拟各种设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实训中心中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实训设备。可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下，解决在教学中因为实训设备、实训场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实训，虚拟训练又可避免实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。

本项目以吉利帝豪EV450和迈腾B8的车型为基础开发虚拟仿真软件系统，系统适配PC、HTC头盔、MR眼镜以及桌面操作一体机，以下以VR版本为例，详细介绍了现有软件结构及内容，具体开发内容需与校方做详细沟通后确认。

1．新能源汽车结构与原理VR课堂

（1）场景内自由移动

模块场景中出现需要教学的车辆部件模型，此时，用户可以在场景中移动，从各方向上进行观察

 有的模块中，同时存在多种模型，用户可以通过按下手柄上的“切换模型”按键切换场景中的模型，分别进行观察，效果如下列图所示。（2）文字及语音描述

每个模块都自带讲解，在进入模块时在虚拟教室的大屏幕显示对应文字。同时，场景中开始播放文字对应的语音，效果如下图所示。

 （3）二维资源观看与交互

射线对准大屏幕右方的功能区交互资源按钮，扣下扳机，大屏幕上显示模块对应的二维资源，二维资源同样可通过射线与扳机进行交互，如下列图所示。

  （4）射线零件介绍

用手柄前的虚拟射线指向模型中的各零件，可以交互的零件会在零件上方显示该零件名称，大屏幕显示零件名称及零件文字描述，此时，扣下扳机将锁定该零件，锁定状态下，大屏幕文字不会随着射线移动到其他零件而改变，同时场景内播放该零件文字的对应语音，如下列图所示。

 （5）标签零件介绍

部分课件中，系统使用了固定的标签和引线，将零件或总成的名字标注出来，用户通过标签来识别模型结构，标签和引线的课件一般辅以固定的操作面板来进一步解释总成或零件的原理和作用等。功能示意图如下两图所示。

 （6）模型分解与细节观察

在包含爆炸分解功能(手柄“爆炸分解”按键亮起的)的模块中，按下“爆炸分解”，场景中可以分解的模型将拆分为各零件

分解后的零件可以用手柄触碰，触碰到零件后按住扳机可以将零件拿在手中，并转换角度进行细节观察，被触碰或拿起的零件，其名称显示在零件上方和大屏幕上，同时，大屏幕将显示该零件的文字介绍，如下图所示。

 （7）三维动画展示

在包含动画播放功能(手柄“动画播放”按键亮起的)的模块中，按下“动画展示”按键或射线指向固定操作面板确定后，开始播放三维动画，如下两图所示。

 （8）单元评测

射线指向大屏幕单元评测按钮扣下扳机，将进入单元评测，用射线与大屏幕上的试题交互，完成模块对应的练习，可以帮助用户巩固模块中学到的知识

 2．汽车结构与原理VR课堂

软件具有通过手柄操作拾取零件或指向零件显示部件名称、部件功能讲解、看板说明进行零部件学习，通过手柄操作，将模型分解展示内部结构或播放三维动画，演示汽车零部件工作原理或工作过程 

在零部件功能讲解的功能中，除了投影显示文字说明外，软件还可以同时播放相应的语音，在观察模型的过程中也可以不看文字学习汽车知识。

软件还包含二维资源展示功能，可以在虚拟教室中的投影上展示课件相关的文字、图片、二维动画资源，二维动画资源支持Flash和Html5格式。 

软件还包含课堂测评功能，测评具备多媒体形式的选择、判断、排序、匹配、识图等测评内容，测评完成后会自动进行评判、回顾。在完成课件学习后马上开始测评可以更好地巩固学习效果。

软件模型和零件数丰富，可达20000个以上。

软件虚拟环境中具有虚拟的专业汽修教学教室，其内部包含虚拟投影、虚拟教具、虚拟屏幕、虚拟看板等，这些元素可在虚拟环境中进行交互。

软件符合《发动机构造》课程教学内容，包含了课程的基础、拓展知识点。

软件各模块将漫游、爆炸、动画、缩放、拾取、模型切换等功能进行组合，满足课件的具体需求。

软件中模型按照实际车辆制作，各总成与零部件结构与实际结构一致，装配关系正确，零部件结构完整，能体现零部件内部的空、槽、道等特点，整车电器及线束按照实车布局。

软件中包括多台虚拟整车底盘模型（至少含新能源汽车底盘、越野车模型、乘用车底盘各一台），多台虚拟发动机整机模型（包含自然吸气发动机、增压发动机、直喷发动机、非直喷发动机、传统柴油机、电控柴油机整机）。

授课模块如下：

（1）汽车底盘模块：（整车底盘、汽车动力传动方向、膜片弹簧离合器组成、带扭转减振器的离合器从动盘、五档手动变速器、变速器传动路线、直接操纵式变速器操纵机构、锁环式惯性同步器、锁销式惯性同步器、链条传动全时四驱分动器、分动器的换档过程、液力自动变速器的基本组成、液力变矩器组成、双离合自动变速器组成、万向传动装置、转向驱动桥中的球笼式万向节、驱动桥的类型、单级主减速器及差速器、差速器的工作原理、齿轮式差速器的主要类型、托森差速器、四驱越野车车架、转向驱动桥、车轮与轮胎、悬架的主要类型、多轴汽车中后桥平衡悬架、螺旋弹簧非独立悬架、麦弗逊式独立悬架、多连杆式独立悬架、液力减振器、双向作用筒式减振器工作原理、转向系统组成、液压式整体转向器、电动助力转向器、制动系统、浮钳盘式制动器、乘用车白车身、车身强度、汽车外饰、车门总成、外滑式电动天窗）

（2）汽车发动机模块：（汽车的主要外观参数、汽车的主要性能参数、往复活塞式发动机常用术语、四行程汽油机工作原理、汽油发动机内部构造、水平对置式发动机、典型柴油机外部构造、机体组的组成、气缸体结构类型、气缸体的结构、油底壳装配体、曲柄连杆机构、活塞连杆组、活塞类型与结构、曲轴飞轮组、齿轮传动配气机构、齿形带传动配气机构、链条传动配气机构、电控汽油喷射系统布置、汽油机空气供给系统、可变进气管、直喷汽油机燃油系统、采用电控共轨系统的柴油机、冷却系统组成、采用电控风扇的散热器、润滑系统的基本组成、增压的主要类型），

（3）汽车电器模块：（全车电器、越野车全车电器、车载空调系统、电动倒车镜、风窗洗涤系统、汽车安全气囊、电动调节座椅、汽车前照灯、点火系统、免维护蓄电池、发电机、起动系统、起动机、新能源汽车机舱布置、新能源汽车底盘）

3．汽车结构与拆装VR（可选配新能源汽车、传统汽车、混合动力汽车）

3.1项目分析

汽车结构与拆装是一个汽车知识学习模块，根据课本内容及各届国赛考核，设计汽车拆装的模块。在虚拟工间内既能够通过沉浸式学习汽车整体结构，还可以近距离观察检测维修操作流程。在VR中实现场景中可以自由行走、拾取零件、选择工具、根据UI面板操作提示，进行相应的实训操作。实现多人协同交互观看学习，共享学习。多人操作，强化实训。可让汽车专业学生对汽车结构原理相关知识内容获得感性的认识，以提升对专业的认同度。然而由于真实工间及车辆的建设存在购买车辆数量大、占用实训场地大、学校投入成本高、难度高、风险高、实施难、观摩难、再现难的“三高三难”问题，通过虚拟现实仿真技术可以得到较为有效的解决。

3.2项目开发

该系统可适配头戴式VR头盔/桌面式VR设备/PC机使用，系统由分组训练模式、练习评测模式、考核评测模式组成，具备创建房间、房间管理以及评测考核成绩记录功能；系统可以同时支持50人以上多人协同操作需求，满足不同教学目标。