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摘要：汽车电控发动机课程是汽车运用与维修技术专业重要的专业课程之一。汽车新技术的迅猛发展，给专业课教学带来严峻挑战。为了有效激发学生获取专业知识和技能的兴趣，实现教学与时俱进，我们尝试将(MR)混合现实技术应用于汽车电控发动机课程教学，在开发教学资源，设计教学环节，解决资源困惑，提高教学效率等方面进行了有益的探索。
关键词：MR技术；电控发动机；教学设计
Teaching Exploration of Electronic Control Engine Based on MR Technology
NIU Qingming,ZHU Liangwu,DENG Shengyin,LI Wenming(Lanzhou Polytechnic Secondary Vocational School,Lanzhou Gansu 730087)
【Abstract】：The course of automobile electronic control engine is one of the important professional courses of automobile application and maintenance technology.The rapid development of new automobile technology brings severe challenges to the teaching of specialized courses.In order to effectively stimulate students'interest in acquiring professional knowledge and skills,and to keep pace with the times of teaching,we try to apply(MR)mixed reality technology to the course teaching of automotive electronic control engine,and make a beneficial exploration in the development of teaching resources,design teaching links,solve resource confusion,improve teaching efficiency and other aspects.
【Key words】：MR technology;electronic control engine;teaching design
1汽车电控发动机传统教学中存在问题分析
1.1理论和实践教学过程难以有效融合
汽车维修专业需要培养学生具有实用够用的专业理论知识和实践技能。学生普遍文化知识基础不扎实，基本素质偏低，专业理论知识对学生而言偏难。电控发动机引入的电子控制系统，在老师讲授过程中，学生基础知识衔接不上、理解不透，导致不爱听讲、甚至排斥听课；实践教学环节中，学生按照老师讲解的操作步骤机械式操作，独立思考主动性不够，分析问题和解决问题能力不足，动手能力差。理论理解不了，实践操作的新鲜感短时间消失，学习积极性消退。针对上述问题，汽车维修专业老师普遍认为，一体化教室的不完善和教学模式的落后，导致理论和实践教学过程不能够充分融合，无法提高学生的学习兴趣。
1.2实训教学环境无法保证教学效果
汽车技术的发展日新月异，然而职业院校教学实训设备在技术性能上总是受各方面的限制而更新滞后，实训教学能力难以与时俱进，实训教学的效果显而易见。笔者依据多年的实践教学过程，总结了实训教学环节仍存在的以下问题：
(1)汽车维修专业学生人数多，实训项目多，班大实训老师少。因此，实训老师很难应付一对多教学。同时课堂教学时间有限，实训车辆设备和工位配置少，实训内容难以全面覆盖,达不到实训教学要求。
(2)实训教学设备的操作存在一定的安全隐患。近几年随着汽车电控技术和新能源电动技术的发展，有大量的高压电实训设备投入使用，实训教学存在巨大的风险，容易造成老师的身心疲惫和教学兴趣的不足，无疑降低了教学效果，实训工作难以有效开展，实训设备不能充分发挥作用。
(3)实训车间学生常年实训，且每年举办各类技能大赛。因此，每学年都需要投入大量资金，用于购置实训耗材和设备保养维修。一旦费用不足，材料不到位，设备不能正常维护，实训教学过程只能是走马观花，并影响整体教学环境。
(4)仿真实训效果有局限性。汽车实训教学引入仿真软件，主要应用方式为在电脑上利用仿真实训软件进行汽车实操训练。这种方式的优点是实现一对多指导，学生实训参与全覆盖，也无安全隐患。学生经过仿真操作的反复训练，很快熟练了操作流程。可一旦接触到实际实训设备时仍表现出手足无措，操作过程生硬。可见，仿真软件无法达到良好的实训效果。
2 MR技术在汽车电控发动机教学中的应用
2.1应用MR技术进行教学资源开发
运用MR技术，通过虚拟与现实的有机结合，突出课程核心实训内容模块化设计，并按操作流程进行实训，高效地解决了实训教学的困难和担忧。通过MR技术，学生能够更直观地感受汽车的内部结构,更深入地了解汽车检测与维修的相关内容，学生在掌握了理论知识后，可以安全高效地开展实践操作。同时，MR技术的混合式教学模式，增添了云大学趣味化学习地图设计，将游戏的场景融入到学习环境中，根据学生的能力发展路径设计专业技能学习计划，在学习计划中对每一项学习任务设置闯关挑战内容，成功闯关后进行奖励。这种游戏化渗入课程教学的模式，可有效激发学生的学习热情，提高学习效率。
为了全面提升汽车维修专业理实一体化教学质量，我校积极筹措资金，利用企业提供的MR软硬件设备，率先以实训教学难度较大的汽车电控发动机为创新案例课程，通过一系列教学模块，将传统教学与MR技术相结合，建设混合现实全息专业实训室，极大地拓展教学能力。通过MR技术的应用，学生在实训过程中既可以对汽车电控发动机外部结构全维度掌握，又可以按系统对其内部结构分层次分解和组装。同时，各系统工作原理的动态化，检测手段和检测过程的游戏化，使原本枯燥的教学内容和教学环节变得丰富多彩，趣味无穷。具体措施是：以实车科鲁兹电控发动机为载体，我们运用3D Max软件三维建模出汽车的电子控制空气供给系统、电子控制燃油喷射系统、电子控制点火系统等三维仿真模型，然后在Unity引擎中将这些三维模型标上真实的贴图和材质，最后依据教学模块的逻辑顺序在Unity引擎中编写C#脚本程序。为了实现MR虚实结合的人机交互，我们采用接入硬件MR设备的SDK的API，通过这些高层API的使用，可以直接进行与设备底层数据交互的目的。在实际MR技术的汽车电控发动机教学软件设计中，做了以下几点技术创新：
(1)输入系统设备的交互技术多兼容。本系统通过调用SDK的Module_InputSystem模块中的手势识别交互以及蓝牙手柄交互，在软件设计中我们采用采用状态机设计模式进行条件判断来执行相对应的操作。渲染模式上运用Shaderlab语言编写Shader，使展示汽车三维模型能够自由切换显示方式。
(2)基于视觉的跟踪定位(SLAM)的图像采集技术运用以及数据分析。本系统通过调用SDK中Module_ Slam模块来实现三维数据的即时定位以及跟踪技术，数据处理上，采用MVC模块框架，将数据与视图进行分离。采用单例模式来保证三维模型数据处理的唯一性，其中部分数据根据MR设备的SN码和字母表进行双重加密，确保数据的安全性。
2.2应用MR技术进行教学方案设计
学校MR建设方案针对电控发动机专业特点设计，并根据对口企业岗位的实际生产需要，利用MR系统各环节进行科学设计，突出典型工作任务，增强学习任务的层次感和有效性，确保每个项目从任务建立到课堂实施、训练、考核评价、教学能力展示，都能满足科鲁兹电控发动机MR教学技能学习的要求。
通过广泛开展汽车维修行业人才需求调研，对职业院校毕业生进行岗位需求、岗位类型、任职能力需求分析，结合学情分析，制定教学目标，设置课程内容，确定典型工作任务，形成汽车维修专业电控发动机课程教学设计方案，并依此开展典型工作任务分析、课程体系构建及课程开发等工作。在汽车电控发动机教学设计中利用虚拟现实技术将沉浸式教学环境融入到传统教学环境，通过教育辅助可视化工具，为学生提供一个具有触觉、视觉、听觉等多方面感官体验的教学模式。教学设计以科鲁兹发动机实际工作过程为基础，在实践技能操作课程中应用MR技术，让密封环境中的高温高压发动机内部工作实况，直观展示在学生面前，学生可观察到发动机内部动态状况，相比传统发动机工作过程学习更加具体，对发动机的认知更加明确。
建模是MR教学系统最重要的基础环节，需要根据教学内容进行文字、表格、图片、动画、微课、视频等资料的收集，为模型数据库的构建提供技术保障[1]。学校汽车工程部老师依据中职汽车运用与维修专业教学课程和理实一体化教学方案，结合MR教学软件，采用混合式教学法，以“导情景”“抓过程”“会分析”“能使用”四大步骤整体设计教学内容，全面制定教学计划，设计教学实施过程。为了保证MR教学系统的顺利实施，专业老师协同企业软件工程师进行分工并制定工作步骤如下：总体部署—教学资源包设计—MR教学系统制作技术保障—教学评价与反思。
分工的目的是让每位成员都参与其中，特别是讲授《汽车电控发动机》课程的老师更是参与其中。大家共同在MR技术平台上，将《汽车电控发动机》课程的各系统设计模块化实训内容，建立典型工作任务示范教学库、学生实训与考核模块及教学效果评价任务，并多渠道多层次专家论证，不断改进和完善教学设计，为今后其他课程的MR技术教学研究打好基础。
2.3教学资源包设计
教学资源包必须保证提供的资料满足MR技术实现虚拟与现实深度融合的需要，为此教学设计应做好以下工作：
2.3.1设置教学模块
根据汽车电控发动机的教学标准要求，以学校现有的教学汽车科鲁兹电控发动机设置教学模块如下：
(1)发动机结构认知模块；
(2)发动机工作原理模块；
(3)燃油供给系统油压测试诊断模块；
(4)燃油泵控制电路测试诊断模块；
(5)空气供给系统维护和故障诊断模块；
(6)几种传感器检测方法模块；
(7)喷油器及其控制电路检测模块；
(8)ECU控制点火系统测试诊断模块；
(9)怠速控制系统测试诊断模块；
(10)电控系统电源电路测试诊断模块；
(11)发动机电动风扇检查诊断模块。
2.3.2确立典型教学任务，编制教案
针对每个教学模块，确立教学任务点和教学方法，编制教案。教案应充分发挥学校现有教学资源库和校企合作企业资源优势，力求内容丰富、实践性强、教学灵活、教学方法多样，并能激发学生学习兴趣。
2.3.3教学资料的收集和汇编
按照MR教学模式的需要，通过正常授课、教学能力展示、实践教学指导、教学考核评价、各级技能大赛、校企合作实践、新技术培训和研发、课题研究等收集整理项目相关文档资料，包括文字、表格、图片、动画、微课、视频、设备实物等内容，并根据教学模块的要求整理汇编，力求各项资料清晰、完整、准确且具有先进性和代表性。
2.3.4建立模块化教学资料包
按照MR教学模式中的“学习模式”“练习模式”“评分模式”要求，为每个模式渗入教学模块，将汇编后的教学资料分类配置，建立模块化教学资料包。
2.4 MR技术教学系统制作技术保障
MR教学系统的制作需校企双方携手同行、相互沟通，力求内容实效、过程新颖、效果完美。此项工作由专业老师和企业工程师共同承担。专业老师按教学模块为MR教学系统提供科鲁兹电控发动机教学资料包；企业工程师按照MR软件的应用方法，运用教学资料包制作学生信息录入系统、“学习模式”系统、“练习模式”系统、“评分模式”系统，完成教学软件的制作。
2.5教学评价与反思
MR教学系统制作完毕后，教学部积极组织MR技术专家、企业工程师、专业老师和学生代表，依据MR技术虚实融合、深度互动、实现异时空场景共存的特性，模拟学习全过程，进行动态监测和评价，分析软件在本课程教学中的应用状况和存在的不足，整理还需解决的问题，进一步完善软件应用功能。
3结语
MR混合现实技术通过现实世界和虚拟世界的有效融合，创建新的可视环境。在汽车维修理实一体化教学中，该技术通过学习内容模块化设计、3D建模、教学场景构建，结合较强的计算机设计能力，创设了具有虚实融合、深度互动、实现异时空场景共存特征的MR技术教学软件和教学模式，解决了职业院校设备材料损耗大、实训操作中安全隐患多、学生学习积极性不高等诸多困惑。同时MR技术的应用应按需配置、合理使用，避免造成教学资源的浪费。
参考文献
[1]李景虎.混合现实技术在轨道交通全自动线路运营中的应用探讨[J].隧道与轨道交通,2021(S1):66-69.
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