虚拟仿真技术在智能网联汽车环境感知系统中的教学应用

张建强 关志伟 侯海晶 杜峰

[摘           要]  发展智能网联汽车是当今汽车产业变革的必然趋势，但相关技术人才极度缺乏，严重影响了该产业的可持续发展。目前职业教育在智能网联汽车的教学方面面临着教学设备成本高、教学设备不足等问题。为了解决以上问题，在教学方面采用虚拟仿真技术应用于智能网联汽车中，该虚拟仿真教学设计在3DMAX软件环境下进行相关模型的搭建，对模型进行优化，把模型输出.FBX格式的文件导入到Unity3D软件中进行开发设计，最终完成智能网联汽车环境感知系统虚拟仿真教学的设计。

[关    键   词]  虚拟仿真;智能网联汽车;环境感知;教学应用

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2020）07-0110-03

2015年5月国务院办公厅发布的《中国制造2025》中，明确指出：2020年掌握智能辅助驾驶总体技术及各项关键技术，初步建立智能网联汽车自主研发体系及生产配套体系;通过五年时间掌握自动驾驶总体技术及各项关键技术，建立较完善的智能网联汽车自主研发体系、生产配套体系及产业群，基本完成汽车产业转型升级[1-2]。但是由于智能网联汽车设备成本高、技术难度大、技术更新快等原因，目前的职业教育跟不上智能网联汽车产业的快速发展，教学资源较少，教学方式单一，远远达不到教学要求。

以现代教育技术为支撑，采用虚拟仿真教学，结合智能网联汽车环境感知系统的教学需求，可以有效地解决教学设施不足、设备更新慢以及实训操作过程的安全性等问题。

一、虚拟仿真技术在教育建设中的应用

虚拟仿真是学科专业与信息技术深度融合的产物，具有沉浸性、交互性和构想性的特征，让人们沉浸在里面，能形成具有交互效能多维化的信息环境。近年来，在学科建设发展、国家政策驱动和信息技术的大力支持下，在虚拟仿真教学方面建设速度明显加快。在虚拟仿真教学平台建设、教学资源建设和教学队伍建设及优质资源共享等方面，各个高校开展了大量探索实践[3]。教育部2013年启动并建设了国家级虚拟仿真实验教学中心（以下称“中心”），“中心”以培养学生创新精神和全面提高实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学的改革与创新，目前已批准建设了300多个“中心”[4-5]。因此，在教學中运用虚拟仿真技术是目前教育发展的趋势之一。

二、环境感知系统虚拟仿真教学整体方案

智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与人、车、路、云端等智能信息交换共享的新型汽车，对智能网联汽车环境感知系统而言，其中的原理是利用各种各样的传感器采集周围的环境数据，获取周围信息并进行处理，从而实现像人的眼睛和耳朵一样的功能。

智能网联汽车的一些高级智能行为，如精准定位、主动避障和自适应路径选择都是以环境感知系统为基础条件的。环境感知系统在智能网联汽车里是核心关键之一，存在知识点多、理解困难、结构复杂、部分元器件易损坏等问题。教学与实际联系密切，但是由于智能网联汽车专业开设时间短，起步晚，教学资源少，参考性不高，而且智能网联汽车相关硬件设施成本高，价格贵，大部分中高职院校暂时还无法完全配备齐全这些硬件设备，导致无法满足当前职业技术教育的基本需求，不利于学生对环境感知系统相关知识点的获取，而虚拟仿真技术的建设，不受场地建设的影响，也不受环境设施的影响，而且可以反复使用，多次操作，具有交互性等特点，极大地增强了学生的学习兴趣，也有利于提高教师的教学效率。智能网联汽车环境感知多传感器的教学设计与虚拟仿真技术的融合使用主要从以下几个方面进行考虑。

1.前期做好调查，主要以智能网联汽车环境感知多传感器方面的教学设计需要达到的要求和目前教学资源的不足相结合，以解决问题为导向，根据教学的要求，对学生的能力建设方面展开全方位、多角度、无死角的知识内容设计。借助虚拟现实技术中沉浸式的代入感、三维立体的空间感和人机交互的真实感，通过“无死角”可视化地显示三维立体模型，以集“学、练、考”于一体的教学方式，给智能网联汽车专业的教学带来新的方向和活力。

2.教学内容的设计，以前期相关调查为出发点，结合各大高校的课程规划要求，达到“学与练”的教学目标。要注意内容设计的前后逻辑关系、层次要鲜明，把问题分解，逐次解决，分模块化考虑，涵盖结构认知、原理仿真展示、拆装组装等模块。再结合教师的讲解，让学生在兴趣迸发的情境下深度学习，对知识内容逐次细化，查漏补缺，提高教学效率，也让老师省时、省力和省心。

三、智能网联汽车虚拟仿真教学的整体设计

智能网联汽车虚拟仿真教学的主要功能是通过教师的指导，学生对虚拟仿真环境下的智能网联汽车进行操作控制，进而掌握相关知识，达到认知和熟练操作的目的。本教学采用的仿真模型是某智能网联汽车，其搭载着激光雷达、毫米波雷达等主要装置，虚拟仿真教学系统由虚拟道路场景环境系统和控件系统组成，学生通过鼠标点击相关的操作控件按钮，使其更加真实，增强学生的学习兴趣，提高教学效果。

智能网联汽车虚拟仿真教学设计按照教学用的智能网联汽车的实际尺寸用3DMAX 软件1∶1进行建模，输出.FBX格式模型，然后对其仿真的环境进行渲染，让其仿真的环境更有真实性。然后将其建好的模型导入到Unity3D中，根据教学要求，增加相关的组件，实现相关的功能要求。

（一）虚拟仿真教学的需求调研

智能网联汽车仿真教学的设计要以学校的教学、学生的学习为出发点，一切以学生和教师的需求为向导，真正做到为教师教学而建，为学生学习而设计。编制调查问卷，了解各个高校的智能网联汽车相关专业的条件建设需求、软硬件建设需求，认识到以此为出发点，总结目前高校在教学设计方面遇到的问题和困难，为接下来的教学设计提供参考和建议。

本次调研主要是面向天津市、济南市部分中高职院校，主要是问卷调查以及与部分汽车相关教师、学生面对面交流方式，问卷调查采用线上和线下方式。线上发放40份，有效问卷35份，问卷有效率为87.5%;线下发放40份，有效问卷38份，问卷有效率为95%。调查内容主要是学生的接受程度，教师和学生期望达到的效果，教学效果，学生和教师的评价等方面。通过本次调查问卷和师生交谈，收集有效信息进行汇总，得出相关结论。此教学方式在学生和教师中的受欢迎程度较高，具有很强的新颖性，能够极大地提高学生的学习兴趣，也能够提高教学效率。

（二）智能网联汽车仿真环境设计

本次仿真设计采用Unity3D引擎进行开发设计，具备可视化的设计环境，可视化脚本编辑语言，具有高度的友好界面、整合性高、功能强大、修改容易等特点。开发者只需要将集成的功能模块用连线的方式，通过逻辑关系将模块连接，即可快速创建所铸脚本功能，非常适合非编程人员与项目制作使用。本次仿真设计采用C#脚本编程语言进行编程，方便快捷。仿真环境开发流程如图1所示。

（三）激光雷达模型设计

Unity3D软件不适合构建复杂的几何体，3DMAX建模软件能够方便地设计具有复杂功能的物体图形，分建筑类和机械类，选择适合的类别进行模型的搭建，实现的效果是点击雷达的控件，模型弹出爆炸图，并一一展示各部件的名称和内容，点击模型展示其效果和说明，其他控件包括工作原理、工作流程等，效果如圖2所示。

四、虚拟仿真教学设计的效果和评价

采用问卷调查法，通过对学生的问卷调查，了解其应用的效果，接受学生的建议，发现不足，为进一步研究和改进提供有效的参考和建议。本次调查问卷主要涉及以下几个方面：（1）学生对本虚拟仿真教学设计的接受程度;（2）学生对本虚拟仿真教学设计的建议和意见;（3）学生知识掌握程度;（4）遇到问题，学生寻求解决办法。

问卷调查以线上和线下同时展开进行，线上以微信的形式发送给高校的学生，要求在一定时间内完成问卷，超过规定时间按无效卷处理;线下则主要是以书面的形式发放给学生，采用当面发放、当面回收的方式。关于本次问卷，最终情况分析：线上发放40份，有效问卷35份，问卷有效率为87.5%;线下发放40份，有效问卷38份，问卷有效率为95%。对问卷的主要问题进行分析如下。

根据调查分析，有89%的同学喜欢利用本次虚拟仿真设计进行学习，对其中线上线下部分学生随机进行反馈调查，随机发放问卷36份，其中有效问卷33份，问卷有效率为91.7%。如图3受欢迎程度调查。

在学生知识掌握程度方面，学生的知识可接受程度较高，有78%的学生感觉学习效率会有显著的提升。（如图4学生掌握知识程度反馈图）

运用此平台进行学习后，学生在学习中遇到问题，有83%的学生选择重复使用此平台进行学习，吸引度较强。（如图5知识还未完全掌握，学生寻求解决办法）

对问卷进行分析，总结出以下几个方面：

1.本次设计的智能网联汽车虚拟仿真教学设计，极大的新颖性是吸引学生兴趣最关键的因素，在调查的学生情况中，有超过85%的学生对虚拟仿真有了认识。学生的认识程度有了大幅度提升。

2.交互性，本次智能网联汽车虚拟仿真教学设计具有交互性，是本次教学设计的一大“亮点”，实时互动，学生如同在真实操作一般，极大地增强了现实感，让学生在学习的过程中达到知识的深入和细化，不再是教师上课时，学生脑海中只有空泛的想象，学生可以全方位学习，多角度分析，极大地提高了教学效率。

本次设计的智能网联汽车虚拟仿真教学设计，学生要求再增加一些虚拟仿真动手环节，学生的动手环节是学生掌握知识的关键，是理论联系实际的最有效途径。增加动手环节有利于培养学生动手动脑能力的提升。此外，学生还希望能够增加一些有关激光雷达工作的视频，想了解感知环境系统在实际运用过程中的效果是怎样的，真实的场景可以增强学生的认知感，有助于学生掌握和理解相关知识，增强学习兴趣。因此，本次智能网联汽车虚拟仿真教学设计将根据实际情况，进一步增加虚拟仿真动手操作环节，增强学生动手动脑能力，增加一些真实视频，增强学生的理解能力。

五、结论

该虚拟仿真技术在教学中的应用，解决了传统教学与实际应用联系不全面的问题，也解决了大部分中高职院校由于各种原因不能够购买足够的智能网联汽车相关器材用于真实教学的问题，而且能够使得学习者快速地掌握相关的示教操作，可多次操作，多次练习，学生的兴趣大大提高，降低了高校的教学成本，提高教学效果，也有利于提升学生的学习实践能力。

参考文献：

[1]《中国公路学报》编辑部.中国汽车工程学术研究综述·2017[J].中国公路学报，2017，30（6）：1-197.

[2]袁也，关志伟，侯海晶，等.基于智能网联汽车环境感知系统的教学微课开发研究[J].教育现代化，2019，6（19）：176-181.

[3]王淑嫱，贺行洋，邹贻权，等.土建类虚拟仿真实验教学资源持续建设与实践[J].高等建筑教育，2018，27（5）：159-165.

[4]徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014（8）.

[5]蒿丽萍.虚拟仿真实训教学保障机制及评价机制研究[J].内蒙古电大学刊，2018（6）：88-92，102.

◎编辑 武生智