基于汽車計算平臺的新能源汽車專業(yè)教學(xué)模式探究

李步照 袁菁蕓 強(qiáng)愛民

摘 要：遵循職業(yè)能力成長規(guī)律，設(shè)計出在安全電壓下教授新能源汽車?yán)碚摵图夹g(shù)的遞進(jìn)式教學(xué)模式。在整個教學(xué)過程中，教師由教到導(dǎo)，學(xué)生由學(xué)到做，學(xué)生在做中學(xué)，教師在做中教。

關(guān)鍵詞：汽車計算平臺 新能源汽車 實踐教學(xué)模式

課 題：本文系揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)2018年校級教改課題（一般課題A類）《新能源汽車能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)項目化全套教學(xué)資源建設(shè)》（2018JGA03）、揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)校級重點(diǎn)科研項目《純電動汽車電子控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)》（2018GT04）、揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊專項（KYCXTD201904）、揚(yáng)州市市校合作專項（YZ2019131）研究成果。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和汽車技術(shù)發(fā)展的日新月異，“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、平臺化”已成為未來汽車技術(shù)的發(fā)展方向。由于新能源汽車集中應(yīng)用了汽車工程、電化學(xué)、信息、自動控制、電力電子等技術(shù)，所以傳統(tǒng)汽車專業(yè)培養(yǎng)出的人才已經(jīng)不能滿足新能源汽車對復(fù)合型專業(yè)人才的需求，汽車?yán)碚撆c技術(shù)相關(guān)的教學(xué)與汽車行業(yè)發(fā)展出現(xiàn)嚴(yán)重脫節(jié)。汽車相關(guān)專業(yè)的職業(yè)教育要重新開發(fā)完整的實訓(xùn)技術(shù)體系以及相應(yīng)的理論知識體系課程。截至2019年年初，我國共有430所高職院校開設(shè)了新能源汽車技術(shù)專業(yè)或汽車專業(yè)（新能源汽車方向），在課程設(shè)置、專業(yè)教學(xué)及實驗室建設(shè)方面，都是在摸索中前行。老師怎樣教、教什么，學(xué)生怎樣學(xué)，各高職院校差異很大。自2016年中央財政資助的新能源汽車實驗室建立以來，筆者經(jīng)過幾年的學(xué)習(xí)、摸索和思考，研究出一套實踐教學(xué)模式，在此詳述如下，希望能為國內(nèi)高職院校新能源汽車專業(yè)的教學(xué)改革提供參考。

一、汽車計算平臺概述

汽車計算平臺就是指以車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為手段，依靠高性能集成計算技術(shù)和高可信軟件技術(shù)，基于高性能CPU芯片和嵌入式實時操作系統(tǒng)構(gòu)建整車的集中計算控制核心（ICCC），通過對汽車分散的計算和控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化統(tǒng)籌和集成，實現(xiàn)對汽車計算、控制和通信各個功能模塊的網(wǎng)絡(luò)化、一體化控制和管理，最大限度地實現(xiàn)汽車計算、控制等軟硬件資源的實時共享。

汽車計算平臺在汽車管理系統(tǒng)中引進(jìn)了數(shù)字化控制技術(shù)，將過去基于電子、電氣技術(shù)的單個汽車控制單元提升到了從汽車整體控制出發(fā)的、基于數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的、整車各部分控制互相緊密關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

汽車總線技術(shù)和汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車上應(yīng)用已經(jīng)20多年了，其中應(yīng)用最多的是CAN網(wǎng)絡(luò)，基于CAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)又延伸出了J1939、ISO CAN、CANopen網(wǎng)絡(luò)平臺。CAN的速率、可靠性和低成本在汽車總成動力系統(tǒng)應(yīng)用最為適宜。高速容錯功能的FlexRay標(biāo)準(zhǔn)是為更高安全等級需求的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和安全氣囊量身定制的。FlexRay作為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提供了充足的帶寬、可靠性和實時響應(yīng)能力，以實現(xiàn)X-by-wire線控應(yīng)用，向汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、平臺化邁出了重要的一步。

二、實踐教學(xué)模式的實施方案

教育要遵循學(xué)習(xí)規(guī)律，遵循人的職業(yè)成長和職業(yè)生涯發(fā)展規(guī)律。本耐和德萊福斯的研究發(fā)現(xiàn)，人的職業(yè)成長遵循“從初學(xué)者到專家”的邏輯發(fā)展規(guī)律，其發(fā)展過程分為初學(xué)者、高級初學(xué)者、有能力者、熟練者和專家等五個階段。我們的實踐教學(xué)模式也要符合職業(yè)成長規(guī)律。

（一）初識階段

初識階段針對的是沒有接觸過新能源汽車的初學(xué)者。教師做理論講解、示范操作，學(xué)生進(jìn)行模擬測試。

首先，讓初學(xué)者有一個感官上的認(rèn)知，對比說明傳統(tǒng)汽車和新能源汽車結(jié)構(gòu)上的差別。通過引導(dǎo)，讓初學(xué)者說出新能源汽車特有的標(biāo)志。在這個過程中要反復(fù)強(qiáng)調(diào)維護(hù)保養(yǎng)新能源汽車必須有專業(yè)資質(zhì)，新能源汽車存在安全風(fēng)險，必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。

其次，讓學(xué)生學(xué)習(xí)新能源汽車基礎(chǔ)知識。掌握高壓能量管理系統(tǒng)正負(fù)極、預(yù)充接觸器在上電和下電過程中的先后工作順序及原理，為什么要有預(yù)充電路，新能源汽車安全設(shè)計;學(xué)習(xí)、了解、掌握能量轉(zhuǎn)換原理、能量回收原理、逆變器原理、高壓互鎖原理、汽車總線技術(shù)和單片機(jī)等基礎(chǔ)性原理。對這些知識，汽車專業(yè)學(xué)生并不需要深入掌握，只要“懂”就行。比如逆變器的原理，只要明白直流電是如何變?yōu)榻涣麟姷募纯?，并不需要知道開關(guān)管是如何選型的。目前，國內(nèi)高職院校新能源汽車專業(yè)新能源汽車實驗室急需補(bǔ)充相關(guān)實驗設(shè)備。有些學(xué)校通過VR等虛擬仿真來完成以上部分教學(xué)內(nèi)容，但虛擬仿真畢竟是“虛”的，不能代替實際操作。

經(jīng)過兩年多的研究，筆者開發(fā)了一套專門用于新能源汽車基礎(chǔ)教學(xué)的實驗平臺，教師和學(xué)生可共同通過實驗平臺完成上述內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

下面講述學(xué)習(xí)“高壓安全與防護(hù)”知識用的人體模型，如圖1所示?！靶∪恕笨梢酝瓿梢韵聝?nèi)容：高電壓車輛操作安全基礎(chǔ)知識;高電壓系統(tǒng)安全要求規(guī)范，工作空間的安全保障;高電壓系統(tǒng)的功能和總體介紹;高電壓汽車實際相關(guān)故障的影響;測量通電系統(tǒng)過程中的危險評估;通過人體的電流;通過對人體模型的測量探究電壓、電流和電阻、觸電電流;公共配電網(wǎng)絡(luò)和輸電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 人體模型

本實驗平臺模擬通過人體的電流，通過對人體模型的測量探究電壓、電流和電阻、觸電電流，讓學(xué)生真實感受到電流對人體的傷害。

通過測試，學(xué)生理解采用戴電氣安全手套、鋪設(shè)絕緣墊等防護(hù)措施的必要性。讓學(xué)生測量雙手觸電、測量手和一只腳之間觸電、測量手和雙腳之間觸電、測量手和胸部之間觸電、測量胸部和一只腳之間觸電、測量胸部和雙腳之間觸電，讓學(xué)生總結(jié)哪種情況觸電對人體傷害最大。實驗把人體觸電變成真實體驗，讓學(xué)生體會到“遵守安全操作流程”的重要性。

（二）領(lǐng)會階段

領(lǐng)會階段是借助新能源汽車實驗室常見設(shè)備[如：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)（BMS）、新能源汽車儀表系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)等]，在安全電壓下的真實電動汽車控制模塊臺架上學(xué)習(xí)。重點(diǎn)掌握各模塊的工作原理、軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝工藝，PCB板制作工藝等。所有模塊學(xué)習(xí)結(jié)束后，再通過CAN總線把它們連接起來，形成一個實際意義的“概念車”。

這個階段可以和非汽車專業(yè)學(xué)生融合學(xué)習(xí)，實現(xiàn)資源高效利用和多元共享，也為下一步智能網(wǎng)汽車、無人駕駛汽車專業(yè)建設(shè)做準(zhǔn)備。教師可以根據(jù)學(xué)生個性差異分別引導(dǎo)。學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)能力和興趣點(diǎn)在后續(xù)教育和職業(yè)生涯中進(jìn)一步提升相關(guān)專業(yè)知識水平。下面以電機(jī)臺架和舒服系統(tǒng)臺架為例說明學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計。

使用的設(shè)備是安全電壓60V的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)臺架。要讓學(xué)生明白新能源汽車高壓電路（60V）和低壓電路（12V）是如何設(shè)計連接的，正接觸器和預(yù)充接觸器、負(fù)接觸是如何工作的，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步理解在初識階段涉及的知識，如能量管理系統(tǒng)原理，電機(jī)控制器、驅(qū)動器，IG模塊如何檢測，各種傳感器和執(zhí)行器工作原理和檢測方法，所采用的總線通訊協(xié)議是什么。

在基于CAN總線的新能源汽車舒適系統(tǒng)臺架上學(xué)習(xí)車燈控制模塊、門鎖控制模塊、車身控制模塊、防盜模塊的工作原理和檢測方法，了解它們之間的工作信號是如何通過CAN總線傳遞的，以什么樣的報文傳遞的;了解每個模塊ECU的軟硬件是如何搭建的，PCB板是如何設(shè)計的;了解各種元器件是如何焊接的。老師學(xué)生都可以對程序代碼進(jìn)行修改優(yōu)化，從底層理解汽車總線工作原理。

（三）應(yīng)用階段

應(yīng)用階段要求學(xué)生自主“設(shè)計+搭建”一個基于安全電壓下的原型車。原型車主要由組合儀表、能量供給系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、舒適系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)和底盤組成（見圖2）。

學(xué)生要完成電路設(shè)計、線束制作、元器件安裝等裝配任務(wù)，最后進(jìn)行整車調(diào)試。通過完成這個工作任務(wù)，學(xué)生可以徹底了解一個電動汽車的制作過程。這一過程可以培養(yǎng)學(xué)生從事新能源汽車的安裝、調(diào)試、檢測及故障檢修等工作的能力，強(qiáng)化創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力，有利于學(xué)生更切合實際地規(guī)劃自己職業(yè)生涯的發(fā)展路徑。

（四）創(chuàng)設(shè)階段

整體教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以原理為核心，以提高學(xué)生能力為目標(biāo)，以適應(yīng)就業(yè)為導(dǎo)向。

學(xué)生完成對安全電壓下新能源汽車的學(xué)習(xí)后，在吉利、比亞迪、北汽等主流品牌新能源汽車上進(jìn)行實車訓(xùn)練和汽車總線協(xié)議解析，既可以降低安全事故的發(fā)生概率，又可以快速熟悉新能源汽車的維護(hù)保養(yǎng)。

三、需要思考的問題

（一）師資隊伍建設(shè)

教師的素質(zhì)直接影響到教學(xué)效果。上述實踐教學(xué)模式的實施，對教師要求較高。應(yīng)鼓勵機(jī)電一體化、電氣自動化等專業(yè)的教師組建一個教學(xué)團(tuán)隊，跨專業(yè)融合，相互合作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，同時汽車專業(yè)的老師也要不斷學(xué)習(xí)，提高自身專業(yè)素養(yǎng)。教師應(yīng)該從根源入手，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，注重對學(xué)生實踐操作能力的培養(yǎng)，要突出以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，維持好課堂秩序。

（二）實驗室功能多元化

新能源汽車實驗室的建設(shè)應(yīng)緊密圍繞“新能源汽車”和“汽車計算平臺”技術(shù)領(lǐng)域，配備先進(jìn)的設(shè)備資源，整合豐富新穎的教學(xué)資源，建立研發(fā)、實驗實訓(xùn)、創(chuàng)新和培訓(xùn)“四位一體”的實訓(xùn)基地，還要兼顧智能網(wǎng)聯(lián)、無人駕駛等可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃。

新能源汽車實驗室應(yīng)該是一個開放的實驗室、與未來汽車專業(yè)融合發(fā)展的實驗室。比如搭建的原型車只要增加制動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制就可以升級為無人駕駛汽車。新能源電機(jī)驅(qū)動臺架，可供機(jī)電專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行電機(jī)控制的學(xué)習(xí)，由機(jī)電專業(yè)學(xué)生示范給汽車專業(yè)學(xué)生?；贑AN總線的新能源汽車舒適系統(tǒng)臺架，可以和機(jī)電專業(yè)、電氣自動化專業(yè)學(xué)生共享，PCB板的制作、元器件的焊接、單片機(jī)程序的編寫等都可以作為他們的實驗平臺。

（三）評價體系改革

學(xué)生考核要改變以一次考試成績作為考評主要依據(jù)的傳統(tǒng)做法，加大操作考核的比重。教師根據(jù)學(xué)生知識掌握程度、完成給定工作任務(wù)情況、實際操作的結(jié)果等綜合評價學(xué)生。對在學(xué)習(xí)和應(yīng)用上有創(chuàng)新的學(xué)生應(yīng)特別給予鼓勵，注重對學(xué)生關(guān)鍵能力方面的考核。評價不應(yīng)過分注重學(xué)生的最后成績，而是要引導(dǎo)學(xué)生注意工作過程的每一個環(huán)節(jié)，應(yīng)該加大操作考核的分?jǐn)?shù)比重，注重學(xué)生工作能力、工作品質(zhì)的共同提高，這樣才能保證培養(yǎng)出滿足社會需要的技能型人才。

四、小結(jié)

本文所述教學(xué)模式是階梯遞進(jìn)式的，通過基礎(chǔ)原理→仿真臺架→安全電壓下五模塊原型車→實車訓(xùn)練各階段的遞進(jìn)式學(xué)習(xí)，把學(xué)生從新手培養(yǎng)成高素質(zhì)技能型人才。教師從講述示范操作，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮?、檢查監(jiān)督。學(xué)生由觀摩練習(xí)、模塊技能訓(xùn)練，發(fā)展到完成一個“原型車”搭建。在整個教學(xué)過程中，教師講述越來越少，由教轉(zhuǎn)化為導(dǎo);學(xué)生訓(xùn)練越來越多，由學(xué)轉(zhuǎn)化為做。在教學(xué)過程中，要強(qiáng)調(diào)學(xué)生在做中學(xué)，教師在做中教。保證學(xué)生在學(xué)習(xí)中提升自我實踐操作能力，在自我動手實踐中學(xué)習(xí)到新能源汽車專業(yè)的相關(guān)理論知識。

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