虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車課程教學(xué)中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

王立波　程聯(lián)社　陸健　齊煥敏　黨超

摘 要：隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)專業(yè)人才需求量日益增加，對(duì)于高職院校而言，新能源汽車專業(yè)的人才培養(yǎng)也應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展。在改變以往傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，引入現(xiàn)代化虛擬仿真技術(shù)，采用理論、虛擬及實(shí)操一體化教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，實(shí)踐證明，該模式對(duì)提高教學(xué)效果十分明顯。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 新能源汽車專業(yè) 教學(xué)模式 人才培養(yǎng)

1 前言

新能源汽車作為我國(guó)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，我國(guó)已將新能源汽車發(fā)展視為從汽車大國(guó)到汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路。近年來(lái)，伴隨著新能源汽車的快速發(fā)展隨之而來(lái)的是行業(yè)人才需求也更加緊迫，而汽車行業(yè)的迅速發(fā)展使得具有傳統(tǒng)汽車背景的人才已經(jīng)滿足不了在汽車技術(shù)變革中對(duì)新型人才的需求。為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型、響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略、彌補(bǔ)人才缺口，全國(guó)各地的高職院校相繼開(kāi)設(shè)了新能源汽車專業(yè)。但是，由于新能源汽車專業(yè)開(kāi)設(shè)時(shí)間較短，在培養(yǎng)模式、課程建設(shè)及教學(xué)方式等方面還處于摸索階段[1]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，具有讓人沉浸其中的沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)，可以形成具有交互功能的多維化信息環(huán)境[2]。在新能源汽車課程教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)是目前教育發(fā)展的趨勢(shì)。

2 新能源汽車專業(yè)特點(diǎn)及培養(yǎng)目標(biāo)

2.1 專業(yè)特點(diǎn)

新能源汽車專業(yè)屬于一門新興的學(xué)科，其發(fā)展緊跟著前沿技術(shù)和行業(yè)發(fā)展，如果缺少新技術(shù)的支撐與理解，那么課程與行業(yè)發(fā)展之間就會(huì)出現(xiàn)脫節(jié)的狀況，甚至還會(huì)導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容的滯后性。新能源汽車的構(gòu)造和技術(shù)特點(diǎn)與傳統(tǒng)的汽車具有很大的區(qū)別，新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車，因此該專業(yè)學(xué)生除了要學(xué)習(xí)燃料汽車的相關(guān)知識(shí)外，還要學(xué)習(xí)新能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制單元、動(dòng)力電池和電池組管理系統(tǒng)等知識(shí)，相比傳統(tǒng)汽車專業(yè)，新能源汽車專業(yè)課程內(nèi)容更多，知識(shí)更復(fù)雜。因此，新能源汽車專業(yè)人才既需要具備較豐富的理論知識(shí)，又需要具備較好的實(shí)際動(dòng)手操作能力，兩者缺一不可。

2.2 培養(yǎng)目標(biāo)

新能源汽車專業(yè)人才需要理論與實(shí)踐兼?zhèn)洌粌H要掌握傳統(tǒng)汽車維修技能，還要具有較高的電子技術(shù)，電池管理技術(shù)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電力控制技術(shù)、智能控制技術(shù)等。除此之外，還要了解先進(jìn)的節(jié)能材料，同時(shí)還要掌握一定的信息技術(shù)，因此，新能源汽車專業(yè)人才具有這方面的知識(shí)，才能成為具有高素質(zhì)的技術(shù)技能人才。

3 新能源汽車專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

新能源汽車電機(jī)、電池、電控的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，是新能源汽車技術(shù)專業(yè)在教學(xué)過(guò)程中非常重要的教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)抽象的理論知識(shí)和工作原理轉(zhuǎn)換到實(shí)際的操作存在著一定困難。

學(xué)生對(duì)于新能源汽車上的“電”知識(shí)認(rèn)知不足，新能源汽車上的高壓電未能引起足夠重視，導(dǎo)致在學(xué)習(xí)過(guò)程中安全意識(shí)淡薄，甚至有的學(xué)生在面對(duì)新能源汽車高壓安全問(wèn)題時(shí)過(guò)于緊張，在實(shí)踐環(huán)節(jié)表現(xiàn)不佳，無(wú)法滿足實(shí)訓(xùn)要求。

對(duì)于新能源汽車實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)工具、實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)、教學(xué)課時(shí)等各方面的限制，難以保障每個(gè)學(xué)生有足夠的空間和時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練，并且涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作對(duì)實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[3]。

瞿磊[4]等人針對(duì)新能源汽車技術(shù)專業(yè)安全意識(shí)培養(yǎng)過(guò)程中存在專任教師“被動(dòng)”上崗且自身安全意識(shí)薄弱、生源差異化大、實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理人員缺乏安全知識(shí)培訓(xùn)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

易苗苗[5]等人針對(duì)新能源汽車應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)方案的轉(zhuǎn)型，在教材資源、教師培養(yǎng)，實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，校企合作方面提出解決路徑。

曾曉彤[6]等人針對(duì)新能源汽車技術(shù)專業(yè)“三教”改革中的問(wèn)題作出研究，一是教學(xué)方法陳舊，枯燥單一，理論多、實(shí)踐少，“閉門造車”。二是課堂把控不好，學(xué)情研究不透，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不能有效實(shí)施教學(xué)。三是教學(xué)手段不夠豐富，沒(méi)有大量地運(yùn)用信息化手段。四是實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中情景、實(shí)景教學(xué)不足。

李俊杰[7]等人針對(duì)新能源汽車維修技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)模式打破了傳統(tǒng)理念，突出了教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的應(yīng)用性、綜合性、實(shí)踐性。一體化教學(xué)集理論傳授、現(xiàn)場(chǎng)觀摩、實(shí)踐操作、技能訓(xùn)練為一體的新型教學(xué)模式。

4 虛擬仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 理論教學(xué)方面

4.1.1 混合動(dòng)力汽車章節(jié)

混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)汽車復(fù)雜，混合動(dòng)力汽車可根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和組合方式不同分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。根據(jù)電動(dòng)機(jī)相對(duì)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比大小可分為微混合型混合動(dòng)力汽車、輕度混合型混合動(dòng)力汽車、重度混合（強(qiáng)混合）型混合動(dòng)力汽車。根據(jù)能否外接充電，可分為可外接充電型和不可外接充電型混合動(dòng)力汽車。針對(duì)多種分類方式和復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及在不同工況下，動(dòng)力傳輸路徑和能量的分配轉(zhuǎn)換過(guò)程，學(xué)生易造成概念的混淆。

通過(guò)虛擬仿真對(duì)不同類型的混合動(dòng)力汽車和在不同工況下，動(dòng)力的傳輸路徑及能量的傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠清楚呈現(xiàn)，學(xué)生能夠深刻理解不同類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，大大提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。

4.1.2 燃料電池汽車章節(jié)

燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，氧化劑和燃料反應(yīng)形成典型燃料電池的水產(chǎn)物，在講述燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理時(shí)，僅通過(guò)文字圖片進(jìn)行講解，學(xué)生表現(xiàn)出難以理解，抽象不易懂，通過(guò)虛擬仿真軟件，可對(duì)燃料供給系統(tǒng)、氧化劑系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等，以及質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理直觀的模擬，使學(xué)生對(duì)氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)（如陽(yáng)極、陰極和隔膜等）建立感性認(rèn)知，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和工作原理的理解。

4.1.3 動(dòng)力蓄電池章節(jié)

通過(guò)虛擬仿真對(duì)電池包內(nèi)部進(jìn)行解剖，可以多角度交互式的去觀察和認(rèn)知純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，快捷的切換外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模式展現(xiàn)，方便與高效的學(xué)習(xí)動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)，切實(shí)解決了在實(shí)際教學(xué)中觀察動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)的不便性。動(dòng)力電池在充放電過(guò)程中，動(dòng)態(tài)的模擬了電池內(nèi)部粒子的變化圖樣，將非常抽象化的工作原理轉(zhuǎn)化為直觀的，生動(dòng)的，更具形象化的效果展示出來(lái)，讓學(xué)生充分理解工作原理和過(guò)程。

4.1.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)章節(jié)

通過(guò)仿真軟件，學(xué)生能夠生動(dòng)形象的了解更多的電機(jī)類型及電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)和交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其中講述永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)工作原理時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如何產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子如何產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，僅使用教學(xué)課件、視頻等傳統(tǒng)教學(xué)資源，學(xué)生還是理解不透徹，采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生能夠看清電流的轉(zhuǎn)換，電磁的產(chǎn)生，定子和轉(zhuǎn)子之間的力的相互作用。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)學(xué)生不僅對(duì)知識(shí)理解深刻，也增加學(xué)生的學(xué)習(xí)的趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4.2 實(shí)踐教學(xué)方面

相較于傳統(tǒng)燃油汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)，新能源汽車實(shí)訓(xùn)教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)更高，一旦引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，則會(huì)危及人員生命、財(cái)產(chǎn)安全。

在實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的限制的情況下，教師在示范演示過(guò)程中，很難做到讓每一位學(xué)生都能看清操作步驟和注意事項(xiàng)，學(xué)生實(shí)際操作過(guò)程中頻繁出錯(cuò)，教學(xué)效果差強(qiáng)人意。除此之外，學(xué)生在沒(méi)牢記教師在示范過(guò)程講到安全注意事項(xiàng)，學(xué)生對(duì)高壓組件的拆裝檢測(cè)存在一定的危險(xiǎn)性。為此，通過(guò)虛擬仿真軟件模擬真實(shí)環(huán)境，每一位學(xué)生能夠在軟件中按照拆裝提示進(jìn)行反復(fù)操作，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)設(shè)備和工具的使用熟練度，有效的改善因設(shè)備和場(chǎng)地缺乏無(wú)法完成多人次的教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在上實(shí)車操作前，提前掌握操作流程及注意事項(xiàng)，做好一切充分的準(zhǔn)備，有效的規(guī)避操作的高壓安全問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，不僅提高了練習(xí)效率，也降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了事半功倍的教學(xué)效果。

5 結(jié)論

綜上，采用理論虛擬仿真實(shí)操一體化教學(xué)模式，將虛擬仿真技術(shù)引入傳統(tǒng)教學(xué)模式中，使學(xué)生在專業(yè)知識(shí)、專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣等方面，對(duì)理論知識(shí)的理解更加透徹，實(shí)踐更加規(guī)范。

通過(guò)現(xiàn)代化的教學(xué)手段，新的教學(xué)模式，培養(yǎng)的職業(yè)院校學(xué)生才能夠在日新月異的新能源汽車行業(yè)具有可持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)力。才能夠適應(yīng)我國(guó)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，滿足我國(guó)對(duì)新能源汽車技術(shù)人才的需求。

基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年校內(nèi)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JG21030）。

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