虛擬仿真技術在新能源汽車類專業(yè)教學中的創(chuàng)新應用研究

夏長明,陳伙南,蒙劭洋

(廣州城建職業(yè)學院,廣州 510925)

0 引言

根據《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》,目前汽車行業(yè)正處于由傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車轉型的時期,而且純電動汽車將成為新能源汽車的主流產品。發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路,是推動綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。

隨著國內新能源汽車產銷量的不斷攀升,作為汽車維修行業(yè),對新能源汽車維修人才的需求也不斷增加[2]。但新能源汽車及配套設備價格高昂等因素造成該類專業(yè)教學人力物力成本較高。因此,采用虛擬仿真技術將新能源汽車結構原理進行立體化展示,讓學生在高沉浸感的三維虛擬環(huán)境中進行零危險的操作訓練,既可增加學習趣味性,又可降低學習難度和實車損耗,具有廣闊的應用前景[3]。

1 應用優(yōu)勢

虛擬仿真技術是基于互聯(lián)網的新型技術,將其應用在純電動汽車理論教學中,通過三維立體模式,將純電動汽車整體結構組成及工作原理,進行多方位多角度的展示,助力學生對疑難結構、復雜原理更直觀形象地感知。同時,在實踐教學中將虛擬仿真技術與傳統(tǒng)實訓教學方式相結合,創(chuàng)新虛實結合的實踐教學方式,能夠增強學生好奇心,激發(fā)學生學習興趣,對于推動新能源汽車類專業(yè)教學改革具有十分重要的意義[4]。

1.1 優(yōu)化課程教學手段,助力學生攻克難點理論知識

認真梳理新能源汽車專業(yè)核心課程中如動力電池均衡性控制、驅動電機旋變控制以及整車控制等復雜、抽象、難懂的原理性知識,利用虛擬仿真技術,通過分解視圖詳細了解核心總成、相關系統(tǒng)以及整車的工作過程和控制原理,解決講解難以破解、拆裝無法實現(xiàn)的復雜原理性知識學習難題,從而優(yōu)化課程教學手段,助力學生攻克難點理論知識。

1.2 消除實訓安全隱患,加快學生掌握核心操作技能

動力電池、驅動電機、整車控制是三電核心技術,其結構識別、運行原理、性能測試是最難學、最難懂、最重要的部分。利用虛擬仿真技術讓學生在虛擬環(huán)境中進行零件拆卸、組裝、檢查、更換等交互式虛擬操作實訓;使用虛擬仿真?zhèn)€人防護設備和工作場所,指導學生按照標準程序進行規(guī)范操作,掌握應對電擊和火災的能力[5],從而消除實訓安全隱患,加快學生掌握核心操作技能。

1.3 優(yōu)化實訓教學環(huán)境,避免儀器設備受損情況發(fā)生

純電動汽車對檢修工具的安全性要求很高,相應價格也很高,臺套數難以保證,使得實訓教學難以達到預期效果[6]。而虛擬仿真技術可用較低成本解決這一難題,可實現(xiàn)傳統(tǒng)教學向網絡化、虛擬化方向發(fā)展。利用虛擬仿真系統(tǒng)讓學生進入虛擬拆裝互動界面進行虛擬實訓,并且利用其放大縮小、旋轉以及透視等功能,加深對純電動汽車的認知。使用虛擬仿真技術進行實訓還能夠避免儀器設備受損情況的發(fā)生,可有效節(jié)省教學成本,優(yōu)化實訓環(huán)境[7]。

2 在核心課程教學中的創(chuàng)新應用

2.1 在理論教學中的創(chuàng)新應用

借助虛擬現(xiàn)實技術建立的三維電動汽車模型,顯示動力電池的結構、能量管理系統(tǒng)、驅動電機及其調速控制裝置、電動空調等部分細節(jié)[8]。在抽象理論知識點的教學環(huán)節(jié),采用虛擬仿真教學手段,讓學生體驗身臨其境的感覺,實現(xiàn)課堂互動教學,最大限度地激發(fā)學生的學習興趣,從而破解知識難點。

一是利用虛擬仿真軟件的三維動畫結合音視頻技術模擬仿真場景,全方位、無死角地展示純電動汽車整車結構組成。能夠為學生提供逼真、生動的“實車”情境,從而克服傳統(tǒng)教學中過分依賴語言描述、缺乏形象展現(xiàn)的缺點。

二是利用虛擬仿真軟件的傳感器信號輸入、ECU指令、執(zhí)行器動作等高新技術,向學生完整地展示純電動汽車電機驅動、電源管理、整車控制及局域網通訊等主要系統(tǒng)的運行原理。可將書本理論知識具象化,使學生能夠在虛擬教學環(huán)境中更加實際地觀察各種工作條件下純電動汽車的控制運行原理。

三是利用虛擬仿真軟件的三維圖形、傳感測量、立體顯示等多種前沿技術，將動力電池的結構組成、連接組裝及電池組的電壓大小、電流流向等現(xiàn)實無法直接觀看的工作原理，進行無死角、全方位翻轉展示。可將復雜、抽象、難懂的理論知識進行可視化、形象化、立體化演示，從而降低學習難度。

四是利用虛擬仿真技術的5D場景，全方位、無死角、立體化展示驅動電機的結構組成；通過虛擬仿真的三維環(huán)境合成技術，對直流電機運行特性、交流感應電機輸出特性等進行仿真探測和體驗。能夠讓學生在可視化環(huán)境下進行信息的控制和各種操控的測試，從而幫助學生破解直流電機運行特性、交流感應電機輸出特性等復雜、抽象、難點知識。

五是利用虛擬仿真軟件根據動態(tài)環(huán)境獲取三維數據,并使用三維數據建立動態(tài)環(huán)境模型的核心技術,破解驅動電機控制器的結構組成及控制原理等難點理論知識?？商峁┒嘣葱畔⑷诤系摹⒔换サ娜S模擬環(huán)境技術,從而幫助學生形成感性和理性認識,鍛煉創(chuàng)造性思維,以更好地理解抽象、復雜、難以意會的理論知識。

2.2 在實踐教學中的創(chuàng)新應用

在進行生產性實訓前,先讓學生進行虛擬仿真演練,通過虛擬仿真操作,讓學生提前了解實訓的目的及實訓過程,熟悉實訓操作的流程及要領,之后完成真實的實訓項目。純電動汽車中的“三電技術”核心課程,若利用虛擬仿真技術可改善實訓環(huán)境、優(yōu)化教學過程、彌補實操缺項、確保實習安全,幫助學生掌握核心技能。

一是利用虛擬仿真軟件的虛擬拆裝模塊,通過佩戴虛擬眼鏡并通過手柄或手勢識別,與虛擬環(huán)境中的純電動汽車三維模型進行交互,實現(xiàn)純電動汽車各個零部件的虛擬拆卸和安裝實訓。由于能夠模擬仿真場景,可先模擬輔助指導,避免高電壓實操,降低硬件損耗,實現(xiàn)標準化操作,從而杜絕實訓誤操作現(xiàn)象的發(fā)生。

二是利用虛擬仿真軟件的原理三維可視化模塊,對汽車各系統(tǒng)中通過實操難以實際觀察的運行過程進行演示,如電流流動、電池溫度控制、電機運轉等實踐內容?？蛇_到“以虛補實”的實訓效果,從而幫助學生更好地掌握純電動汽車的結構組成和運行原理等核心技能。

三是利用虛擬仿真軟件的傳感測量技術、三維建模技術,仿真動力模塊中驅動電機的額定功率與峰值功率、額定轉矩與峰值轉矩等性能參數與能量來源動力電池的容量、電壓等性能參數之間的匹配情況。可完成通過純電動汽車整車實訓無法完成的驅動電機性能參數與動力電池性能參數之間相互匹配的復雜、抽象技術試驗。

四是利用虛擬仿真軟件的模擬診斷儀讀取故障碼,查看電池包的容量均衡性、總電壓、SOC等數據流;利用虛擬仿真軟件的模擬測試,及時發(fā)現(xiàn)動力電池模組的健康狀況,并采取相應充電操作等仿真實訓。能夠做到學生和實際設備不接觸,可有效避免高壓觸電危險;對于電池模組更換等工作,可事先做好預演,可提高實操的效率和安全性,減小損壞儀器的風險。

五是利用三維仿真技術模擬和創(chuàng)造出豐富的故障案例,通過網絡技術手段,將真實的汽車電路圖制成動畫視頻,并設計故障檢測維修設置,提供虛擬測量工具,引導學生在電腦上完成仿真實訓?？闪憔嚯x、零危險、零損耗地進行純電動汽車的故障診斷與排除仿真實訓,從而解決實車教學無法接觸檢測、場地限制以及純電動汽車高電壓難于實操等難題。

3 在教學評價中的創(chuàng)新應用

3.1 規(guī)范學生操作,提高教學質量

虛擬仿真系統(tǒng)能夠對學生的裝拆順序、零部件放置等相關操作進行嚴密的監(jiān)控,對學生的一些不規(guī)范操作進行警示,對學生拆裝速度和錯誤的操作進行記錄,將相關數據進行量化,對學生進行更加科學的評分。這樣能夠讓學生進行自我反思,教師進行針對性指導,進而規(guī)范學生操作,提高教學質量。

3.2 量化評估指標,提高評價質量

虛擬仿真軟件不僅實現(xiàn)了實操技能的量化評估,而且考核結果具有科學性,能夠很好地反映出學生的綜合素質和技能水平?？荚囅到y(tǒng)一般有故障檢測面板、考試軟件、連接線束和故障設置器等部分,可以根據需求隨機設置故障、隨機抽題組題,整個考試過程自動記錄,自動評分,科學、公平、安全可靠,可操作性強[9]。

3.3 優(yōu)化考核指標,提高學習質量

在純電動汽車核心課程的總評成績中,適當增加虛擬教學系統(tǒng)考核成績的權重,可充分調動學生理論學習和實操實訓的主動性。有關試點學校統(tǒng)計數據表明,通過虛擬教學技術的融入,學生的實操技能提升快,成績普遍提高。

4 結語

研究表明,在新能源汽車類專業(yè)的理論與實踐教學以及考核評價中創(chuàng)新應用虛擬仿真技術,確實能夠幫助學生破解知識難點、掌握核心技能,并能夠彌補實訓設備不足所帶來的實操缺項、同時能夠消除實訓安全隱患、提高人才培養(yǎng)質量。希望各級各類職業(yè)院校加快推廣使用該項技術,以實現(xiàn)人才培養(yǎng)與市場需求之間的無縫銜接,從而更好地為新能源汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展助力,為節(jié)能減排做出新的貢獻。