夏長明,陳伙南,蒙劭洋

(廣州城建職業(yè)學(xué)院,廣州 510925)

0 引言

根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)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(zhuǎn)型的時期,而且純電動汽車將成為新能源汽車的主流產(chǎn)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(nèi)新能源汽車產(chǎn)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(shè)備價格高昂等因素造成該類專業(yè)教學(xué)人力物力成本較高。因此,采用虛擬仿真技術(shù)將新能源汽車結(jié)構(gòu)原理進行立體化展示,讓學(xué)生在高沉浸感的三維虛擬環(huán)境中進行零危險的操作訓(xùn)練,既可增加學(xué)習(xí)趣味性,又可降低學(xué)習(xí)難度和實車損耗,具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 應(yīng)用優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的新型技術(shù),將其應(yīng)用在純電動汽車?yán)碚摻虒W(xué)中,通過三維立體模式,將純電動汽車整體結(jié)構(gòu)組成及工作原理,進行多方位多角度的展示,助力學(xué)生對疑難結(jié)構(gòu)、復(fù)雜原理更直觀形象地感知。同時,在實踐教學(xué)中將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)方式相結(jié)合,創(chuàng)新虛實結(jié)合的實踐教學(xué)方式,能夠增強學(xué)生好奇心,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,對于推動新能源汽車類專業(yè)教學(xué)改革具有十分重要的意義[4]。

1.1 優(yōu)化課程教學(xué)手段,助力學(xué)生攻克難點理論知識

認(rèn)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(qū)動電機旋變控制以及整車控制等復(fù)雜、抽象、難懂的原理性知識,利用虛擬仿真技術(shù),通過分解視圖詳細(xì)了解核心總成、相關(guān)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(fù)雜原理性知識學(xué)習(xí)難題,從而優(yōu)化課程教學(xué)手段,助力學(xué)生攻克難點理論知識。

1.2 消除實訓(xùn)安全隱患,加快學(xué)生掌握核心操作技能

動力電池、驅(qū)動電機、整車控制是三電核心技術(shù),其結(jié)構(gòu)識別、運行原理、性能測試是最難學(xué)、最難懂、最重要的部分。利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)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(xùn);使用虛擬仿真?zhèn)€人防護設(shè)備和工作場所,指導(dǎo)學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)程序進行規(guī)范操作,掌握應(yīng)對電擊和火災(zāi)的能力[5],從而消除實訓(xùn)安全隱患,加快學(xué)生掌握核心操作技能。

1.3 優(yōu)化實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境,避免儀器設(shè)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(yīng)價格也很高,臺套數(shù)難以保證,使得實訓(xùn)教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期效果[6]。而虛擬仿真技術(shù)可用較低成本解決這一難題,可實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)向網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化方向發(fā)展。利用虛擬仿真系統(tǒng)讓學(xué)生進入虛擬拆裝互動界面進行虛擬實訓(xùn),并且利用其放大縮小、旋轉(zhuǎn)以及透視等功能,加深對純電動汽車的認(rèn)知。使用虛擬仿真技術(shù)進行實訓(xùn)還能夠避免儀器設(shè)備受損情況的發(fā)生,可有效節(jié)省教學(xué)成本,優(yōu)化實訓(xùn)環(huán)境[7]。

2 在核心課程教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 在理論教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立的三維電動汽車模型,顯示動力電池的結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機及其調(diào)速控制裝置、電動空調(diào)等部分細(xì)節(jié)[8]。在抽象理論知識點的教學(xué)環(huán)節(jié),采用虛擬仿真教學(xué)手段,讓學(xué)生體驗身臨其境的感覺,實現(xiàn)課堂互動教學(xué),最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jié)合音視頻技術(shù)模擬仿真場景,全方位、無死角地展示純電動汽車整車結(jié)構(gòu)組成。能夠為學(xué)生提供逼真、生動的“實車”情境,從而克服傳統(tǒng)教學(xué)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(shù),向?qū)W生完整地展示純電動汽車電機驅(qū)動、電源管理、整車控制及局域網(wǎng)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(xué)生能夠在虛擬教學(xué)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(shù)，將動力電池的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)展示?？蓪?fù)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(xué)習(xí)難度。

四是利用虛擬仿真技術(shù)的5D場景，全方位、無死角、立體化展示驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)組成；通過虛擬仿真的三維環(huán)境合成技術(shù)，對直流電機運行特性、交流感應(yīng)電機輸出特性等進行仿真探測和體驗。能夠讓學(xué)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(xué)生破解直流電機運行特性、交流感應(yīng)電機輸出特性等復(fù)雜、抽象、難點知識。

五是利用虛擬仿真軟件根據(jù)動態(tài)環(huán)境獲取三維數(shù)據(jù),并使用三維數(shù)據(jù)建立動態(tài)環(huán)境模型的核心技術(shù),破解驅(qū)動電機控制器的結(jié)構(gòu)組成及控制原理等難點理論知識?？商峁┒嘣葱畔⑷诤系?、交互的三維模擬環(huán)境技術(shù),從而幫助學(xué)生形成感性和理性認(rèn)識,鍛煉創(chuàng)造性思維,以更好地理解抽象、復(fù)雜、難以意會的理論知識。

2.2 在實踐教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

在進行生產(chǎn)性實訓(xùn)前,先讓學(xué)生進行虛擬仿真演練,通過虛擬仿真操作,讓學(xué)生提前了解實訓(xùn)的目的及實訓(xùn)過程,熟悉實訓(xùn)操作的流程及要領(lǐng),之后完成真實的實訓(xùn)項目。純電動汽車中的“三電技術(shù)”核心課程,若利用虛擬仿真技術(shù)可改善實訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、彌補實操缺項、確保實習(xí)安全,幫助學(xué)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(xùn)。由于能夠模擬仿真場景,可先模擬輔助指導(dǎo),避免高電壓實操,降低硬件損耗,實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作,從而杜絕實訓(xùn)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(zhuǎn)等實踐內(nèi)容?？蛇_(dá)到“以虛補實”的實訓(xùn)效果,從而幫助學(xué)生更好地掌握純電動汽車的結(jié)構(gòu)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(shù)、三維建模技術(shù),仿真動力模塊中驅(qū)動電機的額定功率與峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)與能量來源動力電池的容量、電壓等性能參數(shù)之間的匹配情況?？赏瓿赏ㄟ^純電動汽車整車實訓(xùn)無法完成的驅(qū)動電機性能參數(shù)與動力電池性能參數(shù)之間相互匹配的復(fù)雜、抽象技術(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)充電操作等仿真實訓(xùn)。能夠做到學(xué)生和實際設(shè)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(yù)演,可提高實操的效率和安全性,減小損壞儀器的風(fēng)險。

五是利用三維仿真技術(shù)模擬和創(chuàng)造出豐富的故障案例,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段,將真實的汽車電路圖制成動畫視頻,并設(shè)計故障檢測維修設(shè)置,提供虛擬測量工具,引導(dǎo)學(xué)生在電腦上完成仿真實訓(xùn)?？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(xùn),從而解決實車教學(xué)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(xué)評價中的創(chuàng)新應(yīng)用

3.1 規(guī)范學(xué)生操作,提高教學(xué)質(zhì)量

虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生的裝拆順序、零部件放置等相關(guān)操作進行嚴(yán)密的監(jiān)控,對學(xué)生的一些不規(guī)范操作進行警示,對學(xué)生拆裝速度和錯誤的操作進行記錄,將相關(guān)數(shù)據(jù)進行量化,對學(xué)生進行更加科學(xué)的評分。這樣能夠讓學(xué)生進行自我反思,教師進行針對性指導(dǎo),進而規(guī)范學(xué)生操作,提高教學(xué)質(zhì)量。

3.2 量化評估指標(biāo),提高評價質(zhì)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(jié)果具有科學(xué)性,能夠很好地反映出學(xué)生的綜合素質(zhì)和技能水平。考試系統(tǒng)一般有故障檢測面板、考試軟件、連接線束和故障設(shè)置器等部分,可以根據(jù)需求隨機設(shè)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(xué)、公平、安全可靠,可操作性強[9]。

3.3 優(yōu)化考核指標(biāo),提高學(xué)習(xí)質(zhì)量

在純電動汽車核心課程的總評成績中,適當(dāng)增加虛擬教學(xué)系統(tǒng)考核成績的權(quán)重,可充分調(diào)動學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實操實訓(xùn)的主動性。有關(guān)試點學(xué)校統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,通過虛擬教學(xué)技術(shù)的融入,學(xué)生的實操技能提升快,成績普遍提高。

4 結(jié)語

研究表明,在新能源汽車類專業(yè)的理論與實踐教學(xué)以及考核評價中創(chuàng)新應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),確實能夠幫助學(xué)生破解知識難點、掌握核心技能,并能夠彌補實訓(xùn)設(shè)備不足所帶來的實操缺項、同時能夠消除實訓(xùn)安全隱患、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。希望各級各類職業(yè)院校加快推廣使用該項技術(shù),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(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展助力,為節(jié)能減排做出新的貢獻。