基于虚拟仿真的“新能源动力及汽车技术”信息化教学设计与实践

贾国海

关键词：虚拟仿真;新能源汽车;信息化教学;MATLAB

一、问题的提出

为了跟上时代的发展，传统教学模式已不再适用于高等教育，在课堂教学中存在诸多问题和不足，急需对高等院校新能源专业的新能源动力及汽车技术课程进行基于虚拟仿真的信息化教学改革。信息化教学是一种适应时代的新型教学方式，将各类优质资源进行整合优化，从而将学生的主观能动性充分发挥出来，进而达到理想的教学效果。新能源动力及汽车技术课程是新能源科学与工程专业的必修课程，该课程的目标是让学生熟悉新能源汽车的概念、特点、分类和组成;掌握各类新能源汽车的总体结构，包括组成结构、动力驱动系统原理、储能系统原理和电控系统等内容;了解新能源汽车领域的一些研究发展前沿知识，该课程为学生们毕业之后的就业工作打下坚实基础。

依据教研室作出的专业培养方案，学习本课程之前，一般都会学习一些专业基础课程，这些课程都是学习新能源动力及汽车技术课程的基础，只有根基牢固才能提高学习效果，并且这些课程的学习也存在很多难点，造成学生产生抵触学习新增知识的情绪，学习本课程尤为困难。在经过学习后，考试和作业都是敷衍了事，个别学生连一些基础知识，如原理、结构都不了解。分析出现这些问题的原因如下：

（1）在理论基础方面，学生知识基础不是很好，存在层次差异和个体差异。

（2）在操作技能方面，学生的动手能力弱，且操作存在诸多隐患问题。

（3）在学习方法方面，存在死记硬背的情况，没有讨论交流的意识和提出质疑的勇气。

（4）学生求知的欲望弱，不喜欢动手实践，具有消极的情感态度，仍有个别学生具有畏惧心理。

（5）学生们的学习水平参差不齐，存在理论基础差、不预习、复习知识点等诸多问题。

针对上述诸多问题，本文基于虚拟仿真的新能源动力及汽车技术课程进行信息化教学设计，对课程教学改革的流程进行了构造，并对课程的难点进行了教学反思。

二、教学设计

本文对新能源科学与工程专业的新能源动力及汽车技术课程进行基于虚拟仿真的信息化教学改革，运用仿真软件和网络教学平台，通过MATLAB软件进行虚拟仿真，并结合以往的教学经验设计了一系列的教学流程。

（一）课程标准设计

课程标准是根据学校和专业教研室的培养方案制定的教学实施标准，课程标准文件对教学目标具有指导作用，该文件对教学效果具有重要影响。以往的课程标准较为陈旧，许多新知识、新技术没有涉及，传统课堂教学的落后导致无法发挥学生的主观能动性，使得教学效果较差。以虚拟仿真为基础的《新能源动力及汽车技术》信息化教学会大大提高学生的学习积极性和学习效率，同时让学生熟悉一门数值仿真软件也对其后续学习深造有较大的帮助;在教学资源上，通过网上的教学平台和资料进行预习，这样可以让学生在课堂上带着目的寻找答案，以達到较好的教学效果;在考核评价上，主要分为平时成绩和最终考试成绩，将加强平时成绩的审核并提高平时成绩的比重，将出勤、作业完成情况等作为依据，最终的考试成绩比重将降低。本课程课时安排为28课时，课时具体分配如图1所示。

（1）情景设计。模拟实际工作场景，配套讲授理论知识，最终完成工作任务。

（2）虚拟仿真案例教学。采用虚拟仿真案例教学法来提升学生对新能源汽车相关知识的了解并激发学生们的兴趣，可以更加直观明了地看到新能源汽车的构造和工作原理，从而达到较好的教学效果。通过在MATLAB软件中建立模型并通过编辑器进行运行，从而得到所需要的计算数据和相应的图像，达到新能源动力及汽车技术虚拟仿真教学的要求。

（二）教学方法设计

（1）课前学习教学设计。教师应做到在网上教学平台及时更新教学内容并及时提醒学生完成预习，学生要及时完成老师布置的预习任务和作业，并向老师大胆提出见解，为新项目的开展积累知识和经验。

（2）课堂活动教学设计。课堂活动的主要目的是发挥老师的辅助引导作用，让学生自主完成各项任务。学生通过提前预习从而提出难以理解的问题，并集中反馈给老师进行解答解疑，同时通过交流讨论或是相互协作来完成老师在课堂上布置的任务，具体课堂实施步骤如图2所示。

①分析任务。通过让学生观看与新能源汽车相关的教学视频，使学生了解新能源汽车发展概况和基本结构组成。提出几个问题用来启发学生，让同学们相互讨论，再邀请几个同学代表进行归纳总结，最终达到认识新能源汽车基本理念的目的。为了使学生更加直观地了解新能源汽车的工作原理，在课堂适当地演示新能源汽车相关的动画，并通过虚拟仿真软件建立新能源汽车中重要零部件的机械或电子方面的模型，使学生更加直观了解其内部构造或工作原理，从而加强学生对新能源汽车的理解。

②新知识引入。通过将教学视频和有关新能源汽车相关的新闻引入教学内容，教师通过分析当前火热的新能源汽车车型，用仿真软件或是车模将新能源汽车进行拆分讲解。为了让学生学习好新能源汽车的整体构成和工作原理，还可以通过小游戏的方式，使大家在生动的情景表演中获得新能源汽车的相关知识。此目的是让学生加快学习有关新能源汽车的新知识，进而提高学生的学习技能，为后面的重要知识点的学习做好知识储备。

③虚拟实训。教师在课程教学中通过虚拟仿真软件对学生进行设计指导，让学生们熟悉各类新能源汽车的总体结构和对应的零部件的控制系统，包括各组成结构、动力驱动系统原理和电控系统原理等内容。学生们在虚拟仿真软件中能够完成新能源汽车的整体设计，并且能够按照自己的设计选装零部件，还能够进行硬件的布置。以此达到掌握新能源汽车的总体结构设计的目的。还能够借助虚拟仿真软件对新能源汽车的工况进行模拟，从而可以有效地解决课时缩减而导致教学效果不好的难题。虚拟仿真软件操作起来更加便捷和高效，学生们可以轻松地对不同的新能源汽车的工况进行模拟测试，从而为新能源汽车全实物的实训减少消耗并减少教学成本。

④虚实一体。学生们经过虚拟仿真软件的训练后，对所学新能源汽车知识有了较为深刻的认识，有助于后续实践和实训课程的开展。实践和实训课程由学生们组成小队完成新能源汽车总体结构拆装和组装，包括底盘、总成结构、电池系统和电控系统等内容。此目的是培养学生们动手实践能力，在实践中真正掌握新能源汽车的各个部件机构和工作原理。

⑤评价总结。在平时的学习过程中，教师布置给学生一些小任务和练习，让学生们对所学知识进行加强并巩固。教师带领学生们进行课程实践考核并监督学生完成考试，进一步完成考核评价系统，并且通过分析考试和考核的结果来完成最终的评价总结。

（三）考核评价设计

考核评价是对学生进行考试和作业等措施的检验，同时也是对教师教学能力的检查，使教师从教学中吸取经验教训，对教师的教学会产生一定的激励作用。通过建立平时评价和考试评价相结合的模式，调整考试成绩和平时考核成绩的比重来解决考试决定一切的弊端，从而使教学评价更加人性化。平时考核成绩主要分为课前预习、课堂参与和课后任务三部分：课前学习主要是完成网络平台上的任务，以期达到预习的效果;课堂学习主要是学生的出勤和课堂回答问题的积极性;课后任务主要包括作业的检查等。平时考核成绩占总体成绩的30%，其中每个部分各占10%;期末考试形式为闭卷考试，主要考查学生对所学新能源知识的理解与掌握情况。

三、案例分析

新能源汽车工况复杂，既要能够保证高速运行，又需要频繁启动和制动等各种工况，因此，需要选用小型轻量的高效电机，而用永磁同步电机适用于新能源汽车的动力需求。为了让学生更好地掌握永磁同步电机的特性，采用MATLAB软件建立了三相永磁同步电机的滞环电流控制系统虚拟仿真模型，如图3所示[6-8]。得到仿真结果如图4所示，从图中可以得到电机转速N、电磁转矩T。和三相电流i。。。随时间的变化趋势。

从以上仿真结果可以看出，当电机带载T=3.5N·m启动，转速从零上升到参考转速1500r/min时，开始时电机转速有一些超调量，并且在整個启动过程中，电磁转矩T。的波动较大，但仍然具有较快的动态响应速度。在t=0. 05s，负载转矩变为TL=1.5N·m时，电机能快速恢复到设置的参考转速，说明采用滞环电流控制能够满足电机运行的要求。

四、教学反思

本文通过基于虚拟仿真的信息化教学改革模式对新能源动力及汽车技术课程进行了全面优化，在经过最终评价后得出教学效果较好的结论，为之后的进一步教学改革提供了宝贵经验。在进行基础知识讲解时，通过虚拟仿真软件来介绍新能源汽车的整体结构和工作原理更加有利于学生的理解，从而达到较好的教学效果。在实践操作时一些学生存在操作不当等安全隐患，需要对其进行教育，并应在下次教学前开展安全知识教育。

结语

本文基于虚拟仿真技术对新能源动力及汽车技术课程的课程标准进行了设计和优化，同时对教学方法也进行了优化和提炼，在最终的考核评价中也对所占比重和考核内容进行了优化，由此达到了较好的教学效果。本文探索了基于虚拟仿真的信息化教学改革模式，为今后的信息化教学改革提供参考。

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