异形锂电池成型工艺及热失控测试实验虚拟仿真设计与实践

谢 威， 郭青鹏， 郑春满， 李宇杰， 刘双科， 陈宇方

（国防科技大学空天科学学院，长沙 410073）

0 引言

锂电池以其高比能、高比功率等优点，已成为微小型无人机的首选电源［1-2］。由于微小型无人机体积小、质量轻，所带电源电量有限，制约了其飞行时间和使用效能。将锂电池异形化，与机身共形，可实现承力与供电一体化，达到无人机进一步减重、节约空间、提升续航能力的目的［3-4］。

为培养材料、新能源材料与器件等专业高素质新型军事人才和专业人才的创新实践能力，坚持“学生中心、应用导向、问题牵引、能力培养”的实验教学理念，结合《新能源及能源材料》《能源材料与器件》等课程教学，以锂电池为对象，开设异形锂电池成型工艺及热失控测试实验课程。该实验课程在实际教学过程中存在着一些不足：①仪器种类繁多，专用设备价格昂贵；②实验过程步骤多、周期长；③实验过程存在一定的安全风险。

实验虚拟仿真以3D MAX、Maya、Unity 3D、Vega等为开发工具和平台，采用三维立体仿真、动画以及虚拟现实操作等多种手段对实验进行再现或模拟，由学生进行操作练习的一种实验方式［5-6］。其优势在于智能化、可视化，可应用于条件不具备或实际运行困难，涉及高成本、高危险或极端环境、高消耗/高毒性、大型或者综合性的实验［7-9］。借助互联网技术平台，虚拟仿真实验既拓展了实验教学内容的深度和广度，又延伸了实验教学的时间和空间，有利于实验教学质量水平的提高，在科学研究、人才培养、学科建设和产学研合作等方面具有不可替代的作用［10-12］。

为解决异形锂电池成型工艺及热失控测试实验教学过程中存在的不足，针对《新能源及能源材料》《能源材料与器件》等课程的相关教学内容，开发“异形锂电池成型工艺及热失控测试实验虚拟仿真”。通过对线下异形锂电池成型工艺及热失控测试实验教学进行虚拟仿真建设，不仅可将理论教学、基础实验和工程应用有机结合，而且可缩小理论教学与实际教学之间的差距，让学生对所学的知识要素有更深刻的认识和理解，有效培养学生的实践创新能力［13-14］。

1 实验虚拟仿真设计

1.1 实验目的

实验虚拟仿真以异形锂电池在无人机上的应用为背景，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，将学术研究和科研成果拓展转化为教学资源，开发出“异形锂电池成型工艺及热失控测试实验虚拟仿真”。实验目的如下：

（1）知识获取。了解锂离子电池的组成和原理，掌握异形锂电池“叠层-热压-造孔”成型工艺和绝热加速量热仪的工作原理。

（2）能力培养。掌握异形锂电池设计过程、成型工艺和热失控测试的操作流程，理解工艺参数对异形锂电池性能的影响。

（3）素质拓展。拓展以电池为点，以无人机、新能源材料为面的知识体系，以任务为牵引引导学生开展自主式、探究式学习，培养学生科学思维和素养。

（4）教学效果。紧扣锂电池的工程应用与技术发展前沿，激发学生学习和参与研究的兴趣，加深对锂电池的认识和理解。

1.2 实验虚拟仿真设计

1.2.1 实验内容设计

从电池制备工艺和安全性能评估两个方面，设计“异形锂电池成型工艺实验”和“异形锂电池热失控测试实验”。异形锂电池成型工艺实验主要内容为采用“叠层-热压-造孔”工艺制备不同弧度的锂电池；异形锂电池热失控测试实验主要内容为采用绝热加速量热仪测试异形锂电池的热失控温度，评价电池的热安全性能。

1.2.2 实验虚拟仿真交互性操作步骤设计

本实验教学属于《新能源及能源材料》《能源材料与课件》课程，共计4 个实验学时。实验流程如图1 所示。具体为：登录系统→实验室环境漫游认知→异形锂电池成型工艺及热失控测试学习→异形锂电池成型工艺及热失控测试考核→实验结论→实验结束→退出系统→发布成绩。

图1 异形锂电池成型工艺及热失控测试实验虚拟仿真流程

实验虚拟仿真的一个重要特点是交互性，在虚拟仿真实验过程中穿插交互性操作步骤可以促进学生的参与度，增加学生学习兴趣，提高实验效率［15］。实验设计了3 种类型，共21 个主要的交互性操作。①要求学生必须操作正确才能进行下一步，该类操作采用“高亮”标识。②学生即使操作不正确，仍可进行下一步，但最终无法得到合理的实验结果。③可设计类交互性操作，学生可根据需求设计制备不同弧度的异形电池。异形锂电池成型工艺主要有正极膜制备材料的选择、正极浆料的制备、PET膜的铺附、正极膜的制备、负极膜制备材料的选择、负极浆料的制备、负极膜的制备、正极膜热复合金属网的选择、正极膜与金属网热复合工艺、负极膜热复合金属网的选择、负极膜与金属网热复合工艺、热压成型模具的选择、热压成型温度和压力的设置、异形电芯的萃取与造孔、极耳的焊接与电池注液封装、异形电池化成与测试等主要交互性操作。异形锂电池热失控测试实验主要有电池热失控测试样品安装、充放电程序设置、ARC 程序参数设置、校准数据选择操作和测试结果分析等交互性操作步骤。

1.2.3 实验虚拟仿真评分体系设计

实验教学针对实验过程和实验结果进行综合评定，以考察学生掌握异形锂电池制备、热失控测试的实验过程操作及每个控制参数的调节。在此过程中，兼顾培养学生分析和解决问题的能力。系统平台自动记录学生的操作次数、操作时间、交互操作要点等数据，生成可追溯实验过程的记录和分数。同时要求学生撰写心得体会和实验报告，考查学生思考问题的深度和广度，并根据撰写情况给出人工评分，实现多维考核和评判。

学生最终得分由操作得分和实验报告得分两部分构成，如图2 所示。其中操作得分占总分的90%，由机器直接判读；实验报告得分占总分的10%，由授课教师评价。为鼓励学生开展线下实践操作，视情给予附加得分（最高10 分）。

图2 实验考核评分构成

1.2.4 核心要素仿真度

实验虚拟仿真的核心要素包括：异形锂电池设计、正负极膜制备、电芯热压成型、电性能测试、热失控测试与分析。各要素仿真度如下：

（1）实验虚拟仿真设备及对象的精确建模。虚拟仿真实验设备、对象的真实度与实验很接近，按照实物对其进行精确仿真建模，有利于学生更好地了解实验设备及对象。例如异形锂电池（见图3）和热失控测试设备绝热加速量热仪（见图4）。

图4 绝热加速量热仪及其仿真模型

（2）实验操作的高度还原。利用交互技术对异形锂电池制备、热失控测试及实验仪器的操作进行高度还原，使学生在虚拟环境中，了解和掌握整个实验的操作流程，在完成实验虚拟仿真后学生可独立进行实验操作。例如异形锂电池的封装操作（见图5）。

图5 异形锂电池的封装操作高度还原

（3）实验结果与虚拟模型的融合显示。实验虚拟仿真以科学的实验结果为基础，将实验产生的数据输入系统，确保实验虚拟仿真的真实性和准确性。例如异形锂电池热失控测试（见图6）。

图6 异形锂电池热失控测试

2 实验虚拟仿真教学方法及实施过程

实验虚拟仿真遵循“学生中心、应用导向、问题牵引、能力培养”的教学理念，利用现代信息技术，借助虚拟仿真实验平台，将传统实验教学向课前延伸、向课后拓展，结合学校的教学特色和实际，将科研成果拓展转化为教学资源，构建“课前任务牵引，课上虚拟仿真，课后实验验证”虚实结合的实验教学模式。项目采用游览式、流程式、交互式、精确式和反思式的“五式导引”实验教学方法，致力于培养学生的问题意识、创新精神、主动学习和自我反思的能力，有效激发学生求知欲，提高实践能力和创新能力，培养科学思维和素养。图7 展示了实验虚拟仿真的教学方法及其实施过程。

图7 实验教学方法及实施过程

实验教学实施过程

（1）课前准备。自主学习、电池设计、设计报告。

自主学习 课程开始前两周，组织学生建群分组。将实验指导书等相关资料发给学生，督促学生完成相关理论和操作流程的自主学习。

电池设计根据不同需求场景，向学生发布异形电池设计任务，要求学生根据课堂所学知识，通过文献查阅，完成电池设计工作。

设计报告要求学生根据设计要求，完成设计报告，并提交老师审批。

由图5可知，CODCr去除效果随着废水浓度增大呈逐渐提高的趋势。初始阶段处理效果不佳，这是由于反应刚开始时适应该废水水质的微生物还未生长，尚处于休眠状态，即污泥未起到作用，从而导致CODCr去除效果差；在废水浓度达到60%时，其去除率提高到20%左右，表明微生物量逐渐增加，但未驯化完全；废水浓度由60%提高到100%这一段曲线相对于前一段曲线增加幅度稍微平缓，污泥逐渐适应该制浆造纸废水水质；当处理100%的混凝-加核絮凝组合工艺处理后废水时，其CODCr去除率为24.1%，出水CODCr为88.1 mg/L，达到排放指标。

（2）课上引导。“五式导引”。在上机操作前，老师就实验操作过程中的难点、易错点及注意事项首先进行统一讲述和强调。

游览式熟悉场景学生以第一视角进入虚拟实验场景，能直观形象、立体生动地观察和感知实验场景及环境布局，通过文字和图片结合的方式了解该实验的背景、意义和所需的实验设备。

流程式引导学习进入学习模式，在实验流程程序的引导下，进行规范性操作学习，通过关键知识点强调、易错点提醒等，使学生掌握异形锂电池的特征、制备关键点、电化学性能与热失控测试的对应关系等知识，具备可操作制备异形锂电池和性能测试表征的相关能力。

交互式强化练习进入虚拟仿真环节后，学生成为实验操作的主体，可与各类材料和设备实时互动，进行设计与操作练习。系统具有错误提示和自动评价功能，学生通过人机交互方式可实现强化练习，实现边学习、边调整，错误和不足之处及时得到更正。

精确式全程记录 “学习模式”和“考核模式”均可自动生成追溯仿真全过程的记录，分别反馈学生有效学习时间以及对所学知识点的掌握程度。并可针对自己出错点有针性的反复练习，通过不断思考、分析和纠正问题所在，达到全面掌握实验操作的目的，提高学习效果。

反思式效果评价 依托仿真系统，引导学生完成在线操作和学习效果评价。在操作结束后，形成可追溯数据，作为学生反思和老师评价的主要依据。通过填写报告，学生可进一步反思自己的全部操作，并对自己掌握的情况作出评价，便于针对性的学习。老师可从学生的提问和心得体会中考查学生思考问题的深度，评价学生的学习效果。

（3）课后验证。实验验证。针对部分学习兴趣浓厚、时间充裕的同学，开展线下验证试验。由项目组成员和学生共同制定实验计划，进行异形锂电池的制备和常规性能测试，以验证虚拟仿真效果与实验之间的差异，并探讨分析其原因，如图8 所示。

图8 虚拟仿真与实验的差异性对比

3 实验虚拟仿真教学实施效果

经过2 个学年的使用，学生通过系统的学习实践，达到较好的教学效果。

（1）学生创新和实践能力显著提升，有效提高了人才培养质量。实验虚拟仿真突破了时间和空间的限制，学生可随时随地在网上进行仿真，提高学生的学习效率，培养学生主动学习、深度分析、大胆质疑、勇于创新实践的能力。平台的仿真度高，代入感强，尤其是设有纠错和评价功能可使学生更有针对性的反复练习，提高学习效果。通过该实验的学习，学生解决复杂问题的能力得到显著提升。

（2）实验周期大幅缩短，显著提升了实验教学效率。实验构筑了一个高度仿真、直观形象的实验场景，让学生如同亲临实境，增加了实验沉浸感，感受互动，提高学生学习兴趣。仿真有效解决了实验室无法接收高频次、大批量的学生同时开展实验；实验周期从几天缩减到4 学时之内，学生可反复进行实验练习，提升相关专业实验教学效率。

（3）教学成本大幅下降，满足了大规模教学需求。针对等待时间较长的实验操作，在不影响实验结果的前提下简化、缩短时间，及时向学生反馈实验结果，提升学生的体验感和获得感，节省学生的时间成本。虚拟仿真实验节省了实验设备与材料的购置、消耗及维护费用。

（4）教学资源实现全网共享，服务社会效果显著。实验不仅能够单机稳定运行，现已置于Internet 开放教学管理平台，能方便开展大容量班级仿真并向社会开放，实现教学资源共享。实验虚拟仿真教学项目不仅惠及本校相关专业的师生，也支持其他高校和企业的实验教学和技能培训，提升从业人员的专业化水平。

4 实验教学特色

（1）实验教学与科学研究有机结合，将科研成果与开展的前沿技术研究融入实践教学，具有很强的创新性和先进性。实验虚拟仿真以无人机发展对异形锂电池的需求为背景，将科研成果和开展的前沿技术研究引入实践教学，并转化为教学资源。实验模型、素材、工艺流程、实验参数等均源于科研成果，可通过虚拟仿真技术进行还原，也可将一些新理念转化为实验场景设计，增加实验教学的深度和广度，拓宽学生视野。

基于虚拟仿真平台能以更加高效的方式将装备科研攻关中的前沿技术发展动态、关键科学问题、技术难点和科研心得分享给学生，使学生沐浴科技氛围，增长科研见识，在激发学生科研兴趣的同时，提升学生实践创新能力，培养学生科研素养，增强其投身科研的意识，为社会培养高素质新型人才提供有力支撑。

（2）“课前任务牵引，课上虚拟仿真，课后实验验证”虚实结合的贯通式教学设计，能激励学生挑战自我，突破自我。课前学生根据无人机应用需求，完成电池在成型弧度、热压温度和压力等关键参数的自主设计，基于虚拟平台的学习和考核过程提高学生的操作技能，课下学生根据实验设计方案，实现线下自主验证，完成实验教学的闭环。在自主模式牵引下，有效激发学生学习热情，激励学生勇于挑战自我。

实验虚拟仿真过程复杂，关键性步骤易出错，难度大。在学习模式中，对实验的重难点和专业性较强的操作步骤，通过知识锦囊、考核解析和高亮提示等方式引导学生自主学习，达成学习目标。在考核模式中，学生如果使用“高亮提示”选项，系统将自动扣分，激励学生突破自我，在无提示下实现熟练操作。

（3）充分利用在线资源，教学过程融入课程思政元素，激发学生爱国情怀。实验虚拟仿真建设了完善的平台资源，提供无人机发展史、应用情况等资源，通过了解我国无人机的发展历程，让学生了解战争的残酷，激发学生报国热情，增强其使命感和责任感。实验不仅对学生传授知识和提高能力，而且对学生进行价值引领，达到课程思政的教学目的。

5 结语

能源和材料行业高素质专业人才是国防新型战斗力的重要支撑，也是国民经济发展急需的人才。人才的专业素质和技术能力的培养需要系统性知识结构建立和实践训练。

实验虚拟仿真结合“新工科”工程教育理念，按照“以学生为中心，以产出为导向”的建设思路，将异形锂电池的科研成果转化为实验教学内容，基于虚拟仿真、互联网、自动评测等技术，开发“异形锂电池成型工艺及热失控测试实验虚拟仿真”，实现课程知识点与实践训练的有效衔接。课程实践教学中，构建了“五式导引”教学方法和“课前任务牵引，课上虚拟仿真，课后实验验证”虚实结合的教学模式。通过实验虚拟仿真，提高学生的参与度，解决异形锂电池成型工艺及热失控测试实验“成本高、实践周期长、安全隐患大”等难题，摆脱实体实验对空间、时间和实验设备的限制，并通过科教融合拓展了学生的科学视野，提升学生的实践创新能力。