虚拟仿真技术在新能源汽车类专业教学中的创新应用研究

夏长明,陈伙南,蒙劭洋

(广州城建职业学院,广州 510925)

0 引言

根据《新能源汽车产业发展规划(2021—2035)》,目前汽车行业正处于由传统燃油汽车向新能源汽车转型的时期,而且纯电动汽车将成为新能源汽车的主流产品。发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,是推动绿色低碳发展的战略举措[1]。

随着国内新能源汽车产销量的不断攀升,作为汽车维修行业,对新能源汽车维修人才的需求也不断增加[2]。但新能源汽车及配套设备价格高昂等因素造成该类专业教学人力物力成本较高。因此,采用虚拟仿真技术将新能源汽车结构原理进行立体化展示,让学生在高沉浸感的三维虚拟环境中进行零危险的操作训练,既可增加学习趣味性,又可降低学习难度和实车损耗,具有广阔的应用前景[3]。

1 应用优势

虚拟仿真技术是基于互联网的新型技术,将其应用在纯电动汽车理论教学中,通过三维立体模式,将纯电动汽车整体结构组成及工作原理,进行多方位多角度的展示,助力学生对疑难结构、复杂原理更直观形象地感知。同时,在实践教学中将虚拟仿真技术与传统实训教学方式相结合,创新虚实结合的实践教学方式,能够增强学生好奇心,激发学生学习兴趣,对于推动新能源汽车类专业教学改革具有十分重要的意义[4]。

1.1 优化课程教学手段,助力学生攻克难点理论知识

认真梳理新能源汽车专业核心课程中如动力电池均衡性控制、驱动电机旋变控制以及整车控制等复杂、抽象、难懂的原理性知识,利用虚拟仿真技术,通过分解视图详细了解核心总成、相关系统以及整车的工作过程和控制原理,解决讲解难以破解、拆装无法实现的复杂原理性知识学习难题,从而优化课程教学手段,助力学生攻克难点理论知识。

1.2 消除实训安全隐患,加快学生掌握核心操作技能

动力电池、驱动电机、整车控制是三电核心技术,其结构识别、运行原理、性能测试是最难学、最难懂、最重要的部分。利用虚拟仿真技术让学生在虚拟环境中进行零件拆卸、组装、检查、更换等交互式虚拟操作实训;使用虚拟仿真个人防护设备和工作场所,指导学生按照标准程序进行规范操作,掌握应对电击和火灾的能力[5],从而消除实训安全隐患,加快学生掌握核心操作技能。

1.3 优化实训教学环境,避免仪器设备受损情况发生

纯电动汽车对检修工具的安全性要求很高,相应价格也很高,台套数难以保证,使得实训教学难以达到预期效果[6]。而虚拟仿真技术可用较低成本解决这一难题,可实现传统教学向网络化、虚拟化方向发展。利用虚拟仿真系统让学生进入虚拟拆装互动界面进行虚拟实训,并且利用其放大缩小、旋转以及透视等功能,加深对纯电动汽车的认知。使用虚拟仿真技术进行实训还能够避免仪器设备受损情况的发生,可有效节省教学成本,优化实训环境[7]。

2 在核心课程教学中的创新应用

2.1 在理论教学中的创新应用

借助虚拟现实技术建立的三维电动汽车模型,显示动力电池的结构、能量管理系统、驱动电机及其调速控制装置、电动空调等部分细节[8]。在抽象理论知识点的教学环节,采用虚拟仿真教学手段,让学生体验身临其境的感觉,实现课堂互动教学,最大限度地激发学生的学习兴趣,从而破解知识难点。

一是利用虚拟仿真软件的三维动画结合音视频技术模拟仿真场景,全方位、无死角地展示纯电动汽车整车结构组成。能够为学生提供逼真、生动的“实车”情境,从而克服传统教学中过分依赖语言描述、缺乏形象展现的缺点。

二是利用虚拟仿真软件的传感器信号输入、ECU指令、执行器动作等高新技术,向学生完整地展示纯电动汽车电机驱动、电源管理、整车控制及局域网通讯等主要系统的运行原理。可将书本理论知识具象化,使学生能够在虚拟教学环境中更加实际地观察各种工作条件下纯电动汽车的控制运行原理。

三是利用虚拟仿真软件的三维图形、传感测量、立体显示等多种前沿技术，将动力电池的结构组成、连接组装及电池组的电压大小、电流流向等现实无法直接观看的工作原理，进行无死角、全方位翻转展示。可将复杂、抽象、难懂的理论知识进行可视化、形象化、立体化演示，从而降低学习难度。

四是利用虚拟仿真技术的5D场景，全方位、无死角、立体化展示驱动电机的结构组成；通过虚拟仿真的三维环境合成技术，对直流电机运行特性、交流感应电机输出特性等进行仿真探测和体验。能够让学生在可视化环境下进行信息的控制和各种操控的测试，从而帮助学生破解直流电机运行特性、交流感应电机输出特性等复杂、抽象、难点知识。

五是利用虚拟仿真软件根据动态环境获取三维数据,并使用三维数据建立动态环境模型的核心技术,破解驱动电机控制器的结构组成及控制原理等难点理论知识。可提供多源信息融合的、交互的三维模拟环境技术,从而帮助学生形成感性和理性认识,锻炼创造性思维,以更好地理解抽象、复杂、难以意会的理论知识。

2.2 在实践教学中的创新应用

在进行生产性实训前,先让学生进行虚拟仿真演练,通过虚拟仿真操作,让学生提前了解实训的目的及实训过程,熟悉实训操作的流程及要领,之后完成真实的实训项目。纯电动汽车中的“三电技术”核心课程,若利用虚拟仿真技术可改善实训环境、优化教学过程、弥补实操缺项、确保实习安全,帮助学生掌握核心技能。

一是利用虚拟仿真软件的虚拟拆装模块,通过佩戴虚拟眼镜并通过手柄或手势识别,与虚拟环境中的纯电动汽车三维模型进行交互,实现纯电动汽车各个零部件的虚拟拆卸和安装实训。由于能够模拟仿真场景,可先模拟辅助指导,避免高电压实操,降低硬件损耗,实现标准化操作,从而杜绝实训误操作现象的发生。

二是利用虚拟仿真软件的原理三维可视化模块,对汽车各系统中通过实操难以实际观察的运行过程进行演示,如电流流动、电池温度控制、电机运转等实践内容。可达到“以虚补实”的实训效果,从而帮助学生更好地掌握纯电动汽车的结构组成和运行原理等核心技能。

三是利用虚拟仿真软件的传感测量技术、三维建模技术,仿真动力模块中驱动电机的额定功率与峰值功率、额定转矩与峰值转矩等性能参数与能量来源动力电池的容量、电压等性能参数之间的匹配情况。可完成通过纯电动汽车整车实训无法完成的驱动电机性能参数与动力电池性能参数之间相互匹配的复杂、抽象技术试验。

四是利用虚拟仿真软件的模拟诊断仪读取故障码,查看电池包的容量均衡性、总电压、SOC等数据流;利用虚拟仿真软件的模拟测试,及时发现动力电池模组的健康状况,并采取相应充电操作等仿真实训。能够做到学生和实际设备不接触,可有效避免高压触电危险;对于电池模组更换等工作,可事先做好预演,可提高实操的效率和安全性,减小损坏仪器的风险。

五是利用三维仿真技术模拟和创造出丰富的故障案例,通过网络技术手段,将真实的汽车电路图制成动画视频,并设计故障检测维修设置,提供虚拟测量工具,引导学生在电脑上完成仿真实训。可零距离、零危险、零损耗地进行纯电动汽车的故障诊断与排除仿真实训,从而解决实车教学无法接触检测、场地限制以及纯电动汽车高电压难于实操等难题。

3 在教学评价中的创新应用

3.1 规范学生操作,提高教学质量

虚拟仿真系统能够对学生的装拆顺序、零部件放置等相关操作进行严密的监控,对学生的一些不规范操作进行警示,对学生拆装速度和错误的操作进行记录,将相关数据进行量化,对学生进行更加科学的评分。这样能够让学生进行自我反思,教师进行针对性指导,进而规范学生操作,提高教学质量。

3.2 量化评估指标,提高评价质量

虚拟仿真软件不仅实现了实操技能的量化评估,而且考核结果具有科学性,能够很好地反映出学生的综合素质和技能水平。考试系统一般有故障检测面板、考试软件、连接线束和故障设置器等部分,可以根据需求随机设置故障、随机抽题组题,整个考试过程自动记录,自动评分,科学、公平、安全可靠,可操作性强[9]。

3.3 优化考核指标,提高学习质量

在纯电动汽车核心课程的总评成绩中,适当增加虚拟教学系统考核成绩的权重,可充分调动学生理论学习和实操实训的主动性。有关试点学校统计数据表明,通过虚拟教学技术的融入,学生的实操技能提升快,成绩普遍提高。

4 结语

研究表明,在新能源汽车类专业的理论与实践教学以及考核评价中创新应用虚拟仿真技术,确实能够帮助学生破解知识难点、掌握核心技能,并能够弥补实训设备不足所带来的实操缺项、同时能够消除实训安全隐患、提高人才培养质量。希望各级各类职业院校加快推广使用该项技术,以实现人才培养与市场需求之间的无缝衔接,从而更好地为新能源汽车产业可持续发展助力,为节能减排做出新的贡献。