虚拟仿真和实物操作相结合的电动汽车实践教学探索

摘 要：随着我国电动汽车行业的迅速发展，电动汽车行业对相关人才的需求也日益增加，但电动汽车实践教学存在设备投入大、技术更新快、安全风险高等问题。基于虚拟仿真和实物操作相结合的电动汽车实践教学模式，通过引入虚拟仿真技术能够降本增效、提升教学安全性。以旋转变压器的实训教学为例，教师可先借助动画和模拟软件教授该元器件的结构及工作原理，再以先虚拟学习后实物操作的方式完成检测与拆装过程，贯穿产教融合要求，并以理论联系实际为思想指引，构建以学习者为中心、以满足企业需求为培养目标的学习环境，增强学习兴趣，实现高效课堂。

关键词：虚拟仿真；实物操作；电动汽车；实践教学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）21-0161-04

随着我国新能源汽车产业的迅速发展，电动汽车行业对相关人才的需求也日益增加。高素质人才的培养有助于加速技术突破，促进产业升级，为新能源汽车行业的持续健康发展提供坚实的人才支撑和智力保障。为响应国家新能源汽车产业发展需求，高校亟须积极加强相关专业建设，增设电动汽车相关课程，强化实践教学，提升学生的实际操作能力和工程实践能力，探究培养具有国际竞争力的电动汽车产业高素质人才的策略。课题组成员针对电动汽车实践教学和传统汽车实践教学的不同，根据汽车服务工程专业教与学的特点，采取分工协作的方式，探索了一条以企业需求为导向、以提升学生的学习力和创造力为根本目的的电动汽车实践教学新路。

一、实践教学引入虚拟仿真技术的优势

实践教学是除理论教学之外的重要教学活动，包括实验、实训、实习、设计等，旨在使学生获得感性知识，掌握技能技巧，培养解决问题能力。电动汽车实践教学是通过一定数量的实训项目让学生熟悉仪器设备的使用方法，掌握电动汽车结构和工作原理［1］。目前中北大学等山西省内相关院校在电动汽车实践教学方面多以实物教学为主，虚拟仿真教学的应用较少。

虚拟仿真技术是随着计算机技术发展和提高生产力要求应运而生的，在教学中采用虚拟仿真技术可以提高教师教学质量和学生学习积极性。虚拟仿真技术又称计算机仿真或虚拟现实技术，是指运用计算机形成三维动态实景，对系统的结构、功能进行动态的模仿，该技术一开始被运用于国防、军事领域如武器的研制、设计和制造等，之后渐渐被下放至民用领域，如产品制造、设计等方面。近年来，该技术的应用也拓展到教学方面，如运用虚拟仿真技术开展教学改革、提升人才培养质量等，近年来愈发受到重视。将虚拟仿真技术与新能源汽车相关专业的实践教学相结合具有以下优势。

首先，可以较低成本构建真实设备、真实实训、真实情景难以实现的教学环境。虚拟仿真技术的交互性强、参与性好、易提升学生兴趣，在新能源汽车实践课程里具有较好的教学效果。虚拟仿真技术可以模拟电动汽车组成，以知识单元为切入点，通过显示、隐藏、半透明、复原、爆炸、组合等形式仿真展示现实系统中难以理解的电池、电机和控制器复杂结构；通过动画方式演示永磁体转子、定子绕组接通交流电、产生定子旋转磁场、转子磁场受定子旋转磁场感应而跟着旋转等工作过程；虚拟拆装和检测模块可以利用系统提供的工具、仪表按照提示操作步骤训练学生。电动汽车相关设备的前期投入往往较大，加之技术更新较快，实训设备需随着产业的发展而更新，都将产生较大的经费开支，对于一般院校来说有巨大的经费压力［2-4］，而引入虚拟仿真技术可以减少电动汽车实践教学的前期投资，并且升级换代的方式较为简便。

其次，可以提升实训的安全性。电动汽车涉及高压电，让没有实践经验的学生直接操作实物有一定的安全风险，且容易损坏仪器增加教学成本。而采用虚拟仿真技术，就可使用虚拟的检测界面提供的测试仪器（如电压表、电流表、示波器等）开展高压电气系统的教学，通过虚拟仿真技术让学生测量相关数据、开展拆装仿真训练等，降低安全风险。

最后，提供了极大的学习便利性和灵活性。它打破了传统实训教育的地理和时间限制。学生可以根据自己的时间安排申请虚拟仿真实训课程，以满足不同学生的学习需求，缓解了实践教学资源紧张的现状。同时，学生能根据自己的进度和能力进行学习，自主选择学习路径和资源，从而实现因材施教。这样的教学方式能摆脱课程的时空限制，并较大程度地发挥学生学习积极性和主动性［5］。学生在完成学习后进入考核环节，考核系统能根据学生操作的正确率算出成绩，客观评价实训效果。

但同时，也不能忽视实物操作教学在电动汽车实践教学中的作用，如实物操作和将来工作现场环境具有类似之处，能有效反映出实际情况中碰到的问题等。因此，在实践教学中将虚拟仿真技术和实物操作结合，可将诸多优点结合起来，避免单一教学模式的不足，具有很高的应用价值。

二、电动汽车实践教学的具体实践

电动汽车主要包括动力电机及控制器、电池系统、整车控制器、空调等子系统。旋转变压器作为动力电机的重要部件，也是实际维修时较常遇到的故障元器件，通过教学让学生掌握其结构原理和排除故障的方法非常重要。以下，以旋转变压器检测和拆装为实训案例，阐述该模式的应用实践。

（一）引导学生认识旋转变压器基本工作原理

旋转变压器由定子、转子两部分构成，定子包括励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组。定子安装在驱动电机后盖上，转子有4个凸起，安装在电机转子上随其共同转动（如图1所示）。

电动汽车电机转子磁极位置一般由旋转变压器来测定，并根据测定值为电机控制器内的逆变器（IGBT模块）提供正确的换向信息。电机工作时，旋转变压器定子绕组上的励磁绕组产生频率为10 kHz，幅值为7.5 V的基准波形作为输出信号，当电机转子与旋转变压器转子共同转动时，旋转变压器转子转过定子线圈，改变了定子线圈与转子之间的磁通，使得正弦绕组和余弦绕组受励磁绕组感应，信号幅值产生一定变化，呈正弦和余弦波形。波形的幅值和相位因与电机转子同转的旋转变压器转子的变化而变化，控制系统由此可以判断出电机转子的位置、转速和旋转方向。教师通过虚实结合的方式引导学生认识该元器件的基本构造及工作原理。

首先，在授课初始阶段，教师借助动画和模拟软件展示其内部结构的运转和电磁信号的转换过程。制作的动画或者选择的教学素材应能清晰呈现定子上的绕组分布、转子的形状和磁极排列。要注意动画是否突出定子和转子之间的相对旋转运动，以及随之产生的磁场变化和电磁感应过程，是否通过不同颜色和线条来区分电流的流向和磁场的方向，让学生一目了然。还可以设置互动环节，运用专业的电路模拟软件，如Multisim或LTspice。在软件中搭建旋转变压器的模型，让学生能够自由调整输入参数，如旋转速度、输入电压等。同时，在示波器上实时观察输出信号的波形变化，例如正弦波的幅度、频率和相位的改变。通过这种互动操作，学生可以更直观地理解旋转变压器的特性和性能指标。

其次，教师通过实物展示和实际操作的方式，带领学生认识该元器件。准备一个具有代表性的旋转变压器，在拆解过程中，详细介绍每个部件的名称、材料和制造工艺。例如，定子的铁芯通常采用硅钢片叠压而成，讲解硅钢片的特性和叠压的目的；转子上的永磁体或励磁绕组，介绍其材料的选择和磁场强度的影响因素。可让学生上手触摸并观察部件的表面粗糙度、形状精度等，感受制造工艺的精细程度。同时，对比不同质量或损坏程度的部件，让学生了解质量对性能的影响。学生可以通过手动旋转驱动电机带动旋转变压器的转子，在示波器上观察输出信号的变化。还可以改变输入电源的电压和频率，观察对输出信号的影响。

（二）电机旋转变压器虚拟检测和虚拟拆装

本文采用的这款三维虚拟仿真教学软件以吉利帝豪EV450电机为模型，虚拟软件的硬件配置CPU：Intel Core i5同等或更高配置；RAM：4 GB或以上；操作系统：Windows 7 SP1、Windows 8.1、Windows 10 或更高版本，软件提供工具、仪器、零件柜等选项可以实现拆装，电阻测量等功能［6-7］。利用虚拟仿真软件可以实现虚拟旋转变压器参数测量和拆装等功能，因此可通过测量得到的数据判断元件是否出现短路、断路和搭铁等异常情况，让学生通过虚拟拆装，对旋转变压器的结构和原理有进一步了解，为后续相关知识学习打下基础。

引导学生利用软件提供的万用表测量旋转变压器正弦、余弦和励磁绕组的阻值。如本次实例中，将万用表拨到欧姆档，测得励磁绕组的阻值8.7 Ω，电阻值正常（标准值9.5±1.5 Ω），另外还可以检测定子绕组和壳体间的绝缘性、每相绕组的电阻值从而判断绕组是否正常［如图2（a）所示］；利用软件提供的工具如改锥、扳手等，先拆下插接器然后依次拆下温度传感器插针、接线盒端盖、三相线接头，拆卸电机后端盖后即可拆卸旋转变压器［如图2（b）所示］。安装顺序与拆卸顺序相反，大致为先将旋转变压器定子部分安装进电机后端盖，之后安装电机端盖、三相线接头、接线盒端盖、温度传感器插针、插接器等即可完成安装，通过虚拟软件提供的示波器观察励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的波形是否正常从而判断其是否正确安装。

教学完成，如时间富余教师还可以引申介绍一些热门的新能源汽车品牌的旋转变压器，并分析其如何实现精确的电机转速和位置检测，从而优化电机的控制策略，提高动力性能和能源利用效率。还可以对比不同类型新能源汽车，如纯电动汽车和混合动力汽车中旋转变压器的应用差异。例如，纯电动汽车可能对旋转变压器的精度和响应速度要求更高，而混合动力汽车则需要考虑在不同工作模式下旋转变压器的性能表现。以此引导学生思考旋转变压器在未来新能源汽车发展中的趋势，如更高的集成度、更小的尺寸、更先进的材料和制造工艺等。同时，探讨可能出现的新技术和替代品，如基于磁阻效应或霍尔效应的传感器，激发学生的技术创新思考，激励学生向新的方向发起挑战。

（三）电机旋转变压器实物检测和拆装

通过对旋转变压器虚拟检测和拆装，学生对其结构和工作原理有了较深认识，接下来通过实物操作让学生进一步巩固旋转变压器检测和拆装相关知识，加深对电机旋转变压器的认识。

电机旋转变压器实物检测和拆装过程如下：学生用万用表测量电机台架上旋转变压器插座端子可以测得其正弦绕组、余弦绕组和励磁绕组电阻值，如图3（a）测得励磁绕组阻值为9.6 Ω（标准值9.5±1.5 Ω），说明绕组正常；按照旋转变压器拆卸的步骤可以取下旋转变压器实物如图3（b）所示，按与拆卸相反的顺序将其装上电机，利用示波器可以观察励磁绕组、正弦绕组和余弦绕组的波形是否正常从而判断其是否装好。该过程可组织小组实验，每个小组分配不同的任务，如测量旋转变压器在不同转速下的输出精度、分辨率和线性度等性能参数。小组成员需要分派不同合作任务，如进行数据采集、记录和分析等教学实践任务。实验结束后，各小组进行汇报和交流，共同探讨实验结果和发现的问题。

上述电动汽车的实践教学完成了虚拟仿真部分与实物操作部分相结合的教学过程，其中将虚拟仿真与知识点紧密结合的设计，能够锻炼学生对实训的熟悉程度，然后进入考核环节，检测掌握程度。实物操作部分是在教师的讲解下进行实训，培养学生的逻辑思维能力的同时锻炼学生的动手能力并在熟练的基础上完成考核。考核内容包括仪器的正确使用、操作步骤等。课程结束，学生通过撰写实训报告总结课题，报告内容可以包括实训目的、实训仪器设备、实训要求和实训步骤等。其目的是让学生对专业知识有更深刻的认识，锻炼学生的书面表达能力，更好地理解电动汽车比燃油汽车节能环保的原理。从实物的拆装具体情况来看，学生在进行虚拟仿真操作后，能对旋转变压器参数测量、拆装步骤具有较高的熟练度，能为实物操作打下良好基础，进而在实物操作环节更为娴熟，巩固操作技能，适应现场的工作环境。

综上所述，在电动汽车实践教学中将虚拟仿真和实物操作相结合，贯穿产教融合要求并引入案例教学法，以理论联系实际为思想指引，构建以学习者为中心、以满足企业需求为培养目标的学习环境，既有利于提高教学效果、提升学生学习兴趣，又能让教师在实践中发现新问题，提高解决实际问题的能力，改进教学方式，提升教学水平。教学团队认为虚拟仿真和实物操作相结合的模式与电动汽车实践教学较为适配，在新能源汽车产品蓬勃发展、数字技术与教育相融合的大背景下，高校应加大该方面的研究力度，以实现高效课堂，提升新能源汽车专业人才综合素质，为行业输送更优秀的人才。

参考文献

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［10］孙龙，马艺丹，常若松.自评的驾驶能力与危险类型对年轻新手危险知觉的影响［J］.交通运输系统工程与信息，2019，19（1）：228-232.

注：本文系山西省教育科学“十四五”规划课题（GH-21472）的研究成果之一。

（责编 罗异丰）