虛擬仿真和實物操作相結(jié)合的電動汽車實踐教學(xué)探索

摘要：隨著我國電動汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，電動汽車行業(yè)對相關(guān)人才的需求也日益增加，但電動汽車實踐教學(xué)存在設(shè)備投入大、技術(shù)更新快、安全風(fēng)險高等問題。基于虛擬仿真和實物操作相結(jié)合的電動汽車實踐教學(xué)模式，通過引入虛擬仿真技術(shù)能夠降本增效、提升教學(xué)安全性。以旋轉(zhuǎn)變壓器的實訓(xùn)教學(xué)為例，教師可先借助動畫和模擬軟件教授該元器件的結(jié)構(gòu)及工作原理，再以先虛擬學(xué)習(xí)后實物操作的方式完成檢測與拆裝過程，貫穿產(chǎn)教融合要求，并以理論聯(lián)系實際為思想指引，構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心、以滿足企業(yè)需求為培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)習(xí)環(huán)境，增強學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)高效課堂。關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實物操作；電動汽車；實踐教學(xué)隨著我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電動汽車行業(yè)對相關(guān)人才的需求也日益增加。高素質(zhì)人才的培養(yǎng)有助于加速技術(shù)突破，促進產(chǎn)業(yè)升級，為新能源汽車行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供堅實的人才支撐和智力保障。為響應(yīng)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，高校亟須積極加強相關(guān)專業(yè)建設(shè)，增設(shè)電動汽車相關(guān)課程，強化實踐教學(xué)，提升學(xué)生的實際操作能力和工程實踐能力，探究培養(yǎng)具有國際競爭力的電動汽車產(chǎn)業(yè)高素質(zhì)人才的策略。課題組成員針對電動汽車實踐教學(xué)和傳統(tǒng)汽車實踐教學(xué)的不同，根據(jù)汽車服務(wù)工程專業(yè)教與學(xué)的特點，采取分工協(xié)作的方式，探索了一條以企業(yè)需求為導(dǎo)向、以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)力和創(chuàng)造力為根本目的的電動汽車實踐教學(xué)新路。一、實踐教學(xué)引入虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢實踐教學(xué)是除理論教學(xué)之外的重要教學(xué)活動，包括實驗、實訓(xùn)、實習(xí)、設(shè)計等，旨在使學(xué)生獲得感性知識，掌握技能技巧，培養(yǎng)解決問題能力。電動汽車實踐教學(xué)是通過一定數(shù)量的實訓(xùn)項目讓學(xué)生熟悉儀器設(shè)備的使用方法，掌握電動汽車結(jié)構(gòu)和工作原理［1］。目前中北大學(xué)等山西省內(nèi)相關(guān)院校在電動汽車實踐教學(xué)方面多以實物教學(xué)為主，虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用較少。虛擬仿真技術(shù)是隨著計算機技術(shù)發(fā)展和提高生產(chǎn)力要求應(yīng)運而生的，在教學(xué)中采用虛擬仿真技術(shù)可以提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。虛擬仿真技術(shù)又稱計算機仿真或虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是指運用計算機形成三維動態(tài)實景，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能進行動態(tài)的模仿，該技術(shù)一開始被運用于國防、軍事領(lǐng)域如武器的研制、設(shè)計和制造等，之后漸漸被下放至民用領(lǐng)域，如產(chǎn)品制造、設(shè)計等方面。近年來，該技術(shù)的應(yīng)用也拓展到教學(xué)方面，如運用虛擬仿真技術(shù)開展教學(xué)改革、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量等，近年來愈發(fā)受到重視。將虛擬仿真技術(shù)與新能源汽車相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)相結(jié)合具有以下優(yōu)勢。首先，可以較低成本構(gòu)建真實設(shè)備、真實實訓(xùn)、真實情景難以實現(xiàn)的教學(xué)環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)的交互性強、參與性好、易提升學(xué)生興趣，在新能源汽車實踐課程里具有較好的教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)可以模擬電動汽車組成，以知識單元為切入點，通過顯示、隱藏、半透明、復(fù)原、爆炸、組合等形式仿真展示現(xiàn)實系統(tǒng)中難以理解的電池、電機和控制器復(fù)雜結(jié)構(gòu)；通過動畫方式演示永磁體轉(zhuǎn)子、定子繞組接通交流電、產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場、轉(zhuǎn)子磁場受定子旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)而跟著旋轉(zhuǎn)等工作過程；虛擬拆裝和檢測模塊可以利用系統(tǒng)提供的工具、儀表按照提示操作步驟訓(xùn)練學(xué)生。電動汽車相關(guān)設(shè)備的前期投入往往較大，加之技術(shù)更新較快，實訓(xùn)設(shè)備需隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而更新，都將產(chǎn)生較大的經(jīng)費開支，對于一般院校來說有巨大的經(jīng)費壓力［2-4］，而引入虛擬仿真技術(shù)可以減少電動汽車實踐教學(xué)的前期投資，并且升級換代的方式較為簡便。其次，可以提升實訓(xùn)的安全性。電動汽車涉及高壓電，讓沒有實踐經(jīng)驗的學(xué)生直接操作實物有一定的安全風(fēng)險，且容易損壞儀器增加教學(xué)成本。而采用虛擬仿真技術(shù)，就可使用虛擬的檢測界面提供的測試儀器（如電壓表、電流表、示波器等）開展高壓電氣系統(tǒng)的教學(xué)，通過虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生測量相關(guān)數(shù)據(jù)、開展拆裝仿真訓(xùn)練等，降低安全風(fēng)險。最后，提供了極大的學(xué)習(xí)便利性和靈活性。它打破了傳統(tǒng)實訓(xùn)教育的地理和時間限制。學(xué)生可以根據(jù)自己的時間安排申請?zhí)摂M仿真實訓(xùn)課程，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，緩解了實踐教學(xué)資源緊張的現(xiàn)狀。同時，學(xué)生能根據(jù)自己的進度和能力進行學(xué)習(xí)，自主選擇學(xué)習(xí)路徑和資源，從而實現(xiàn)因材施教。這樣的教學(xué)方式能擺脫課程的時空限制，并較大程度地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性［5］。學(xué)生在完成學(xué)習(xí)后進入考核環(huán)節(jié)，考核系統(tǒng)能根據(jù)學(xué)生操作的正確率算出成績，客觀評價實訓(xùn)效果。但同時，也不能忽視實物操作教學(xué)在電動汽車實踐教學(xué)中的作用，如實物操作和將來工作現(xiàn)場環(huán)境具有類似之處，能有效反映出實際情況中碰到的問題等。因此，在實踐教學(xué)中將虛擬仿真技術(shù)和實物操作結(jié)合，可將諸多優(yōu)點結(jié)合起來，避免單一教學(xué)模式的不足，具有很高的應(yīng)用價值。二、電動汽車實踐教學(xué)的具體實踐電動汽車主要包括動力電機及控制器、電池系統(tǒng)、整車控制器、空調(diào)等子系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器作為動力電機的重要部件，也是實際維修時較常遇到的故障元器件，通過教學(xué)讓學(xué)生掌握其結(jié)構(gòu)原理和排除故障的方法非常重要。以下，以旋轉(zhuǎn)變壓器檢測和拆裝為實訓(xùn)案例，闡述該模式的應(yīng)用實踐。（一）引導(dǎo)學(xué)生認識旋轉(zhuǎn)變壓器基本工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器由定子、轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，定子包括勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組。定子安裝在驅(qū)動電機后蓋上，轉(zhuǎn)子有4個凸起，安裝在電機轉(zhuǎn)子上隨其共同轉(zhuǎn)動（如圖1所示）。電動汽車電機轉(zhuǎn)子磁極位置一般由旋轉(zhuǎn)變壓器來測定，并根據(jù)測定值為電機控制器內(nèi)的逆變器（IGBT模塊）提供正確的換向信息。電機工作時，旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組上的勵磁繞組產(chǎn)生頻率為10kHz，幅值為7.5V的基準(zhǔn)波形作為輸出信號，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子共同轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過定子線圈，改變了定子線圈與轉(zhuǎn)子之間的磁通，使得正弦繞組和余弦繞組受勵磁繞組感應(yīng)，信號幅值產(chǎn)生一定變化，呈正弦和余弦波形。波形的幅值和相位因與電機轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的變化而變化，控制系統(tǒng)由此可以判斷出電機轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。教師通過虛實結(jié)合的方式引導(dǎo)學(xué)生認識該元器件的基本構(gòu)造及工作原理。首先，在授課初始階段，教師借助動畫和模擬軟件展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運轉(zhuǎn)和電磁信號的轉(zhuǎn)換過程。制作的動畫或者選擇的教學(xué)素材應(yīng)能清晰呈現(xiàn)定子上的繞組分布、轉(zhuǎn)子的形狀和磁極排列。要注意動畫是否突出定子和轉(zhuǎn)子之間的相對旋轉(zhuǎn)運動，以及隨之產(chǎn)生的磁場變化和電磁感應(yīng)過程，是否通過不同顏色和線條來區(qū)分電流的流向和磁場的方向，讓學(xué)生一目了然。還可以設(shè)置互動環(huán)節(jié)，運用專業(yè)的電路模擬軟件，如Multisim或LTspice。在軟件中搭建旋轉(zhuǎn)變壓器的模型，讓學(xué)生能夠自由調(diào)整輸入?yún)?shù)，如旋轉(zhuǎn)速度、輸入電壓等。同時，在示波器上實時觀察輸出信號的波形變化，例如正弦波的幅度、頻率和相位的改變。通過這種互動操作，學(xué)生可以更直觀地理解旋轉(zhuǎn)變壓器的特性和性能指標(biāo)。其次，教師通過實物展示和實際操作的方式，帶領(lǐng)學(xué)生認識該元器件。準(zhǔn)備一個具有代表性的旋轉(zhuǎn)變壓器，在拆解過程中，詳細介紹每個部件的名稱、材料和制造工藝。例如，定子的鐵芯通常采用硅鋼片疊壓而成，講解硅鋼片的特性和疊壓的目的；轉(zhuǎn)子上的永磁體或勵磁繞組，介紹其材料的選擇和磁場強度的影響因素?？勺寣W(xué)生上手觸摸并觀察部件的表面粗糙度、形狀精度等，感受制造工藝的精細程度。同時，對比不同質(zhì)量或損壞程度的部件，讓學(xué)生了解質(zhì)量對性能的影響。學(xué)生可以通過手動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子，在示波器上觀察輸出信號的變化。還可以改變輸入電源的電壓和頻率，觀察對輸出信號的影響。（二）電機旋轉(zhuǎn)變壓器虛擬檢測和虛擬拆裝本文采用的這款三維虛擬仿真教學(xué)軟件以吉利帝豪EV450電機為模型，虛擬軟件的硬件配置CPU：IntelCorei5同等或更高配置；RAM：4GB或以上；操作系統(tǒng)：Windows7

SP1、Windows8.1、Windows10或更高版本，軟件提供工具、儀器、零件柜等選項可以實現(xiàn)拆裝，電阻測量等功能［6-7］。利用虛擬仿真軟件可以實現(xiàn)虛擬旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)測量和拆裝等功能，因此可通過測量得到的數(shù)據(jù)判斷元件是否出現(xiàn)短路、斷路和搭鐵等異常情況，讓學(xué)生通過虛擬拆裝，對旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和原理有進一步了解，為后續(xù)相關(guān)知識學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。引導(dǎo)學(xué)生利用軟件提供的萬用表測量旋轉(zhuǎn)變壓器正弦、余弦和勵磁繞組的阻值。如本次實例中，將萬用表撥到歐姆檔，測得勵磁繞組的阻值8.7Ω，電阻值正常（標(biāo)準(zhǔn)值9.5±1.5Ω），另外還可以檢測定子繞組和殼體間的絕緣性、每相繞組的電阻值從而判斷繞組是否正常［如圖2（a）所示］；利用軟件提供的工具如改錐、扳手等，先拆下插接器然后依次拆下溫度傳感器插針、接線盒端蓋、三相線接頭，拆卸電機后端蓋后即可拆卸旋轉(zhuǎn)變壓器［如圖2（b）所示］。安裝順序與拆卸順序相反，大致為先將旋轉(zhuǎn)變壓器定子部分安裝進電機后端蓋，之后安裝電機端蓋、三相線接頭、接線盒端蓋、溫度傳感器插針、插接器等即可完成安裝，通過虛擬軟件提供的示波器觀察勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的波形是否正常從而判斷其是否正確安裝。教學(xué)完成，如時間富余教師還可以引申介紹一些熱門的新能源汽車品牌的旋轉(zhuǎn)變壓器，并分析其如何實現(xiàn)精確的電機轉(zhuǎn)速和位置檢測，從而優(yōu)化電機的控制策略，提高動力性能和能源利用效率。還可以對比不同類型新能源汽車，如純電動汽車和混合動力汽車中旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用差異。例如，純電動汽車可能對旋轉(zhuǎn)變壓器的精度和響應(yīng)速度要求更高，而混合動力汽車則需要考慮在不同工作模式下旋轉(zhuǎn)變壓器的性能表現(xiàn)。以此引導(dǎo)學(xué)生思考旋轉(zhuǎn)變壓器在未來新能源汽車發(fā)展中的趨勢，如更高的集成度、更小的尺寸、更先進的材料和制造工藝等。同時，探討可能出現(xiàn)的新技術(shù)和替代品，如基于磁阻效應(yīng)或霍爾效應(yīng)的傳感器，激發(fā)學(xué)生的技術(shù)創(chuàng)新思考，激勵學(xué)生向新的方向發(fā)起挑戰(zhàn)。（三）電機旋轉(zhuǎn)變壓器實物檢測和拆裝通過對旋轉(zhuǎn)變壓器虛擬檢測和拆裝，學(xué)生對其結(jié)構(gòu)和工作原理有了較深認識，接下來通過實物操作讓學(xué)生進一步鞏固旋轉(zhuǎn)變壓器檢測和拆裝相關(guān)知識，加深對電機旋轉(zhuǎn)變壓器的認識。電機旋轉(zhuǎn)變壓器實物檢測和拆裝過程如下：學(xué)生用萬用表測量電機臺架上旋轉(zhuǎn)變壓器插座端子可以測得其正弦繞組、余弦繞組和勵磁繞組電阻值，如圖3（a）測得勵磁繞組阻值為9.6Ω（標(biāo)準(zhǔn)值9.5±1.5Ω），說明繞組正常；按照旋轉(zhuǎn)變壓器拆卸的步驟可以取下旋轉(zhuǎn)變壓器實物如圖3（b）所示，按與拆卸相反的順序?qū)⑵溲b上電機，利用示波器可以觀察勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的波形是否正常從而判斷其是否裝好。該過程可組織小組實驗，每個小組分配不同的任務(wù)，如測量旋轉(zhuǎn)變壓器在不同轉(zhuǎn)速下的輸出精度、分辨率和線性度等性能參數(shù)。小組成員需要分派不同合作任務(wù)，如進行數(shù)據(jù)采集、記錄和分析等教學(xué)實踐任務(wù)。實驗結(jié)束后，各小組進行匯報和交流，共同探討實驗結(jié)果和發(fā)現(xiàn)的問題。上述電動汽車的實踐教學(xué)完成了虛擬仿真部分與實物操作部分相結(jié)合的教學(xué)過程，其中將虛擬仿真與知識點緊密結(jié)合的設(shè)計，能夠鍛煉學(xué)生對實訓(xùn)的熟悉程度，然后進入考核環(huán)節(jié)，檢測掌握程度。實物操作部分是在教師的講解下進行實訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力的同時鍛煉學(xué)生的動手能力并在熟練的基礎(chǔ)上完成考核?？己藘?nèi)容包括儀器的正確使用、操作步驟等。課程結(jié)束，學(xué)生通過撰寫實訓(xùn)報告總結(jié)課題，報告內(nèi)容可以包括實訓(xùn)目的、實訓(xùn)儀器設(shè)備、實訓(xùn)要求和實訓(xùn)步驟等。其目的是讓學(xué)生對專業(yè)知識有更深刻的認識，鍛煉學(xué)生的書面表達能力，更好地理解電動汽車比燃油汽車節(jié)能環(huán)保的原理。從實物的拆裝具體情況來看，學(xué)生在進行虛擬仿真操作后，能對旋轉(zhuǎn)變壓器參數(shù)測量、拆裝步驟具有較高的熟練度，能為實物操作打下良好基礎(chǔ)，進而在實物操作環(huán)節(jié)更為嫻熟，鞏固操作技能，適應(yīng)現(xiàn)場的工作環(huán)境。綜上所述，在電動汽車實踐教學(xué)中