基于虛擬仿真的“新能源動力及汽車技術”信息化教學設計與實踐

賈國海

關鍵詞：虛擬仿真;新能源汽車;信息化教學;MATLAB

一、問題的提出

為了跟上時代的發(fā)展，傳統(tǒng)教學模式已不再適用于高等教育，在課堂教學中存在諸多問題和不足，急需對高等院校新能源專業(yè)的新能源動力及汽車技術課程進行基于虛擬仿真的信息化教學改革。信息化教學是一種適應時代的新型教學方式，將各類優(yōu)質(zhì)資源進行整合優(yōu)化，從而將學生的主觀能動性充分發(fā)揮出來，進而達到理想的教學效果。新能源動力及汽車技術課程是新能源科學與工程專業(yè)的必修課程，該課程的目標是讓學生熟悉新能源汽車的概念、特點、分類和組成;掌握各類新能源汽車的總體結構，包括組成結構、動力驅(qū)動系統(tǒng)原理、儲能系統(tǒng)原理和電控系統(tǒng)等內(nèi)容;了解新能源汽車領域的一些研究發(fā)展前沿知識，該課程為學生們畢業(yè)之后的就業(yè)工作打下堅實基礎。

依據(jù)教研室作出的專業(yè)培養(yǎng)方案，學習本課程之前，一般都會學習一些專業(yè)基礎課程，這些課程都是學習新能源動力及汽車技術課程的基礎，只有根基牢固才能提高學習效果，并且這些課程的學習也存在很多難點，造成學生產(chǎn)生抵觸學習新增知識的情緒，學習本課程尤為困難。在經(jīng)過學習后，考試和作業(yè)都是敷衍了事，個別學生連一些基礎知識，如原理、結構都不了解。分析出現(xiàn)這些問題的原因如下：

（1）在理論基礎方面，學生知識基礎不是很好，存在層次差異和個體差異。

（2）在操作技能方面，學生的動手能力弱，且操作存在諸多隱患問題。

（3）在學習方法方面，存在死記硬背的情況，沒有討論交流的意識和提出質(zhì)疑的勇氣。

（4）學生求知的欲望弱，不喜歡動手實踐，具有消極的情感態(tài)度，仍有個別學生具有畏懼心理。

（5）學生們的學習水平參差不齊，存在理論基礎差、不預習、復習知識點等諸多問題。

針對上述諸多問題，本文基于虛擬仿真的新能源動力及汽車技術課程進行信息化教學設計，對課程教學改革的流程進行了構造，并對課程的難點進行了教學反思。

二、教學設計

本文對新能源科學與工程專業(yè)的新能源動力及汽車技術課程進行基于虛擬仿真的信息化教學改革，運用仿真軟件和網(wǎng)絡教學平臺，通過MATLAB軟件進行虛擬仿真，并結合以往的教學經(jīng)驗設計了一系列的教學流程。

（一）課程標準設計

課程標準是根據(jù)學校和專業(yè)教研室的培養(yǎng)方案制定的教學實施標準，課程標準文件對教學目標具有指導作用，該文件對教學效果具有重要影響。以往的課程標準較為陳舊，許多新知識、新技術沒有涉及，傳統(tǒng)課堂教學的落后導致無法發(fā)揮學生的主觀能動性，使得教學效果較差。以虛擬仿真為基礎的《新能源動力及汽車技術》信息化教學會大大提高學生的學習積極性和學習效率，同時讓學生熟悉一門數(shù)值仿真軟件也對其后續(xù)學習深造有較大的幫助;在教學資源上，通過網(wǎng)上的教學平臺和資料進行預習，這樣可以讓學生在課堂上帶著目的尋找答案，以達到較好的教學效果;在考核評價上，主要分為平時成績和最終考試成績，將加強平時成績的審核并提高平時成績的比重，將出勤、作業(yè)完成情況等作為依據(jù)，最終的考試成績比重將降低。本課程課時安排為28課時，課時具體分配如圖1所示。

（1）情景設計。模擬實際工作場景，配套講授理論知識，最終完成工作任務。

（2）虛擬仿真案例教學。采用虛擬仿真案例教學法來提升學生對新能源汽車相關知識的了解并激發(fā)學生們的興趣，可以更加直觀明了地看到新能源汽車的構造和工作原理，從而達到較好的教學效果。通過在MATLAB軟件中建立模型并通過編輯器進行運行，從而得到所需要的計算數(shù)據(jù)和相應的圖像，達到新能源動力及汽車技術虛擬仿真教學的要求。

（二）教學方法設計

（1）課前學習教學設計。教師應做到在網(wǎng)上教學平臺及時更新教學內(nèi)容并及時提醒學生完成預習，學生要及時完成老師布置的預習任務和作業(yè)，并向老師大膽提出見解，為新項目的開展積累知識和經(jīng)驗。

（2）課堂活動教學設計。課堂活動的主要目的是發(fā)揮老師的輔助引導作用，讓學生自主完成各項任務。學生通過提前預習從而提出難以理解的問題，并集中反饋給老師進行解答解疑，同時通過交流討論或是相互協(xié)作來完成老師在課堂上布置的任務，具體課堂實施步驟如圖2所示。

①分析任務。通過讓學生觀看與新能源汽車相關的教學視頻，使學生了解新能源汽車發(fā)展概況和基本結構組成。提出幾個問題用來啟發(fā)學生，讓同學們相互討論，再邀請幾個同學代表進行歸納總結，最終達到認識新能源汽車基本理念的目的。為了使學生更加直觀地了解新能源汽車的工作原理，在課堂適當?shù)匮菔拘履茉雌囅嚓P的動畫，并通過虛擬仿真軟件建立新能源汽車中重要零部件的機械或電子方面的模型，使學生更加直觀了解其內(nèi)部構造或工作原理，從而加強學生對新能源汽車的理解。

②新知識引入。通過將教學視頻和有關新能源汽車相關的新聞引入教學內(nèi)容，教師通過分析當前火熱的新能源汽車車型，用仿真軟件或是車模將新能源汽車進行拆分講解。為了讓學生學習好新能源汽車的整體構成和工作原理，還可以通過小游戲的方式，使大家在生動的情景表演中獲得新能源汽車的相關知識。此目的是讓學生加快學習有關新能源汽車的新知識，進而提高學生的學習技能，為后面的重要知識點的學習做好知識儲備。

③虛擬實訓。教師在課程教學中通過虛擬仿真軟件對學生進行設計指導，讓學生們熟悉各類新能源汽車的總體結構和對應的零部件的控制系統(tǒng)，包括各組成結構、動力驅(qū)動系統(tǒng)原理和電控系統(tǒng)原理等內(nèi)容。學生們在虛擬仿真軟件中能夠完成新能源汽車的整體設計，并且能夠按照自己的設計選裝零部件，還能夠進行硬件的布置。以此達到掌握新能源汽車的總體結構設計的目的。還能夠借助虛擬仿真軟件對新能源汽車的工況進行模擬，從而可以有效地解決課時縮減而導致教學效果不好的難題。虛擬仿真軟件操作起來更加便捷和高效，學生們可以輕松地對不同的新能源汽車的工況進行模擬測試，從而為新能源汽車全實物的實訓減少消耗并減少教學成本。

④虛實一體。學生們經(jīng)過虛擬仿真軟件的訓練后，對所學新能源汽車知識有了較為深刻的認識，有助于后續(xù)實踐和實訓課程的開展。實踐和實訓課程由學生們組成小隊完成新能源汽車總體結構拆裝和組裝，包括底盤、總成結構、電池系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等內(nèi)容。此目的是培養(yǎng)學生們動手實踐能力，在實踐中真正掌握新能源汽車的各個部件機構和工作原理。

⑤評價總結。在平時的學習過程中，教師布置給學生一些小任務和練習，讓學生們對所學知識進行加強并鞏固。教師帶領學生們進行課程實踐考核并監(jiān)督學生完成考試，進一步完成考核評價系統(tǒng)，并且通過分析考試和考核的結果來完成最終的評價總結。

（三）考核評價設計

考核評價是對學生進行考試和作業(yè)等措施的檢驗，同時也是對教師教學能力的檢查，使教師從教學中吸取經(jīng)驗教訓，對教師的教學會產(chǎn)生一定的激勵作用。通過建立平時評價和考試評價相結合的模式，調(diào)整考試成績和平時考核成績的比重來解決考試決定一切的弊端，從而使教學評價更加人性化。平時考核成績主要分為課前預習、課堂參與和課后任務三部分：課前學習主要是完成網(wǎng)絡平臺上的任務，以期達到預習的效果;課堂學習主要是學生的出勤和課堂回答問題的積極性;課后任務主要包括作業(yè)的檢查等。平時考核成績占總體成績的30%，其中每個部分各占10%;期末考試形式為閉卷考試，主要考查學生對所學新能源知識的理解與掌握情況。

三、案例分析

新能源汽車工況復雜，既要能夠保證高速運行，又需要頻繁啟動和制動等各種工況，因此，需要選用小型輕量的高效電機，而用永磁同步電機適用于新能源汽車的動力需求。為了讓學生更好地掌握永磁同步電機的特性，采用MATLAB軟件建立了三相永磁同步電機的滯環(huán)電流控制系統(tǒng)虛擬仿真模型，如圖3所示[6-8]。得到仿真結果如圖4所示，從圖中可以得到電機轉(zhuǎn)速N、電磁轉(zhuǎn)矩T。和三相電流i。。。隨時間的變化趨勢。

從以上仿真結果可以看出，當電機帶載T=3.5N·m啟動，轉(zhuǎn)速從零上升到參考轉(zhuǎn)速1500r/min時，開始時電機轉(zhuǎn)速有一些超調(diào)量，并且在整個啟動過程中，電磁轉(zhuǎn)矩T。的波動較大，但仍然具有較快的動態(tài)響應速度。在t=0. 05s，負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)門L=1.5N·m時，電機能快速恢復到設置的參考轉(zhuǎn)速，說明采用滯環(huán)電流控制能夠滿足電機運行的要求。

四、教學反思

本文通過基于虛擬仿真的信息化教學改革模式對新能源動力及汽車技術課程進行了全面優(yōu)化，在經(jīng)過最終評價后得出教學效果較好的結論，為之后的進一步教學改革提供了寶貴經(jīng)驗。在進行基礎知識講解時，通過虛擬仿真軟件來介紹新能源汽車的整體結構和工作原理更加有利于學生的理解，從而達到較好的教學效果。在實踐操作時一些學生存在操作不當?shù)劝踩[患，需要對其進行教育，并應在下次教學前開展安全知識教育。

結語

本文基于虛擬仿真技術對新能源動力及汽車技術課程的課程標準進行了設計和優(yōu)化，同時對教學方法也進行了優(yōu)化和提煉，在最終的考核評價中也對所占比重和考核內(nèi)容進行了優(yōu)化，由此達到了較好的教學效果。本文探索了基于虛擬仿真的信息化教學改革模式，為今后的信息化教學改革提供參考。

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