虛擬仿真技術在新能源汽車課程教學中的應用研究與實踐

王立波　程聯社　陸健　齊煥敏　黨超

摘 要：隨著我國新能源汽車產業的快速發展，相關專業人才需求量日益增加，對于高職院校而言，新能源汽車專業的人才培養也應緊跟行業發展。在改變以往傳統教學模式基礎上，引入現代化虛擬仿真技術，采用理論、虛擬及實操一體化教學模式進行教學，實踐證明，該模式對提高教學效果十分明顯。

關鍵詞：虛擬仿真 新能源汽車專業 教學模式 人才培養

1 前言

新能源汽車作為我國未來重點發展領域，我國已將新能源汽車發展視為從汽車大國到汽車強國的必由之路。近年來，伴隨著新能源汽車的快速發展隨之而來的是行業人才需求也更加緊迫，而汽車行業的迅速發展使得具有傳統汽車背景的人才已經滿足不了在汽車技術變革中對新型人才的需求。為了適應汽車產業的轉型、響應國家戰略、彌補人才缺口，全國各地的高職院校相繼開設了新能源汽車專業。但是，由于新能源汽車專業開設時間較短，在培養模式、課程建設及教學方式等方面還處于摸索階段[1]。

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上所進行的對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真，是學科專業與信息技術深度融合的產物，具有讓人沉浸其中的沉浸性、交互性、構想性等特點，可以形成具有交互功能的多維化信息環境[2]。在新能源汽車課程教學中運用虛擬仿真技術是目前教育發展的趨勢。

2 新能源汽車專業特點及培養目標

2.1 專業特點

新能源汽車專業屬于一門新興的學科，其發展緊跟著前沿技術和行業發展，如果缺少新技術的支撐與理解，那么課程與行業發展之間就會出現脫節的狀況，甚至還會導致教學內容的滯后性。新能源汽車的構造和技術特點與傳統的汽車具有很大的區別，新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車，因此該專業學生除了要學習燃料汽車的相關知識外，還要學習新能源動力總成控制系統、電機驅動系統和控制單元、動力電池和電池組管理系統等知識，相比傳統汽車專業，新能源汽車專業課程內容更多，知識更復雜。因此，新能源汽車專業人才既需要具備較豐富的理論知識，又需要具備較好的實際動手操作能力，兩者缺一不可。

2.2 培養目標

新能源汽車專業人才需要理論與實踐兼備，不僅要掌握傳統汽車維修技能，還要具有較高的電子技術，電池管理技術、動力驅動技術、電力控制技術、智能控制技術等。除此之外，還要了解先進的節能材料，同時還要掌握一定的信息技術，因此，新能源汽車專業人才具有這方面的知識，才能成為具有高素質的技術技能人才。

3 新能源汽車專業教學現狀

新能源汽車電機、電池、電控的學習和實訓，是新能源汽車技術專業在教學過程中非常重要的教學內容。在教學過程中，學生對抽象的理論知識和工作原理轉換到實際的操作存在著一定困難。

學生對于新能源汽車上的“電”知識認知不足，新能源汽車上的高壓電未能引起足夠重視，導致在學習過程中安全意識淡薄，甚至有的學生在面對新能源汽車高壓安全問題時過于緊張，在實踐環節表現不佳，無法滿足實訓要求。

對于新能源汽車實訓設備、實訓工具、實訓場地、教學經費、教學課時等各方面的限制，難以保障每個學生有足夠的空間和時間進行訓練，并且涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作對實踐教學帶來了新的挑戰[3]。

瞿磊[4]等人針對新能源汽車技術專業安全意識培養過程中存在專任教師“被動”上崗且自身安全意識薄弱、生源差異化大、實訓設備管理人員缺乏安全知識培訓等問題進行了研究。

易苗苗[5]等人針對新能源汽車應用型專業人才培養方案的轉型，在教材資源、教師培養，實訓基地建設，校企合作方面提出解決路徑。

曾曉彤[6]等人針對新能源汽車技術專業“三教”改革中的問題作出研究，一是教學方法陳舊，枯燥單一，理論多、實踐少，“閉門造車”。二是課堂把控不好，學情研究不透，不能有效激發學生的學習興趣，不能有效實施教學。三是教學手段不夠豐富，沒有大量地運用信息化手段。四是實踐性教學環節中情景、實景教學不足。

李俊杰[7]等人針對新能源汽車維修技術專業培養模式打破了傳統理念，突出了教學內容和教學方法的應用性、綜合性、實踐性。一體化教學集理論傳授、現場觀摩、實踐操作、技能訓練為一體的新型教學模式。

4 虛擬仿真在教學中的應用

4.1 理論教學方面

4.1.1 混合動力汽車章節

混合動力汽車的結構比傳統汽車復雜，混合動力汽車可根據動力傳動系統和組合方式不同分為串聯式混合動力汽車、并聯式混合動力汽車、混聯式混合動力汽車。根據電動機相對燃油發動機的功率比大小可分為微混合型混合動力汽車、輕度混合型混合動力汽車、重度混合（強混合）型混合動力汽車。根據能否外接充電，可分為可外接充電型和不可外接充電型混合動力汽車。針對多種分類方式和復雜的動力系統結構，以及在不同工況下，動力傳輸路徑和能量的分配轉換過程，學生易造成概念的混淆。

通過虛擬仿真對不同類型的混合動力汽車和在不同工況下，動力的傳輸路徑及能量的傳輸和轉換過程能夠清楚呈現，學生能夠深刻理解不同類型的結構特點和工作原理，大大提高學生對知識的理解程度。

4.1.2 燃料電池汽車章節

燃料電池是將燃料的化學能直接轉化為電能的裝置，氧化劑和燃料反應形成典型燃料電池的水產物，在講述燃料電池結構和工作原理時，僅通過文字圖片進行講解，學生表現出難以理解，抽象不易懂，通過虛擬仿真軟件，可對燃料供給系統、氧化劑系統、發電系統等，以及質子交換膜燃料電池工作原理直觀的模擬，使學生對氫燃料電池的基本結構（如陽極、陰極和隔膜等）建立感性認知，進一步增強學生對理論知識和工作原理的理解。

4.1.3 動力蓄電池章節

通過虛擬仿真對電池包內部進行解剖，可以多角度交互式的去觀察和認知純電動汽車動力電池的外部和內部結構，快捷的切換外部結構和內部結構的模式展現，方便與高效的學習動力電池的結構，切實解決了在實際教學中觀察動力電池結構的不便性。動力電池在充放電過程中，動態的模擬了電池內部粒子的變化圖樣，將非常抽象化的工作原理轉化為直觀的，生動的，更具形象化的效果展示出來，讓學生充分理解工作原理和過程。

4.1.4 驅動電機章節

通過仿真軟件，學生能夠生動形象的了解更多的電機類型及電機內部結構，直流電機和交流電機的結構特點，其中講述永磁同步電機與異步電機工作原理時，旋轉磁場如何產生，轉子如何產生電磁轉矩，僅使用教學課件、視頻等傳統教學資源，學生還是理解不透徹，采用虛擬仿真技術，學生能夠看清電流的轉換，電磁的產生，定子和轉子之間的力的相互作用。通過虛擬仿真技術學生不僅對知識理解深刻，也增加學生的學習的趣味性，提高了學生學習興趣。

4.2 實踐教學方面

相較于傳統燃油汽車實訓教學，新能源汽車實訓教學風險系數更高，一旦引發安全風險隱患，則會危及人員生命、財產安全。

在實訓設備和實訓場地的限制的情況下，教師在示范演示過程中，很難做到讓每一位學生都能看清操作步驟和注意事項，學生實際操作過程中頻繁出錯，教學效果差強人意。除此之外，學生在沒牢記教師在示范過程講到安全注意事項，學生對高壓組件的拆裝檢測存在一定的危險性。為此，通過虛擬仿真軟件模擬真實環境，每一位學生能夠在軟件中按照拆裝提示進行反復操作，加強對相關設備和工具的使用熟練度，有效的改善因設備和場地缺乏無法完成多人次的教學任務。學生在上實車操作前，提前掌握操作流程及注意事項，做好一切充分的準備，有效的規避操作的高壓安全問題。虛擬仿真技術在實踐教學中的應用，不僅提高了練習效率，也降低了安全風險，實現了事半功倍的教學效果。

5 結論

綜上，采用理論虛擬仿真實操一體化教學模式，將虛擬仿真技術引入傳統教學模式中，使學生在專業知識、專業素養、學習興趣等方面，對理論知識的理解更加透徹，實踐更加規范。

通過現代化的教學手段，新的教學模式，培養的職業院校學生才能夠在日新月異的新能源汽車行業具有可持續的競爭力。才能夠適應我國新能源汽車行業的發展，滿足我國對新能源汽車技術人才的需求。

基金項目：楊凌職業技術學院2021年校內教育教學改革研究項目“虛擬仿真技術在新能源汽車技術專業教學中的應用研究”（項目編號：JG21030）。

參考文獻：

[1]周大翠，高東璇，王競.淺談高職院校新能源汽車專業課程與教學改革[J].課程教育研究，2018（24）：19-20.

[2]王濟軍，魏雪峰．虛擬實驗的“熱”現狀與“冷”思考［J］．中國電化教育，2011（4）：126－129．

[3]林琎，趙春青，劉會香，張衛光.虛擬仿真技術在高校實驗和實踐教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2019（05）：6-8.DOI：10.13492/j.cnki.cmee.2019.05.003.

[4]瞿磊，貢勛，謝緯安，楊帆.新能源汽車技術專業安全意識培養的思考與實踐[J].中國現代教育裝備，2021（05）：152-154.

[5]易苗苗，雷先華，顏志豪，朱勝初，胡劭明.高校新能源汽車應用型人才培養方案探討[J].時代汽車，2021（16）：57-58.

[6]曾曉彤，張顯輝.新能源汽車技術專業“三教”改革的探索[J].內燃機與配件，2019（18）：267-268.

[7]李俊杰.新能源汽車維修技術專業培養模式研究[J].山東工業技術，2017（17）：60.