異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真設計與實踐

謝 威， 郭青鵬， 鄭春滿， 李宇杰， 劉雙科， 陳宇方

（國防科技大學空天科學學院，長沙 410073）

0 引言

鋰電池以其高比能、高比功率等優(yōu)點，已成為微小型無人機的首選電源［1-2］。由于微小型無人機體積小、質量輕，所帶電源電量有限，制約了其飛行時間和使用效能。將鋰電池異形化，與機身共形，可實現(xiàn)承力與供電一體化，達到無人機進一步減重、節(jié)約空間、提升續(xù)航能力的目的［3-4］。

為培養(yǎng)材料、新能源材料與器件等專業(yè)高素質新型軍事人才和專業(yè)人才的創(chuàng)新實踐能力，堅持“學生中心、應用導向、問題牽引、能力培養(yǎng)”的實驗教學理念，結合《新能源及能源材料》《能源材料與器件》等課程教學，以鋰電池為對象，開設異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗課程。該實驗課程在實際教學過程中存在著一些不足：①儀器種類繁多，專用設備價格昂貴；②實驗過程步驟多、周期長；③實驗過程存在一定的安全風險。

實驗虛擬仿真以3D MAX、Maya、Unity 3D、Vega等為開發(fā)工具和平臺，采用三維立體仿真、動畫以及虛擬現(xiàn)實操作等多種手段對實驗進行再現(xiàn)或模擬，由學生進行操作練習的一種實驗方式［5-6］。其優(yōu)勢在于智能化、可視化，可應用于條件不具備或實際運行困難，涉及高成本、高危險或極端環(huán)境、高消耗/高毒性、大型或者綜合性的實驗［7-9］。借助互聯(lián)網(wǎng)技術平臺，虛擬仿真實驗既拓展了實驗教學內容的深度和廣度，又延伸了實驗教學的時間和空間，有利于實驗教學質量水平的提高，在科學研究、人才培養(yǎng)、學科建設和產(chǎn)學研合作等方面具有不可替代的作用［10-12］。

為解決異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗教學過程中存在的不足，針對《新能源及能源材料》《能源材料與器件》等課程的相關教學內容，開發(fā)“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”。通過對線下異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗教學進行虛擬仿真建設，不僅可將理論教學、基礎實驗和工程應用有機結合，而且可縮小理論教學與實際教學之間的差距，讓學生對所學的知識要素有更深刻的認識和理解，有效培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力［13-14］。

1 實驗虛擬仿真設計

1.1 實驗目的

實驗虛擬仿真以異形鋰電池在無人機上的應用為背景，按照“虛實結合、以虛補實”的原則，將學術研究和科研成果拓展轉化為教學資源，開發(fā)出“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”。實驗目的如下：

（1）知識獲取。了解鋰離子電池的組成和原理，掌握異形鋰電池“疊層-熱壓-造孔”成型工藝和絕熱加速量熱儀的工作原理。

（2）能力培養(yǎng)。掌握異形鋰電池設計過程、成型工藝和熱失控測試的操作流程，理解工藝參數(shù)對異形鋰電池性能的影響。

（3）素質拓展。拓展以電池為點，以無人機、新能源材料為面的知識體系，以任務為牽引引導學生開展自主式、探究式學習，培養(yǎng)學生科學思維和素養(yǎng)。

（4）教學效果。緊扣鋰電池的工程應用與技術發(fā)展前沿，激發(fā)學生學習和參與研究的興趣，加深對鋰電池的認識和理解。

1.2 實驗虛擬仿真設計

1.2.1 實驗內容設計

從電池制備工藝和安全性能評估兩個方面，設計“異形鋰電池成型工藝實驗”和“異形鋰電池熱失控測試實驗”。異形鋰電池成型工藝實驗主要內容為采用“疊層-熱壓-造孔”工藝制備不同弧度的鋰電池；異形鋰電池熱失控測試實驗主要內容為采用絕熱加速量熱儀測試異形鋰電池的熱失控溫度，評價電池的熱安全性能。

1.2.2 實驗虛擬仿真交互性操作步驟設計

本實驗教學屬于《新能源及能源材料》《能源材料與課件》課程，共計4 個實驗學時。實驗流程如圖1 所示。具體為：登錄系統(tǒng)→實驗室環(huán)境漫游認知→異形鋰電池成型工藝及熱失控測試學習→異形鋰電池成型工藝及熱失控測試考核→實驗結論→實驗結束→退出系統(tǒng)→發(fā)布成績。

圖1 異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真流程

實驗虛擬仿真的一個重要特點是交互性，在虛擬仿真實驗過程中穿插交互性操作步驟可以促進學生的參與度，增加學生學習興趣，提高實驗效率［15］。實驗設計了3 種類型，共21 個主要的交互性操作。①要求學生必須操作正確才能進行下一步，該類操作采用“高亮”標識。②學生即使操作不正確，仍可進行下一步，但最終無法得到合理的實驗結果。③可設計類交互性操作，學生可根據(jù)需求設計制備不同弧度的異形電池。異形鋰電池成型工藝主要有正極膜制備材料的選擇、正極漿料的制備、PET膜的鋪附、正極膜的制備、負極膜制備材料的選擇、負極漿料的制備、負極膜的制備、正極膜熱復合金屬網(wǎng)的選擇、正極膜與金屬網(wǎng)熱復合工藝、負極膜熱復合金屬網(wǎng)的選擇、負極膜與金屬網(wǎng)熱復合工藝、熱壓成型模具的選擇、熱壓成型溫度和壓力的設置、異形電芯的萃取與造孔、極耳的焊接與電池注液封裝、異形電池化成與測試等主要交互性操作。異形鋰電池熱失控測試實驗主要有電池熱失控測試樣品安裝、充放電程序設置、ARC 程序參數(shù)設置、校準數(shù)據(jù)選擇操作和測試結果分析等交互性操作步驟。

1.2.3 實驗虛擬仿真評分體系設計

實驗教學針對實驗過程和實驗結果進行綜合評定，以考察學生掌握異形鋰電池制備、熱失控測試的實驗過程操作及每個控制參數(shù)的調節(jié)。在此過程中，兼顧培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。系統(tǒng)平臺自動記錄學生的操作次數(shù)、操作時間、交互操作要點等數(shù)據(jù)，生成可追溯實驗過程的記錄和分數(shù)。同時要求學生撰寫心得體會和實驗報告，考查學生思考問題的深度和廣度，并根據(jù)撰寫情況給出人工評分，實現(xiàn)多維考核和評判。

學生最終得分由操作得分和實驗報告得分兩部分構成，如圖2 所示。其中操作得分占總分的90%，由機器直接判讀；實驗報告得分占總分的10%，由授課教師評價。為鼓勵學生開展線下實踐操作，視情給予附加得分（最高10 分）。

圖2 實驗考核評分構成

1.2.4 核心要素仿真度

實驗虛擬仿真的核心要素包括：異形鋰電池設計、正負極膜制備、電芯熱壓成型、電性能測試、熱失控測試與分析。各要素仿真度如下：

（1）實驗虛擬仿真設備及對象的精確建模。虛擬仿真實驗設備、對象的真實度與實驗很接近，按照實物對其進行精確仿真建模，有利于學生更好地了解實驗設備及對象。例如異形鋰電池（見圖3）和熱失控測試設備絕熱加速量熱儀（見圖4）。

圖4 絕熱加速量熱儀及其仿真模型

（2）實驗操作的高度還原。利用交互技術對異形鋰電池制備、熱失控測試及實驗儀器的操作進行高度還原，使學生在虛擬環(huán)境中，了解和掌握整個實驗的操作流程，在完成實驗虛擬仿真后學生可獨立進行實驗操作。例如異形鋰電池的封裝操作（見圖5）。

圖5 異形鋰電池的封裝操作高度還原

（3）實驗結果與虛擬模型的融合顯示。實驗虛擬仿真以科學的實驗結果為基礎，將實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，確保實驗虛擬仿真的真實性和準確性。例如異形鋰電池熱失控測試（見圖6）。

圖6 異形鋰電池熱失控測試

2 實驗虛擬仿真教學方法及實施過程

實驗虛擬仿真遵循“學生中心、應用導向、問題牽引、能力培養(yǎng)”的教學理念，利用現(xiàn)代信息技術，借助虛擬仿真實驗平臺，將傳統(tǒng)實驗教學向課前延伸、向課后拓展，結合學校的教學特色和實際，將科研成果拓展轉化為教學資源，構建“課前任務牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結合的實驗教學模式。項目采用游覽式、流程式、交互式、精確式和反思式的“五式導引”實驗教學方法，致力于培養(yǎng)學生的問題意識、創(chuàng)新精神、主動學習和自我反思的能力，有效激發(fā)學生求知欲，提高實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)科學思維和素養(yǎng)。圖7 展示了實驗虛擬仿真的教學方法及其實施過程。

圖7 實驗教學方法及實施過程

實驗教學實施過程

（1）課前準備。自主學習、電池設計、設計報告。

自主學習 課程開始前兩周，組織學生建群分組。將實驗指導書等相關資料發(fā)給學生，督促學生完成相關理論和操作流程的自主學習。

電池設計根據(jù)不同需求場景，向學生發(fā)布異形電池設計任務，要求學生根據(jù)課堂所學知識，通過文獻查閱，完成電池設計工作。

設計報告要求學生根據(jù)設計要求，完成設計報告，并提交老師審批。

由圖5可知，CODCr去除效果隨著廢水濃度增大呈逐漸提高的趨勢。初始階段處理效果不佳，這是由于反應剛開始時適應該廢水水質的微生物還未生長，尚處于休眠狀態(tài)，即污泥未起到作用，從而導致CODCr去除效果差；在廢水濃度達到60%時，其去除率提高到20%左右，表明微生物量逐漸增加，但未馴化完全；廢水濃度由60%提高到100%這一段曲線相對于前一段曲線增加幅度稍微平緩，污泥逐漸適應該制漿造紙廢水水質；當處理100%的混凝-加核絮凝組合工藝處理后廢水時，其CODCr去除率為24.1%，出水CODCr為88.1 mg/L，達到排放指標。

（2）課上引導。“五式導引”。在上機操作前，老師就實驗操作過程中的難點、易錯點及注意事項首先進行統(tǒng)一講述和強調。

游覽式熟悉場景學生以第一視角進入虛擬實驗場景，能直觀形象、立體生動地觀察和感知實驗場景及環(huán)境布局，通過文字和圖片結合的方式了解該實驗的背景、意義和所需的實驗設備。

流程式引導學習進入學習模式，在實驗流程程序的引導下，進行規(guī)范性操作學習，通過關鍵知識點強調、易錯點提醒等，使學生掌握異形鋰電池的特征、制備關鍵點、電化學性能與熱失控測試的對應關系等知識，具備可操作制備異形鋰電池和性能測試表征的相關能力。

交互式強化練習進入虛擬仿真環(huán)節(jié)后，學生成為實驗操作的主體，可與各類材料和設備實時互動，進行設計與操作練習。系統(tǒng)具有錯誤提示和自動評價功能，學生通過人機交互方式可實現(xiàn)強化練習，實現(xiàn)邊學習、邊調整，錯誤和不足之處及時得到更正。

精確式全程記錄 “學習模式”和“考核模式”均可自動生成追溯仿真全過程的記錄，分別反饋學生有效學習時間以及對所學知識點的掌握程度。并可針對自己出錯點有針性的反復練習，通過不斷思考、分析和糾正問題所在，達到全面掌握實驗操作的目的，提高學習效果。

反思式效果評價 依托仿真系統(tǒng)，引導學生完成在線操作和學習效果評價。在操作結束后，形成可追溯數(shù)據(jù)，作為學生反思和老師評價的主要依據(jù)。通過填寫報告，學生可進一步反思自己的全部操作，并對自己掌握的情況作出評價，便于針對性的學習。老師可從學生的提問和心得體會中考查學生思考問題的深度，評價學生的學習效果。

（3）課后驗證。實驗驗證。針對部分學習興趣濃厚、時間充裕的同學，開展線下驗證試驗。由項目組成員和學生共同制定實驗計劃，進行異形鋰電池的制備和常規(guī)性能測試，以驗證虛擬仿真效果與實驗之間的差異，并探討分析其原因，如圖8 所示。

圖8 虛擬仿真與實驗的差異性對比

3 實驗虛擬仿真教學實施效果

經(jīng)過2 個學年的使用，學生通過系統(tǒng)的學習實踐，達到較好的教學效果。

（1）學生創(chuàng)新和實踐能力顯著提升，有效提高了人才培養(yǎng)質量。實驗虛擬仿真突破了時間和空間的限制，學生可隨時隨地在網(wǎng)上進行仿真，提高學生的學習效率，培養(yǎng)學生主動學習、深度分析、大膽質疑、勇于創(chuàng)新實踐的能力。平臺的仿真度高，代入感強，尤其是設有糾錯和評價功能可使學生更有針對性的反復練習，提高學習效果。通過該實驗的學習，學生解決復雜問題的能力得到顯著提升。

（2）實驗周期大幅縮短，顯著提升了實驗教學效率。實驗構筑了一個高度仿真、直觀形象的實驗場景，讓學生如同親臨實境，增加了實驗沉浸感，感受互動，提高學生學習興趣。仿真有效解決了實驗室無法接收高頻次、大批量的學生同時開展實驗；實驗周期從幾天縮減到4 學時之內，學生可反復進行實驗練習，提升相關專業(yè)實驗教學效率。

（3）教學成本大幅下降，滿足了大規(guī)模教學需求。針對等待時間較長的實驗操作，在不影響實驗結果的前提下簡化、縮短時間，及時向學生反饋實驗結果，提升學生的體驗感和獲得感，節(jié)省學生的時間成本。虛擬仿真實驗節(jié)省了實驗設備與材料的購置、消耗及維護費用。

（4）教學資源實現(xiàn)全網(wǎng)共享，服務社會效果顯著。實驗不僅能夠單機穩(wěn)定運行，現(xiàn)已置于Internet 開放教學管理平臺，能方便開展大容量班級仿真并向社會開放，實現(xiàn)教學資源共享。實驗虛擬仿真教學項目不僅惠及本校相關專業(yè)的師生，也支持其他高校和企業(yè)的實驗教學和技能培訓，提升從業(yè)人員的專業(yè)化水平。

4 實驗教學特色

（1）實驗教學與科學研究有機結合，將科研成果與開展的前沿技術研究融入實踐教學，具有很強的創(chuàng)新性和先進性。實驗虛擬仿真以無人機發(fā)展對異形鋰電池的需求為背景，將科研成果和開展的前沿技術研究引入實踐教學，并轉化為教學資源。實驗模型、素材、工藝流程、實驗參數(shù)等均源于科研成果，可通過虛擬仿真技術進行還原，也可將一些新理念轉化為實驗場景設計，增加實驗教學的深度和廣度，拓寬學生視野。

基于虛擬仿真平臺能以更加高效的方式將裝備科研攻關中的前沿技術發(fā)展動態(tài)、關鍵科學問題、技術難點和科研心得分享給學生，使學生沐浴科技氛圍，增長科研見識，在激發(fā)學生科研興趣的同時，提升學生實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)，增強其投身科研的意識，為社會培養(yǎng)高素質新型人才提供有力支撐。

（2）“課前任務牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結合的貫通式教學設計，能激勵學生挑戰(zhàn)自我，突破自我。課前學生根據(jù)無人機應用需求，完成電池在成型弧度、熱壓溫度和壓力等關鍵參數(shù)的自主設計，基于虛擬平臺的學習和考核過程提高學生的操作技能，課下學生根據(jù)實驗設計方案，實現(xiàn)線下自主驗證，完成實驗教學的閉環(huán)。在自主模式牽引下，有效激發(fā)學生學習熱情，激勵學生勇于挑戰(zhàn)自我。

實驗虛擬仿真過程復雜，關鍵性步驟易出錯，難度大。在學習模式中，對實驗的重難點和專業(yè)性較強的操作步驟，通過知識錦囊、考核解析和高亮提示等方式引導學生自主學習，達成學習目標。在考核模式中，學生如果使用“高亮提示”選項，系統(tǒng)將自動扣分，激勵學生突破自我，在無提示下實現(xiàn)熟練操作。

（3）充分利用在線資源，教學過程融入課程思政元素，激發(fā)學生愛國情懷。實驗虛擬仿真建設了完善的平臺資源，提供無人機發(fā)展史、應用情況等資源，通過了解我國無人機的發(fā)展歷程，讓學生了解戰(zhàn)爭的殘酷，激發(fā)學生報國熱情，增強其使命感和責任感。實驗不僅對學生傳授知識和提高能力，而且對學生進行價值引領，達到課程思政的教學目的。

5 結語

能源和材料行業(yè)高素質專業(yè)人才是國防新型戰(zhàn)斗力的重要支撐，也是國民經(jīng)濟發(fā)展急需的人才。人才的專業(yè)素質和技術能力的培養(yǎng)需要系統(tǒng)性知識結構建立和實踐訓練。

實驗虛擬仿真結合“新工科”工程教育理念，按照“以學生為中心，以產(chǎn)出為導向”的建設思路，將異形鋰電池的科研成果轉化為實驗教學內容，基于虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)、自動評測等技術，開發(fā)“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”，實現(xiàn)課程知識點與實踐訓練的有效銜接。課程實踐教學中，構建了“五式導引”教學方法和“課前任務牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結合的教學模式。通過實驗虛擬仿真，提高學生的參與度，解決異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗“成本高、實踐周期長、安全隱患大”等難題，擺脫實體實驗對空間、時間和實驗設備的限制，并通過科教融合拓展了學生的科學視野，提升學生的實踐創(chuàng)新能力。