夏長明,陳伙南,蒙劭洋
(廣州城建職業(yè)學(xué)院,廣州 510925)
根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》,目前汽車行業(yè)正處于由傳統(tǒng)燃油汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型的時(shí)期,而且純電動(dòng)汽車將成為新能源汽車的主流產(chǎn)品。發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路,是推動(dòng)綠色低碳發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。
隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷量的不斷攀升,作為汽車維修行業(yè),對新能源汽車維修人才的需求也不斷增加[2]。但新能源汽車及配套設(shè)備價(jià)格高昂等因素造成該類專業(yè)教學(xué)人力物力成本較高。因此,采用虛擬仿真技術(shù)將新能源汽車結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行立體化展示,讓學(xué)生在高沉浸感的三維虛擬環(huán)境中進(jìn)行零危險(xiǎn)的操作訓(xùn)練,既可增加學(xué)習(xí)趣味性,又可降低學(xué)習(xí)難度和實(shí)車損耗,具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。
虛擬仿真技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的新型技術(shù),將其應(yīng)用在純電動(dòng)汽車?yán)碚摻虒W(xué)中,通過三維立體模式,將純電動(dòng)汽車整體結(jié)構(gòu)組成及工作原理,進(jìn)行多方位多角度的展示,助力學(xué)生對疑難結(jié)構(gòu)、復(fù)雜原理更直觀形象地感知。同時(shí),在實(shí)踐教學(xué)中將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式相結(jié)合,創(chuàng)新虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方式,能夠增強(qiáng)學(xué)生好奇心,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,對于推動(dòng)新能源汽車類專業(yè)教學(xué)改革具有十分重要的意義[4]。
1.1 優(yōu)化課程教學(xué)手段,助力學(xué)生攻克難點(diǎn)理論知識(shí)
認(rèn)真梳理新能源汽車專業(yè)核心課程中如動(dòng)力電池均衡性控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋變控制以及整車控制等復(fù)雜、抽象、難懂的原理性知識(shí),利用虛擬仿真技術(shù),通過分解視圖詳細(xì)了解核心總成、相關(guān)系統(tǒng)以及整車的工作過程和控制原理,解決講解難以**、拆裝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜原理性知識(shí)學(xué)習(xí)難題,從而優(yōu)化課程教學(xué)手段,助力學(xué)生攻克難點(diǎn)理論知識(shí)。
1.2 消除實(shí)訓(xùn)安全隱患,加快學(xué)生掌握核心操作技能
動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、整車控制是三電核心技術(shù),其結(jié)構(gòu)識(shí)別、運(yùn)行原理、性能測試是最難學(xué)、最難懂、最重要的部分。利用虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零件拆卸、組裝、檢查、更換等交互式虛擬操作實(shí)訓(xùn);使用虛擬仿真?zhèn)€人防護(hù)設(shè)備和工作場所,指導(dǎo)學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行規(guī)范操作,掌握應(yīng)對電擊和火災(zāi)的能力[5],從而消除實(shí)訓(xùn)安全隱患,加快學(xué)生掌握核心操作技能。
1.3 優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境,避免儀器設(shè)備受損情況發(fā)生
純電動(dòng)汽車對檢修工具的安全性要求很高,相應(yīng)價(jià)格也很高,臺(tái)套數(shù)難以保證,使得實(shí)訓(xùn)教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期效果[6]。而虛擬仿真技術(shù)可用較低成本解決這一難題,可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)向網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化方向發(fā)展。利用虛擬仿真系統(tǒng)讓學(xué)生進(jìn)入虛擬拆裝互動(dòng)界面進(jìn)行虛擬實(shí)訓(xùn),并且利用其放大縮小、旋轉(zhuǎn)以及透視等功能,加深對純電動(dòng)汽車的認(rèn)知。使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)還能夠避免儀器設(shè)備受損情況的發(fā)生,可有效節(jié)省教學(xué)成本,優(yōu)化實(shí)訓(xùn)環(huán)境[7]。
2.1 在理論教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用
借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維電動(dòng)汽車模型,顯示動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其調(diào)速控制裝置、電動(dòng)空調(diào)等部分細(xì)節(jié)[8]。在抽象理論知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)環(huán)節(jié),采用虛擬仿真教學(xué)手段,讓學(xué)生體驗(yàn)身臨其境的感覺,實(shí)現(xiàn)課堂互動(dòng)教學(xué),最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而**知識(shí)難點(diǎn)。
一是利用虛擬仿真軟件的三維動(dòng)畫結(jié)合音視頻技術(shù)模擬仿真場景,全方位、無死角地展示純電動(dòng)汽車整車結(jié)構(gòu)組成。能夠?yàn)閷W(xué)生提供逼真、生動(dòng)的“實(shí)車”情境,從而克服傳統(tǒng)教學(xué)中過分依賴語言描述、缺乏形象展現(xiàn)的缺點(diǎn)。
二是利用虛擬仿真軟件的傳感器信號輸入、ECU指令、執(zhí)行器動(dòng)作等高新技術(shù),向?qū)W生完整地展示純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源管理、整車控制及局域網(wǎng)通訊等主要系統(tǒng)的運(yùn)行原理。可將書本理論知識(shí)具象化,使學(xué)生能夠在虛擬教學(xué)環(huán)境中更加實(shí)際地觀察各種工作條件下純電動(dòng)汽車的控制運(yùn)行原理。
三是利用虛擬仿真軟件的三維圖形、傳感測量、立體顯示等多種前沿技術(shù)，將動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)組成、連接組裝及電池組的電壓大小、電流流向等現(xiàn)實(shí)無法直接觀看的工作原理，進(jìn)行無死角、全方位翻轉(zhuǎn)展示。可將復(fù)雜、抽象、難懂的理論知識(shí)進(jìn)行可視化、形象化、立體化演示，從而降低學(xué)習(xí)難度。
四是利用虛擬仿真技術(shù)的5D場景，全方位、無死角、立體化展示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成；
通過虛擬仿真的三維環(huán)境合成技術(shù)，對直流電機(jī)運(yùn)行特性、交流感應(yīng)電機(jī)輸出特性等進(jìn)行仿真探測和體驗(yàn)。能夠讓學(xué)生在可視化環(huán)境下進(jìn)行信息的控制和各種操控的測試，從而幫助學(xué)生**直流電機(jī)運(yùn)行特性、交流感應(yīng)電機(jī)輸出特性等復(fù)雜、抽象、難點(diǎn)知識(shí)。
五是利用虛擬仿真軟件根據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境獲取三維數(shù)據(jù),并使用三維數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)環(huán)境模型的核心技術(shù),**驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)組成及控制原理等難點(diǎn)理論知識(shí)。可提供多源信息融合的、交互的三維模擬環(huán)境技術(shù),從而幫助學(xué)生形成感性和理性認(rèn)識(shí),鍛煉創(chuàng)造性思維,以更好地理解抽象、復(fù)雜、難以意會(huì)的理論知識(shí)。
2.2 在實(shí)踐教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用
在進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)前,先讓學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真演練,通過虛擬仿真操作,讓學(xué)生提前了解實(shí)訓(xùn)的目的及實(shí)訓(xùn)過程,熟悉實(shí)訓(xùn)操作的流程及要領(lǐng),之后完成真實(shí)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。純電動(dòng)汽車中的“三電技術(shù)”核心課程,若利用虛擬仿真技術(shù)可改善實(shí)訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、彌補(bǔ)實(shí)操缺項(xiàng)、確保實(shí)習(xí)安全,幫助學(xué)生掌握核心技能。
一是利用虛擬仿真軟件的虛擬拆裝模塊,通過佩戴虛擬眼鏡并通過手柄或手勢識(shí)別,與虛擬環(huán)境中的純電動(dòng)汽車三維模型進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車各個(gè)零部件的虛擬拆卸和安裝實(shí)訓(xùn)。由于能夠模擬仿真場景,可先模擬輔助指導(dǎo),避免高電壓實(shí)操,降低硬件損耗,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作,從而杜絕實(shí)訓(xùn)誤操作現(xiàn)象的發(fā)生。
二是利用虛擬仿真軟件的原理三維可視化模塊,對汽車各系統(tǒng)中通過實(shí)操難以實(shí)際觀察的運(yùn)行過程進(jìn)行演示,如電流流動(dòng)、電池溫度控制、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等實(shí)踐內(nèi)容。可達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)”的實(shí)訓(xùn)效果,從而幫助學(xué)生更好地掌握純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)行原理等核心技能。
三是利用虛擬仿真軟件的傳感測量技術(shù)、三維建模技術(shù),仿真動(dòng)力模塊中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率與峰值功率、額定轉(zhuǎn)矩與峰值轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)與能量來源動(dòng)力電池的容量、電壓等性能參數(shù)之間的匹配情況。可完成通過純電動(dòng)汽車整車實(shí)訓(xùn)無法完成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)與動(dòng)力電池性能參數(shù)之間相互匹配的復(fù)雜、抽象技術(shù)試驗(yàn)。
四是利用虛擬仿真軟件的模擬診斷儀讀取故障碼,查看電池包的容量均衡性、總電壓、SOC等數(shù)據(jù)流;利用虛擬仿真軟件的模擬測試,及時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池模組的健康狀況,并采取相應(yīng)充電操作等仿真實(shí)訓(xùn)。能夠做到學(xué)生和實(shí)際設(shè)備不接觸,可有效避免高壓觸電危險(xiǎn);對于電池模組更換等工作,可事先做好預(yù)演,可提高實(shí)操的效率和安全性,減小損壞儀器的風(fēng)險(xiǎn)。
五是利用三維仿真技術(shù)模擬和創(chuàng)造出豐富的故障案例,通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段,將真實(shí)的汽車電路圖制成動(dòng)畫視頻,并設(shè)計(jì)故障檢測維修設(shè)置,提供虛擬測量工具,引導(dǎo)學(xué)生在電腦上完成仿真實(shí)訓(xùn)。可零距離、零危險(xiǎn)、零損耗地進(jìn)行純電動(dòng)汽車的故障診斷與排除仿真實(shí)訓(xùn),從而解決實(shí)車教學(xué)無法接觸檢測、場地限制以及純電動(dòng)汽車高電壓難于實(shí)操等難題。
3.1 規(guī)范學(xué)生操作,提高教學(xué)質(zhì)量
虛擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)生的裝拆順序、零部件放置等相關(guān)操作進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控,對學(xué)生的一些不規(guī)范操作進(jìn)行警示,對學(xué)生拆裝速度和錯(cuò)誤的操作進(jìn)行記錄,將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化,對學(xué)生進(jìn)行更加科學(xué)的評分。這樣能夠讓學(xué)生進(jìn)行自我反思,教師進(jìn)行針對性指導(dǎo),進(jìn)而規(guī)范學(xué)生操作,提高教學(xué)質(zhì)量。
3.2 量化評估指標(biāo),提高評價(jià)質(zhì)量
虛擬仿真軟件不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)操技能的量化評估,而且考核結(jié)果具有科學(xué)性,能夠很好地反映出學(xué)生的綜合素質(zhì)和技能水平。考試系統(tǒng)一般有故障檢測面板、考試軟件、連接線束和故障設(shè)置器等部分,可以根據(jù)需求隨機(jī)設(shè)置故障、隨機(jī)抽題組題,整個(gè)考試過程自動(dòng)記錄,自動(dòng)評分,科學(xué)、公平、安全可靠,可操作性強(qiáng)[9]。
3.3 優(yōu)化考核指標(biāo),提高學(xué)習(xí)質(zhì)量
在純電動(dòng)汽車核心課程的總評成績中,適當(dāng)增加虛擬教學(xué)系統(tǒng)考核成績的權(quán)重,可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)操實(shí)訓(xùn)的主動(dòng)性。有關(guān)試點(diǎn)學(xué)校統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,通過虛擬教學(xué)技術(shù)的融入,學(xué)生的實(shí)操技能提升快,成績普遍提高。
研究表明,在新能源汽車類專業(yè)的理論與實(shí)踐教學(xué)以及考核評價(jià)中創(chuàng)新應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),確實(shí)能夠幫助學(xué)生**知識(shí)難點(diǎn)、掌握核心技能,并能夠彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足所帶來的實(shí)操缺項(xiàng)、同時(shí)能夠消除實(shí)訓(xùn)安全隱患、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。希望各級各類職業(yè)院校加快推廣使用該項(xiàng)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與市場需求之間的無縫銜接,從而更好地為新能源汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展助力,為節(jié)能減排做出新的貢獻(xiàn)。
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