虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

摘 要：為解決新能源汽車實訓(xùn)教學(xué)中高風(fēng)險、難操作等問題，從虛擬仿真技術(shù)融入實訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)勢出發(fā)，以“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程為例，重新優(yōu)化設(shè)計實訓(xùn)內(nèi)容，增加虛擬仿真環(huán)節(jié)，并闡述虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的實施過程。經(jīng)實踐檢驗，這種教學(xué)模式顯著提高學(xué)生理論知識掌握程度，增強工程實踐技能，全面提升綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 實訓(xùn)教學(xué) 新能源汽車 動力電池

在信息化技術(shù)與教育的融合背景和多項相關(guān)政策指導(dǎo)之下，各高職院校汽車類專業(yè)將虛擬仿真技術(shù)逐漸融入課程教學(xué)，為實訓(xùn)教學(xué)的開展提供強有力的幫助。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒃究菰镫y懂的概念通過視覺圖像、聲音和三維模型轉(zhuǎn)化為直觀的表現(xiàn)形式，并賦予這些內(nèi)容互動的特性，為學(xué)生帶來更好的沉浸感和數(shù)字化內(nèi)容體驗[1]。

以高職院校新能源汽車技術(shù)專業(yè)中的核心課程——“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”為例，對于實訓(xùn)課程中“不可及、不可達(dá)、不可逆、不可復(fù)現(xiàn)”的環(huán)節(jié)，可通過虛擬仿真技術(shù)的引入進(jìn)行虛擬場景教學(xué)，實現(xiàn)實訓(xùn)“看得見、進(jìn)得去、能操作、可再現(xiàn)”的目標(biāo)，探索虛實結(jié)合的個性化、多樣化、智能化實訓(xùn)方式，解決實訓(xùn)教學(xué)過程中高投入、高損耗、高風(fēng)險及難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的問題[2]。

1 傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)存在的弊端

“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程在傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)中，單純地使用新能源汽車電池相關(guān)設(shè)備完成教學(xué)過程，由于場地、設(shè)備、安全等因素影響，大量精細(xì)化的實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)難以有效實施，主要存在以下幾方面弊端。

1.1 更新速度慢，無法及時融入新技術(shù)

新能源汽車電池領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步日新月異，電池管理系統(tǒng)也在不斷創(chuàng)新，隨著時間推移，院校實訓(xùn)設(shè)備由于更新?lián)Q代速度慢，可能趕不上企業(yè)產(chǎn)品的更新，無法及時應(yīng)用前沿技術(shù)。這種情況可能會造成學(xué)生在畢業(yè)時掌握的知識和技能與企業(yè)的實際生產(chǎn)需求存在差距，難以勝任相關(guān)崗位。

1.2 實訓(xùn)設(shè)備不足，影響學(xué)生操作體驗

實訓(xùn)室中用于新能源汽車電池實訓(xùn)的設(shè)備和材料通常比較昂貴，且材料損耗大，維護新能源汽車電池實訓(xùn)設(shè)備的成本較高，這將限制學(xué)校在實訓(xùn)資源方面的投入。實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限，分配到每個學(xué)生操作實踐的時間很少，影響學(xué)生的實際操作和體驗[3]。

1.3 存在安全隱患，增加教師管理難度

新能源汽車電池都是幾百伏的高壓，拆裝和檢修過程涉及很大的安全風(fēng)險。學(xué)生沒有經(jīng)過預(yù)先演練，直接在實訓(xùn)設(shè)備上操作，可能存在安全工作不到位、操作不規(guī)范的情況，同時也增加了教師對課堂的管理難度。對于危險性較大的實訓(xùn)項目，不便反復(fù)讓學(xué)生操作，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1.4 教學(xué)形式單一，難以反映學(xué)生水平

現(xiàn)有的“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程主要通過“教師講授——教師示范——學(xué)生練習(xí)”的形式開展實訓(xùn)教學(xué)，由于課堂時間有限，對于教師講授的理論知識和實訓(xùn)過程，學(xué)生可能還沒有完全理解吸收就機械式地完成任務(wù)。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的獨立思考能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力都無法得到鍛煉，對學(xué)生的考核評價也難以真實反映學(xué)生水平。

2 虛擬仿真技術(shù)與實訓(xùn)教學(xué)相融合的優(yōu)勢

針對傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)面臨的問題，在“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程中融入虛擬仿真技術(shù)，在虛擬場景中模擬新能源汽車電池及管理系統(tǒng)拆裝與檢修的實際操作過程，既可以讓學(xué)生具有真實操作的體驗，又解決了在實操過程中造成的設(shè)備損耗、能源消耗以及各種安全隱患，相比單純使用實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)優(yōu)勢顯著[4]。

2.1 新技術(shù)的融入更便捷，實訓(xùn)具有多樣性

教師在虛擬仿真軟件中可以任意設(shè)置設(shè)備故障點，訓(xùn)練學(xué)生分析和排除故障的技能，學(xué)生根據(jù)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象對虛擬的設(shè)備進(jìn)行模擬維修。在這個實訓(xùn)過程中，學(xué)生可以反復(fù)演練也不會損耗任何一個設(shè)備、零件或工具等。教師可以使用虛擬仿真軟件自帶的插件自行開發(fā)虛擬仿真資源，如建設(shè)電池系統(tǒng)新模型并搭建到原有的虛擬仿真場景中，對標(biāo)企業(yè)崗位需求，引入新工藝、新技術(shù)。學(xué)生可以認(rèn)知不同類型的新能源汽車電池及管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，模擬拆裝和檢測過程，獲得更多的實際經(jīng)驗。

2.2 成本更低，操作安全性更高

虛擬仿真軟件的使用只需要每個學(xué)生一臺計算機即可，降低了實訓(xùn)設(shè)備和耗材的成本，并保證了實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。對于無法在設(shè)備上完成的實訓(xùn)，可在虛擬環(huán)境中模擬操作，保證零風(fēng)險；對于需要在設(shè)備上操作的實訓(xùn)，可在安全的虛擬環(huán)境中反復(fù)練習(xí)，熟練后再進(jìn)行實際操作，大大減少了意外事故的風(fēng)險。

2.3 互動性更強，學(xué)生使用時間更靈活

學(xué)生通過與虛擬仿真系統(tǒng)的互動，能夠更加深入地探究新能源汽車電池及管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；通過參與虛擬仿真實訓(xùn)，能夠主動進(jìn)行試驗和探索，觀察實訓(xùn)結(jié)果；可以根據(jù)需要反復(fù)模擬練習(xí)，通過系統(tǒng)提供的即時反饋，提升在電池及管理系統(tǒng)拆卸與檢修方面的技能；可以在課堂之外，利用虛擬仿真軟件隨時進(jìn)行實踐，增加學(xué)習(xí)機會。

2.4 學(xué)情掌握更清晰，考核更加具象化

學(xué)生每次實訓(xùn)完成后，整個實訓(xùn)過程完整的數(shù)據(jù)都會上傳至系統(tǒng)教師端，虛擬仿真軟件具備數(shù)據(jù)分析功能，教師可以及時跟蹤學(xué)生的進(jìn)度和表現(xiàn)，以便提供更有針對性的指導(dǎo)。對學(xué)生的考核也將具體至每一個步驟，由平臺自動判分，更加能夠反映學(xué)生的真實水平。

3 應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

根據(jù)汽車行業(yè)中的國家標(biāo)準(zhǔn)和實訓(xùn)課程中存在的“三高三難”問題，對“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程原有實訓(xùn)環(huán)節(jié)重新優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源，以典型任務(wù)為單元，將新能源汽車動力電池及管理系統(tǒng)中不易理解的復(fù)雜構(gòu)造與機理，用高清仿真、動畫等形式呈現(xiàn)。

將課程的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計為四個典型任務(wù)：動力電池組的拆裝和檢測、單體電池異常的檢測和維修、電池管理系統(tǒng)的控制原理和檢修、充電系統(tǒng)的仿真和維修，每個任務(wù)分為二至四個模塊，具體的教學(xué)體系如圖1所示。對新能源汽車的整車、電池模組、電池管理系統(tǒng)等創(chuàng)建虛擬的新能源汽車及電池系統(tǒng)相關(guān)配件，通過三維制作軟件創(chuàng)建維修車間、維修工具、檢修工具等實操環(huán)境，根據(jù)課程內(nèi)容查找維修手冊及電路圖，以交互方式實現(xiàn)電池及管理系統(tǒng)的拆裝、檢測與維修。

典型任務(wù)一包含三個模塊，“動力電池組整體拆裝”模塊搭建的虛擬場景包括新能源汽車整車、動力電池組、連接線束、電池舉升臺等，可實現(xiàn)動力電池組從新能源汽車上拆卸和安裝的全過程，并對拆裝步驟和注意事項進(jìn)行詳細(xì)講解，幫助學(xué)生掌握新能源汽車的高壓安全操作流程，包括絕緣工具的使用等?！皠恿﹄姵亟M內(nèi)部拆裝”模塊搭建的虛擬場景包括動力電池模組、電池管理系統(tǒng)、高壓控制盒、動力電池箱等，可實現(xiàn)動力電池組內(nèi)部零部件拆卸和安裝的全過程，并以爆炸圖和3D動畫展示的各部件的結(jié)構(gòu)和工作原理?！皠恿﹄姵亟M檢測”模塊可實現(xiàn)動力電池模組的檢測功能，通過用萬用表對電池的測量，主要講解動力電池組的故障維修思路，包括電池模組損壞、電壓過低、連接異常等情景的模擬。

典型任務(wù)二包含兩個模塊，“單體電池電壓異常檢修與更換”模塊可實現(xiàn)單體電池電壓異常的檢修與更換的交互過程，主要講解單體電池內(nèi)部斷路、電壓偏高、電壓偏低等故障的檢修過程。“單體電池溫度異常檢修與更換”模塊可實現(xiàn)單體電池溫度異常的檢修與更換的交互過程，主要講解單體電池在充電時溫度過高、放電時溫度過高或過低等故障的檢修過程。

典型任務(wù)三包含四個模塊，“電池管理系統(tǒng)認(rèn)知”模塊搭建的虛擬場景包括電池管理控制器、電池信息采集器、連接線束等，以3D動畫形式展現(xiàn)電池管理系統(tǒng)工作原理，引入最新的電池管理算法和軟件模擬，讓學(xué)生了解如何通過軟件優(yōu)化來提高電池性能?！皠恿﹄姵乩^電器盒檢修”模塊以3D動畫形式展現(xiàn)動力電池各繼電器的結(jié)構(gòu)和控制原理，主要講解動力電池繼電器盒故障診斷的邏輯流程和故障排除的步驟，包括高壓電系統(tǒng)保險絲損壞、正負(fù)極接觸器故障、主接觸器故障等情景的模擬?！皠恿﹄姵馗邏夯ユi線路檢測”模塊以3D動畫形式展現(xiàn)動力電池高壓互鎖原理，可在虛擬工作場景中用萬用表檢測高壓互鎖線路的完整性，模擬高壓互鎖線路的多種故障情況，如接觸不良、線路老化等，并提供相應(yīng)的檢測工具和方法。 “BMS通信故障檢修”模塊以3D動畫形式展現(xiàn)BMS通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及CAN總線協(xié)議的工作原理，可實現(xiàn)通信故障設(shè)置與檢修的交互過程，包括BMC動力網(wǎng)CAN-H線路斷路故障、CAN-L線路斷路故障等情景的模擬。

典型任務(wù)四包含三個模塊，“交流和直流充電設(shè)備認(rèn)知”模塊搭建的虛擬場景包括新能源汽車充電系統(tǒng)、交流充電樁、直流充電樁等，對交、直流充電設(shè)備可進(jìn)行多角度觀察，并詳細(xì)講解?！敖涣骱椭绷鞒潆娺^程”模塊以3D動畫形式展現(xiàn)交流充電工作原理和控制過程、直流充電工作原理和控制過程?！敖涣鞒潆姽收蠙z修”模塊可實現(xiàn)交流充電故障設(shè)置與檢修的交互過程，包括OBC電源故障、交流充電確認(rèn)信號CP線路斷路故障、交流充電控制信號CC線路斷路故障等情景的模擬。

4 虛擬仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的實施過程

以動力電池組整體拆裝實訓(xùn)為例，依據(jù)實訓(xùn)目的，結(jié)合實訓(xùn)內(nèi)容，按照“課前導(dǎo)學(xué)、課中實施、課后拓展”的流程實施教學(xué)過程。

4.1 課前導(dǎo)學(xué)

教師在虛擬仿真軟件中發(fā)布課程相關(guān)教學(xué)資源，如課件、視頻、實訓(xùn)指導(dǎo)書等，提供最新的行業(yè)研究報告和案例分析，讓學(xué)生了解動力電池組的最新技術(shù)和行業(yè)動態(tài)。布置與實訓(xùn)內(nèi)容相關(guān)的預(yù)習(xí)任務(wù)，如利用虛擬仿真軟件引導(dǎo)學(xué)生虛擬拆裝新能源汽車動力電池組[5]。設(shè)計開放性問題，激勵學(xué)生思考在動力電池組拆卸和安裝過程中可能遇到的問題及其應(yīng)對策略。

學(xué)生通過觀看教學(xué)視頻和課件等進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，完成教師布置的任務(wù)和思考題。教師利用虛擬仿真軟件中的學(xué)習(xí)分析工具，監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和互動表現(xiàn)，識別學(xué)生的學(xué)習(xí)難點，以便在課中實施時提供針對性的指導(dǎo)。

4.2 課中實施

4.2.1 理論知識講授

教師利用課件、圖片等形式向?qū)W生展示新能源汽車動力電池組在整車上所在位置，介紹動力電池組的結(jié)構(gòu)，組織學(xué)生分組討論拆裝步驟和安全注意事項，教師總結(jié)并詳細(xì)講解。以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生積極探索、舉一反三的能力。

4.2.2 虛擬仿真演練

教師進(jìn)入“動力電池拆卸與安裝”的演示教學(xué)模式，在虛擬場景中為學(xué)生演示動力電池組從整車上拆卸和安裝的步驟，每一步都有文字和語音提示，需要點擊的位置會以藍(lán)色高亮的形式顯示出來，如圖2所示。

學(xué)生進(jìn)入“動力電池拆卸與安裝”的練習(xí)測評模式，按照教師講解的拆裝流程，逐步進(jìn)行操作。在此模式下，計時功能開啟，學(xué)生只能看到文字提示，無法看到藍(lán)色高亮部位，必須熟悉每個步驟才能完整實現(xiàn)拆裝全過程，如圖3所示。練習(xí)結(jié)束后，系統(tǒng)自動給出測評結(jié)果，包括操作時間、每個操作步驟得分和總得分。學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直到熟練為止。

4.2.3 整車實際操作

根據(jù)學(xué)生虛擬仿真的測評結(jié)果，教師可以了解學(xué)生對該部分知識的掌握情況，允許測評合格的學(xué)生在新能源汽車實車上進(jìn)行操作，而測評不合格的學(xué)生則需繼續(xù)在虛擬仿真軟件中練習(xí)。以企業(yè)崗位需求為目標(biāo)，訓(xùn)練學(xué)生按照虛擬場景中的模型在實車上對比學(xué)習(xí)，學(xué)生對動力電池組的拆裝過程更加熟練，也極大地降低高壓操作的風(fēng)險。

4.3 課后拓展

4.3.1 實訓(xùn)報告與反思

要求學(xué)生完成實訓(xùn)報告，不僅要詳細(xì)描述動力電池組的拆裝過程，還要分析拆裝過程中的關(guān)鍵點和潛在的改進(jìn)空間。引導(dǎo)學(xué)生反思實訓(xùn)過程中的體驗，評估自身的強項與待加強之處，以及如何將所學(xué)知識有效地運用于實際工作中[6]。

4.3.2 虛擬仿真軟件的開放使用

向?qū)W生開放實訓(xùn)室和虛擬仿真軟件，使他們能夠在課后自主安排時間進(jìn)行練習(xí)，以鞏固和深化對動力電池組拆裝的理解。在虛擬仿真軟件中設(shè)置進(jìn)階任務(wù)，如其他不同車型動力電池組的拆裝操作，供有需求的學(xué)生實踐，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和解決復(fù)雜問題的能力。

4.3.3 在線討論的持續(xù)進(jìn)行

設(shè)立在線討論區(qū)，讓學(xué)生分享實訓(xùn)心得、討論遇到的難題以及解決方案，教師可以在此提供額外的指導(dǎo)和資源。

5 教學(xué)效果

“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程修訂2022級新能源汽車技術(shù)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程標(biāo)準(zhǔn)時，在實訓(xùn)教學(xué)中融入了虛擬仿真技術(shù)，相較于2021級學(xué)生，在理論成績、實操成績、課程參與度、學(xué)生評教方面都有顯著提升，如圖4所示。

以實帶虛，以虛促實，虛實融合[7]，多樣化教學(xué)資源的靈活運用激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與積極性，鍛造實踐能力。學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)與虛擬仿真實訓(xùn)的融合，不僅深化了對知識的掌握，還能在實際操作中將所學(xué)知識付諸實踐。這種理實虛一體化的教學(xué)方法有助于提高學(xué)生的綜合技能，使他們能夠在新能源汽車行業(yè)中發(fā)揮重要作用。

6 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用為“新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修”課程實訓(xùn)教學(xué)提供了一種靈活高效、安全經(jīng)濟、教學(xué)手段豐富的方法，有效增強學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握和理解。本研究對課程原有實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計，增加虛擬仿真實訓(xùn)環(huán)節(jié)，設(shè)計虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)實施全過程，形成“理論認(rèn)知、虛擬訓(xùn)練、實地頂崗”為一體的具有專業(yè)特色的教學(xué)實訓(xùn)一體化人才培養(yǎng)路徑。經(jīng)檢驗，新的實訓(xùn)教學(xué)模式培養(yǎng)的學(xué)生理論知識掌握更為扎實，工程實踐能力顯著增強，綜合素質(zhì)得到全面提高。

基金項目：安徽省質(zhì)量工程崗課賽證綜合育人改革項目（項目號：2021gkszgg009）；安徽省職成教學(xué)會項目（項目號：Azcj2022081）；安徽

省高?？蒲兄攸c項目（項目號：2022AH052785）；安徽省高校學(xué)科（專業(yè)）帶頭人培育項目（項目號：DTR2023099）；安徽省職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展試驗區(qū)項目（項目號：WJ-ZYPX-100，WJ-ZYPX-101）；安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目（項目號：KJ2020A1094）；安徽工商職業(yè)學(xué)院課程思政示范課程項目（項目號：2022KCSZ04）。

參考文獻(xiàn)：

[1]張智明，趙治國，張娟楠.汽車液壓傳動虛擬實驗教學(xué)平臺設(shè)計及案例分析[J].汽車實用技術(shù)，2023，48（24）：156-163.

[2]李靖，高兵，張開旺.職業(yè)院校產(chǎn)教融合實訓(xùn)基地績效評價體系構(gòu)建及實證研究[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2022，35（3）：71-76.

[3]劉樺銳.虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車專業(yè)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].汽車測試報告，2023（15）：137-139.

[4]吳海洋.基于虛擬仿真技術(shù)的“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)”實訓(xùn)教學(xué)模式改革與實踐[J].汽車維修與保養(yǎng)，2023（12）：82-84.

[5]夏長明，陳伙南，蒙劭洋.虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車類專業(yè)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究[J].農(nóng)機使用與維修，2024（01）：145-147.

[6]周晶晶.VR技術(shù)在《汽車涂裝》教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2023：30-34.

[7]張美林.職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)研究[J].化工管理，2023（14）：18-20.