基于虛擬仿真技術(shù)的汽車電子實(shí)踐教學(xué)研究

陳銘

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長春 130000）

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車電子技術(shù)也在不斷地更新，對高校培養(yǎng)汽車專業(yè)人才方面也提出了更高的要求。高職學(xué)校主要是培養(yǎng)實(shí)踐型的應(yīng)用人才，對學(xué)生們的動手能力要求很高，就汽車電子專業(yè)而言，還要求學(xué)生具有創(chuàng)新性。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力時，由于汽車電子帶有一定理論性和抽象性，常常達(dá)不到理想的教學(xué)效果。充分發(fā)揮虛擬電子技術(shù)的作用，能夠?yàn)閷W(xué)生們的學(xué)習(xí)降低難度，同時還能為實(shí)踐教學(xué)效果提供保障。

一、虛擬仿真技術(shù)

（一）虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵

虛擬仿真技術(shù)，又名“模擬技術(shù)”。這項(xiàng)技術(shù)，為人類認(rèn)識了解客觀世界、探索客觀世界規(guī)律提供了有力的技術(shù)支撐。虛擬仿真技術(shù)利用了相似的工作原理，針對研究對象建立虛擬模型。人們可以利用仿真虛擬模型間接地對原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。虛擬仿真技術(shù)具有交互體驗(yàn)性、沉浸感受性、真切性以及虛幻性等特性。在虛擬仿真技術(shù)建立的體驗(yàn)系統(tǒng)中，人的多種感官都獲得了沉浸式體驗(yàn)，人們在虛擬場景中具有身臨其境的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)人與環(huán)境之間交互作用。

（二）虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

仿真技術(shù)發(fā)展至今，共經(jīng)歷了四個階段：物理仿真階段，模擬仿真階段，數(shù)字仿真階段以及虛擬仿真階段。在物理仿真時期，也就是20 世紀(jì)20 年代到20 世紀(jì)30年代，仿真技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域的研究與實(shí)踐中。比如美國陸軍與海軍航空隊(duì)在1930 年左右，利用物理仿真技術(shù)設(shè)計了林克儀表模擬飛行器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與演練。20世紀(jì)40年代到20世紀(jì)50年代，發(fā)展到模擬仿真時期。利用仿真技術(shù)建立數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器與電容器、電阻器件等組織構(gòu)件之間的有效連接，形成仿真電路。20 世紀(jì)60 年代至20 世紀(jì)80 年代，進(jìn)入了數(shù)字仿真模擬階段，這一階段也實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)的飛躍發(fā)展。數(shù)字仿真模擬技術(shù)率先在航天事業(yè)發(fā)展中得到利用。從上世紀(jì)80 年代至今，人類進(jìn)入到虛擬仿真技術(shù)時代。虛擬仿真技術(shù)在各行各業(yè)的發(fā)展中得到了充分利用。在道路橋梁、場館仿真、旅游教學(xué)、室內(nèi)設(shè)計、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要價值作用。

舉例來講：在突發(fā)災(zāi)害的緊急預(yù)案方面，仿真模擬技術(shù)也發(fā)揮著重要價值。通過虛擬技術(shù)設(shè)置虛擬仿真災(zāi)害演練系統(tǒng)，在系統(tǒng)中對于受災(zāi)人員情況，各種災(zāi)害發(fā)生的等級指數(shù)等等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)設(shè)，然后模擬災(zāi)害發(fā)生的過程，并對受災(zāi)人群可能發(fā)生的幾種情況做出預(yù)設(shè)。接著，通過模擬演練平臺，設(shè)定不同的緊急救災(zāi)方案，探索最安全快速的應(yīng)急救援措施。應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)能夠讓指揮人員、災(zāi)害事故處置人員發(fā)現(xiàn)一些在事故處理中可能存在的問題，并且做出科學(xué)化的決策部署和應(yīng)急方案設(shè)定，提高了應(yīng)急能力，很大程度上保護(hù)了人民的生命財產(chǎn)安全。

二、虛擬仿真技術(shù)與汽車電子教學(xué)

通過前文的舉例，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)為人們的生產(chǎn)生活提供了諸多便捷。在教育教學(xué)實(shí)踐研究中，虛擬仿真技術(shù)也能夠發(fā)揮一定的價值作用。通過汽車模擬仿真軟件，可以按照汽車各部分構(gòu)成零件的比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立體化模型構(gòu)建。利用模型透視功能，能夠清晰地為學(xué)生們展示汽車內(nèi)部構(gòu)造和汽車各組成系統(tǒng)的工作原理；另外，虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建出來的三維模型可以進(jìn)行無限地放大化，也可以全方位的旋轉(zhuǎn)模型和調(diào)節(jié)角度，能夠讓學(xué)生們從多個視角對汽車構(gòu)造和汽車各零件進(jìn)行全面了解學(xué)習(xí)。

虛擬仿真技術(shù)在汽車電子實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，能為學(xué)生營造一種貼近真實(shí)的體驗(yàn)氛圍，能充分調(diào)動學(xué)生的多種感官。將抽象化的知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為直觀式形象化的體驗(yàn)，有效激發(fā)了學(xué)生們的興趣。這種直觀化的科技教學(xué)手段，讓教師不必再進(jìn)行過多的口授教學(xué)，使整個課堂時間能夠高效運(yùn)用起來。

三、虛擬仿真技術(shù)在汽車電子實(shí)踐教學(xué)上的應(yīng)用

（一）在汽車動力性探究上應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)

在傳統(tǒng)汽車電子教學(xué)課堂中，對于汽車動力性探究的學(xué)習(xí)主要是通過這樣的方式：教師按照課程教材中所提供的某個車型的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行汽車的阻力以及驅(qū)動力的分析，從而，得出驅(qū)動力－行駛阻力的平衡圖。利用相關(guān)公式進(jìn)行推導(dǎo)計算，繪制汽車爬坡度圖像以及汽車行駛加速度曲線圖。根據(jù)曲線以及數(shù)據(jù)分析，得到汽車動力性的評價指標(biāo)。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生們僅僅是學(xué)習(xí)了計算知識，沒有對汽車動力性進(jìn)行真正探究實(shí)踐。利用汽車虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供探究機(jī)會，讓學(xué)生能夠?qū)⒅R融會貫通。AVL cruise 軟件可以實(shí)現(xiàn)汽車動力性、排放性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性的模擬仿真操作。利用AVL cruise 將車型參數(shù)錄入，模擬汽車加速的過程，一些相關(guān)數(shù)據(jù)以及曲線圖隨即生成。學(xué)生們通過模擬軟件展示出的汽車加速度仿真過程，能夠清晰地看到汽車仿真過程的三大動力性指標(biāo)變化的規(guī)律，從而對于汽車的動力性概念產(chǎn)生更加深入的理解。另外，在得到數(shù)據(jù)之后，可以指導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，通過更改一部分的汽車參數(shù)指標(biāo)，重新模擬汽車加速度過程，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。通過親身實(shí)驗(yàn)以及直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，學(xué)生們了解到了車輛不同參數(shù)數(shù)據(jù)對于汽車動力性產(chǎn)生的影響。利用汽車虛擬仿真軟件進(jìn)行課堂教學(xué)學(xué)習(xí)，能夠打破傳統(tǒng)的教學(xué)方式的刻板性，帶來更加直觀清晰的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（二）利用仿真模擬技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型

汽車電子教學(xué)應(yīng)該注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，利用虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用軟件建立模型，深入學(xué)習(xí)汽車電子控制技術(shù)。Saber 仿真軟件出自美國的Synopsys 公司，這一仿真模擬軟件對于多個技術(shù)領(lǐng)域都有很大應(yīng)用價值。利用Saber 軟件進(jìn)行汽車電子教學(xué)建立數(shù)學(xué)模型有利于培養(yǎng)汽車電子專業(yè)的學(xué)生在汽車電子控制技術(shù)方面的學(xué)習(xí)掌握。利用Saber 建立數(shù)學(xué)模型之前，先對汽車的零件構(gòu)成進(jìn)行一個抽象化處理，然后通過抽象數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。對于物理器件、大型電路的建模能夠讓同學(xué)們充分了解電路詳細(xì)特征，從而為下一步的學(xué)習(xí)做好預(yù)備工作。零部件數(shù)學(xué)模型質(zhì)量，直接關(guān)系到了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用數(shù)學(xué)模型建立各種參數(shù)值，來模擬零部件的功能。同時，也要帶領(lǐng)學(xué)生們通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不斷實(shí)踐與完善。

（三）虛擬仿真技術(shù)在汽車傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

利用汽車模擬仿真軟件應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中，能為學(xué)生在理論知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作之間建立一個橋梁，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從課程知識到實(shí)踐應(yīng)用的過渡。在汽車傳感器教學(xué)中，可以以汽車仿真虛擬軟件為平臺，進(jìn)行教學(xué)。利用“氧傳感器”來舉例說明。氧傳感器屬于汽車上的重要配置部分。氧傳感器以陶瓷敏感元件來對汽車的排氣管道氧電勢進(jìn)行測試，按照化學(xué)平衡原理計算出相對應(yīng)的氧濃度數(shù)據(jù)，對汽車的燃燒空燃比進(jìn)行了有效監(jiān)控，從而保證尾氣排放合乎標(biāo)準(zhǔn)，保證汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。對于氧傳感器的檢測，應(yīng)該先了解氧傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以此為前提。學(xué)生們需要透徹了解空燃比、信號電壓以及混合器濃度三者之間的關(guān)系。但是，氧傳感器傳送給EDU 的信號是抽象的，無法通過肉眼直觀看到卻又真實(shí)存在的。為了在實(shí)際教學(xué)中讓學(xué)生對于學(xué)習(xí)的內(nèi)容更加深刻化理解，教育者可以在教學(xué)中設(shè)計虛擬仿真技術(shù)模擬演示環(huán)節(jié)。利用虛擬仿真技術(shù)軟件模擬出氧傳感器的結(jié)構(gòu)，直觀展示出電路與輸出信號的曲線，直觀化地呈現(xiàn)出氧傳感器的工作原理。通過這種形式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)的限制，實(shí)現(xiàn)了對于教學(xué)難點(diǎn)的突破，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣也得到了充分激發(fā)。

（四）對汽車供電系統(tǒng)原理的仿真模擬

利用模擬仿真技術(shù)，對于汽車供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，能夠激發(fā)學(xué)生們對于汽車供電原理學(xué)習(xí)的興趣，并且能夠充分調(diào)動學(xué)生們的鉆研精神，讓學(xué)生們積極動腦思維。比如說：雙電壓系統(tǒng)中，用電設(shè)備可以分成兩類：負(fù)載42V 電壓的大功率用電設(shè)備和負(fù)載電壓為14V 的中小功率用電器。家庭照明系統(tǒng)，車輛GPS 定位系統(tǒng)屬于中小功率用電器，其所需電壓較低，用電量少。但是，對于一些像發(fā)動機(jī)，電控器這類大功率用電設(shè)備來說，在運(yùn)行過程中所需電量和電壓都比較大。雙電壓系統(tǒng)能起到一個兼容與中和作用，兼顧到了兩個方面，既能夠滿足中小功率用電器的運(yùn)行，又能滿足大功率的用電設(shè)備的工作電壓需求。通過虛擬仿真模擬軟件，將14V 和42V的汽車供電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，進(jìn)行參數(shù)分析，帶領(lǐng)學(xué)生們共同學(xué)習(xí)和研究汽車電壓系統(tǒng)設(shè)計問題。14V 的電壓系統(tǒng)，對于波長方面有嚴(yán)格的要求，對于峰值電壓以及波形的控制應(yīng)該在合理的范圍之內(nèi)。如果超出允許范圍，干擾的脈沖幅度影響過大，容易導(dǎo)致丟失信號，甚至于讓整個系統(tǒng)進(jìn)入到失控的狀態(tài)，十分危險。在42V 電壓的大功率用電器模擬中，學(xué)生們會直觀觀察到42V 供電曲線的變化情況（如圖1 所示），電壓會隨著轉(zhuǎn)速而發(fā)生改變。雙電壓系統(tǒng)的電壓，能夠跟隨著轉(zhuǎn)速做出靈敏變化，因此，可以以電壓的峰值為依據(jù)，選擇電子電器元件。

圖1 （雙電壓系統(tǒng)中供電系統(tǒng)變化曲線圖）

仿真技術(shù)的操控性比較強(qiáng)，對于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求也很高?；诖?，教師在汽車供電系統(tǒng)模擬教學(xué)過程中，為了呈現(xiàn)出更好的課堂效果，應(yīng)該提前做好調(diào)試和測驗(yàn)工作。教師在反復(fù)實(shí)踐驗(yàn)證后能夠保證教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確性，為學(xué)會們進(jìn)行汽車電子技術(shù)的學(xué)習(xí)營造良好的氛圍。

結(jié)束語

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)是21 世紀(jì)應(yīng)用廣泛的信息技術(shù)。對于高校汽車電子技術(shù)專業(yè)教學(xué)而言，虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)實(shí)踐的融合，突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的限制，在極大程度上降低了學(xué)生們的學(xué)習(xí)難度，對于教學(xué)效果也產(chǎn)生了極大的提升作用。教師應(yīng)該在教學(xué)環(huán)節(jié)中注重新興技術(shù)的引用，改進(jìn)教學(xué)方式，為國家培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的汽車行業(yè)人才。