基于虛擬仿真的“新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)”信息化教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

賈國(guó)海

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;新能源汽車;信息化教學(xué);MATLAB

一、問(wèn)題的提出

為了跟上時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)模式已不再適用于高等教育，在課堂教學(xué)中存在諸多問(wèn)題和不足，急需對(duì)高等院校新能源專業(yè)的新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程進(jìn)行基于虛擬仿真的信息化教學(xué)改革。信息化教學(xué)是一種適應(yīng)時(shí)代的新型教學(xué)方式，將各類優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行整合優(yōu)化，從而將學(xué)生的主觀能動(dòng)性充分發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而達(dá)到理想的教學(xué)效果。新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的必修課程，該課程的目標(biāo)是讓學(xué)生熟悉新能源汽車的概念、特點(diǎn)、分類和組成;掌握各類新能源汽車的總體結(jié)構(gòu)，包括組成結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理、儲(chǔ)能系統(tǒng)原理和電控系統(tǒng)等內(nèi)容;了解新能源汽車領(lǐng)域的一些研究發(fā)展前沿知識(shí)，該課程為學(xué)生們畢業(yè)之后的就業(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

依據(jù)教研室作出的專業(yè)培養(yǎng)方案，學(xué)習(xí)本課程之前，一般都會(huì)學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)課程，這些課程都是學(xué)習(xí)新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程的基礎(chǔ)，只有根基牢固才能提高學(xué)習(xí)效果，并且這些課程的學(xué)習(xí)也存在很多難點(diǎn)，造成學(xué)生產(chǎn)生抵觸學(xué)習(xí)新增知識(shí)的情緒，學(xué)習(xí)本課程尤為困難。在經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)后，考試和作業(yè)都是敷衍了事，個(gè)別學(xué)生連一些基礎(chǔ)知識(shí)，如原理、結(jié)構(gòu)都不了解。分析出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因如下：

（1）在理論基礎(chǔ)方面，學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)不是很好，存在層次差異和個(gè)體差異。

（2）在操作技能方面，學(xué)生的動(dòng)手能力弱，且操作存在諸多隱患問(wèn)題。

（3）在學(xué)習(xí)方法方面，存在死記硬背的情況，沒有討論交流的意識(shí)和提出質(zhì)疑的勇氣。

（4）學(xué)生求知的欲望弱，不喜歡動(dòng)手實(shí)踐，具有消極的情感態(tài)度，仍有個(gè)別學(xué)生具有畏懼心理。

（5）學(xué)生們的學(xué)習(xí)水平參差不齊，存在理論基礎(chǔ)差、不預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)等諸多問(wèn)題。

針對(duì)上述諸多問(wèn)題，本文基于虛擬仿真的新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程進(jìn)行信息化教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)課程教學(xué)改革的流程進(jìn)行了構(gòu)造，并對(duì)課程的難點(diǎn)進(jìn)行了教學(xué)反思。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

本文對(duì)新能源科學(xué)與工程專業(yè)的新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程進(jìn)行基于虛擬仿真的信息化教學(xué)改革，運(yùn)用仿真軟件和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行虛擬仿真，并結(jié)合以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一系列的教學(xué)流程。

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

課程標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)學(xué)校和專業(yè)教研室的培養(yǎng)方案制定的教學(xué)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，課程標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)教學(xué)目標(biāo)具有指導(dǎo)作用，該文件對(duì)教學(xué)效果具有重要影響。以往的課程標(biāo)準(zhǔn)較為陳舊，許多新知識(shí)、新技術(shù)沒有涉及，傳統(tǒng)課堂教學(xué)的落后導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使得教學(xué)效果較差。以虛擬仿真為基礎(chǔ)的《新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)》信息化教學(xué)會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，同時(shí)讓學(xué)生熟悉一門數(shù)值仿真軟件也對(duì)其后續(xù)學(xué)習(xí)深造有較大的幫助;在教學(xué)資源上，通過(guò)網(wǎng)上的教學(xué)平臺(tái)和資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，這樣可以讓學(xué)生在課堂上帶著目的尋找答案，以達(dá)到較好的教學(xué)效果;在考核評(píng)價(jià)上，主要分為平時(shí)成績(jī)和最終考試成績(jī)，將加強(qiáng)平時(shí)成績(jī)的審核并提高平時(shí)成績(jī)的比重，將出勤、作業(yè)完成情況等作為依據(jù)，最終的考試成績(jī)比重將降低。本課程課時(shí)安排為28課時(shí)，課時(shí)具體分配如圖1所示。

（1）情景設(shè)計(jì)。模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，配套講授理論知識(shí)，最終完成工作任務(wù)。

（2）虛擬仿真案例教學(xué)。采用虛擬仿真案例教學(xué)法來(lái)提升學(xué)生對(duì)新能源汽車相關(guān)知識(shí)的了解并激發(fā)學(xué)生們的興趣，可以更加直觀明了地看到新能源汽車的構(gòu)造和工作原理，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。通過(guò)在MATLAB軟件中建立模型并通過(guò)編輯器進(jìn)行運(yùn)行，從而得到所需要的計(jì)算數(shù)據(jù)和相應(yīng)的圖像，達(dá)到新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)虛擬仿真教學(xué)的要求。

（二）教學(xué)方法設(shè)計(jì)

（1）課前學(xué)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)。教師應(yīng)做到在網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容并及時(shí)提醒學(xué)生完成預(yù)習(xí)，學(xué)生要及時(shí)完成老師布置的預(yù)習(xí)任務(wù)和作業(yè)，并向老師大膽提出見解，為新項(xiàng)目的開展積累知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

（2）課堂活動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)。課堂活動(dòng)的主要目的是發(fā)揮老師的輔助引導(dǎo)作用，讓學(xué)生自主完成各項(xiàng)任務(wù)。學(xué)生通過(guò)提前預(yù)習(xí)從而提出難以理解的問(wèn)題，并集中反饋給老師進(jìn)行解答解疑，同時(shí)通過(guò)交流討論或是相互協(xié)作來(lái)完成老師在課堂上布置的任務(wù)，具體課堂實(shí)施步驟如圖2所示。

①分析任務(wù)。通過(guò)讓學(xué)生觀看與新能源汽車相關(guān)的教學(xué)視頻，使學(xué)生了解新能源汽車發(fā)展概況和基本結(jié)構(gòu)組成。提出幾個(gè)問(wèn)題用來(lái)啟發(fā)學(xué)生，讓同學(xué)們相互討論，再邀請(qǐng)幾個(gè)同學(xué)代表進(jìn)行歸納總結(jié)，最終達(dá)到認(rèn)識(shí)新能源汽車基本理念的目的。為了使學(xué)生更加直觀地了解新能源汽車的工作原理，在課堂適當(dāng)?shù)匮菔拘履茉雌囅嚓P(guān)的動(dòng)畫，并通過(guò)虛擬仿真軟件建立新能源汽車中重要零部件的機(jī)械或電子方面的模型，使學(xué)生更加直觀了解其內(nèi)部構(gòu)造或工作原理，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)新能源汽車的理解。

②新知識(shí)引入。通過(guò)將教學(xué)視頻和有關(guān)新能源汽車相關(guān)的新聞引入教學(xué)內(nèi)容，教師通過(guò)分析當(dāng)前火熱的新能源汽車車型，用仿真軟件或是車模將新能源汽車進(jìn)行拆分講解。為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)好新能源汽車的整體構(gòu)成和工作原理，還可以通過(guò)小游戲的方式，使大家在生動(dòng)的情景表演中獲得新能源汽車的相關(guān)知識(shí)。此目的是讓學(xué)生加快學(xué)習(xí)有關(guān)新能源汽車的新知識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，為后面的重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)做好知識(shí)儲(chǔ)備。

③虛擬實(shí)訓(xùn)。教師在課程教學(xué)中通過(guò)虛擬仿真軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)，讓學(xué)生們熟悉各類新能源汽車的總體結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的零部件的控制系統(tǒng)，包括各組成結(jié)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理和電控系統(tǒng)原理等內(nèi)容。學(xué)生們?cè)谔摂M仿真軟件中能夠完成新能源汽車的整體設(shè)計(jì)，并且能夠按照自己的設(shè)計(jì)選裝零部件，還能夠進(jìn)行硬件的布置。以此達(dá)到掌握新能源汽車的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。還能夠借助虛擬仿真軟件對(duì)新能源汽車的工況進(jìn)行模擬，從而可以有效地解決課時(shí)縮減而導(dǎo)致教學(xué)效果不好的難題。虛擬仿真軟件操作起來(lái)更加便捷和高效，學(xué)生們可以輕松地對(duì)不同的新能源汽車的工況進(jìn)行模擬測(cè)試，從而為新能源汽車全實(shí)物的實(shí)訓(xùn)減少消耗并減少教學(xué)成本。

④虛實(shí)一體。學(xué)生們經(jīng)過(guò)虛擬仿真軟件的訓(xùn)練后，對(duì)所學(xué)新能源汽車知識(shí)有了較為深刻的認(rèn)識(shí)，有助于后續(xù)實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)課程的開展。實(shí)踐和實(shí)訓(xùn)課程由學(xué)生們組成小隊(duì)完成新能源汽車總體結(jié)構(gòu)拆裝和組裝，包括底盤、總成結(jié)構(gòu)、電池系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等內(nèi)容。此目的是培養(yǎng)學(xué)生們動(dòng)手實(shí)踐能力，在實(shí)踐中真正掌握新能源汽車的各個(gè)部件機(jī)構(gòu)和工作原理。

⑤評(píng)價(jià)總結(jié)。在平時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師布置給學(xué)生一些小任務(wù)和練習(xí)，讓學(xué)生們對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行加強(qiáng)并鞏固。教師帶領(lǐng)學(xué)生們進(jìn)行課程實(shí)踐考核并監(jiān)督學(xué)生完成考試，進(jìn)一步完成考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并且通過(guò)分析考試和考核的結(jié)果來(lái)完成最終的評(píng)價(jià)總結(jié)。

（三）考核評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

考核評(píng)價(jià)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行考試和作業(yè)等措施的檢驗(yàn)，同時(shí)也是對(duì)教師教學(xué)能力的檢查，使教師從教學(xué)中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)教師的教學(xué)會(huì)產(chǎn)生一定的激勵(lì)作用。通過(guò)建立平時(shí)評(píng)價(jià)和考試評(píng)價(jià)相結(jié)合的模式，調(diào)整考試成績(jī)和平時(shí)考核成績(jī)的比重來(lái)解決考試決定一切的弊端，從而使教學(xué)評(píng)價(jià)更加人性化。平時(shí)考核成績(jī)主要分為課前預(yù)習(xí)、課堂參與和課后任務(wù)三部分：課前學(xué)習(xí)主要是完成網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的任務(wù)，以期達(dá)到預(yù)習(xí)的效果;課堂學(xué)習(xí)主要是學(xué)生的出勤和課堂回答問(wèn)題的積極性;課后任務(wù)主要包括作業(yè)的檢查等。平時(shí)考核成績(jī)占總體成績(jī)的30%，其中每個(gè)部分各占10%;期末考試形式為閉卷考試，主要考查學(xué)生對(duì)所學(xué)新能源知識(shí)的理解與掌握情況。

三、案例分析

新能源汽車工況復(fù)雜，既要能夠保證高速運(yùn)行，又需要頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)等各種工況，因此，需要選用小型輕量的高效電機(jī)，而用永磁同步電機(jī)適用于新能源汽車的動(dòng)力需求。為了讓學(xué)生更好地掌握永磁同步電機(jī)的特性，采用MATLAB軟件建立了三相永磁同步電機(jī)的滯環(huán)電流控制系統(tǒng)虛擬仿真模型，如圖3所示[6-8]。得到仿真結(jié)果如圖4所示，從圖中可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速N、電磁轉(zhuǎn)矩T。和三相電流i。。。隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

從以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電機(jī)帶載T=3.5N·m啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙絽⒖嫁D(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，開始時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速有一些超調(diào)量，并且在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩T。的波動(dòng)較大，但仍然具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在t=0. 05s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)門L=1.5N·m時(shí)，電機(jī)能快速恢復(fù)到設(shè)置的參考轉(zhuǎn)速，說(shuō)明采用滯環(huán)電流控制能夠滿足電機(jī)運(yùn)行的要求。

四、教學(xué)反思

本文通過(guò)基于虛擬仿真的信息化教學(xué)改革模式對(duì)新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程進(jìn)行了全面優(yōu)化，在經(jīng)過(guò)最終評(píng)價(jià)后得出教學(xué)效果較好的結(jié)論，為之后的進(jìn)一步教學(xué)改革提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)講解時(shí)，通過(guò)虛擬仿真軟件來(lái)介紹新能源汽車的整體結(jié)構(gòu)和工作原理更加有利于學(xué)生的理解，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。在實(shí)踐操作時(shí)一些學(xué)生存在操作不當(dāng)?shù)劝踩[患，需要對(duì)其進(jìn)行教育，并應(yīng)在下次教學(xué)前開展安全知識(shí)教育。

結(jié)語(yǔ)

本文基于虛擬仿真技術(shù)對(duì)新能源動(dòng)力及汽車技術(shù)課程的課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)對(duì)教學(xué)方法也進(jìn)行了優(yōu)化和提煉，在最終的考核評(píng)價(jià)中也對(duì)所占比重和考核內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，由此達(dá)到了較好的教學(xué)效果。本文探索了基于虛擬仿真的信息化教學(xué)改革模式，為今后的信息化教學(xué)改革提供參考。

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