虛擬仿真技術在汽車傳感器課程教學中的研究

李海崗 白樹全 楊秀芳 于淑霞 賀桂敏

[摘要]針對目前高職院校汽車傳感器課程教學中遇到的檢測原理難以理解等的實際問題，課題組詳細探討了虛擬仿真技術在汽車傳感器教學中的應用。以“空氣流量計的檢測”為例，嘗試在理論與實踐的中間增設虛擬仿真環節，通過創新理虛實一體化教學模式來闡述虛擬仿真技術的應用過程。研究表明，憑借虛擬仿真技術可以將抽象的傳感器原理直觀化，幫助學生深入理解難點知識，為提高學生的汽車傳感器檢測能力打下堅實的基礎，并激發了學生的創新思維。

[關鍵詞]高職院校;汽車傳感器;虛擬仿真技術;空氣流量計

[中圖分類號]U462.2;G642 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）07-0082-03

汽車傳感器課程是高職院校汽車電子技術專業的核心課程，掌握好現代汽車傳感器檢測技術，可以幫助學生從容地面對“中國制造2025”的挑戰。汽車傳感器技術不僅涉及模擬電路、數字電路、機械設計、汽車材料、微機原理和信號處理等方面的學科知識，而且還需要掌握發動機原理和汽車構造等專業知識，是一門理論性、實踐性和綜合性都很強的技術。

很多職業院校積極進行理實一體化教學模式研究，其與之前的傳統教學模式相比，通過大量實踐，很大程度上解決了理論教學和實訓教學“兩張皮”的問題，一定程度上保障了教學目標的實現。但由于汽車傳感器原理晦澀難懂，要想讓學生把“理論知識”內化為“技術技能”，還需要十分漫長而艱難的過程。在汽車傳感器課程教學中引入虛擬仿真技術，可以實現理論教學與實踐教學的深度融合，進而不斷改善教學質量，提升學生的技能水平和創新能力。

一、汽車傳感器教學面臨的問題

（一）抽象的教學內容難以解釋

要掌握傳感器的檢測方法，關鍵在于理解傳感器的工作原理。而原理性的內容十分抽象，使得學生難以理解，課堂實例無法呈現動態變化的電流方向、無法看到電子信號的傳輸過程以及傳感器波形變化的特點。即便在實踐環節，由于傳感器內部的電子電路集成在一起，具有不可拆卸性，學生很難看到其內部的構造。而且，在實際的檢測中，也無法在汽車上真實地模擬傳感器線路短路等危險的故障情況。這一系列的問題，導致學生不能很直觀地認識所學傳感器，也就無法理解傳感器的工作原理，而檢測傳感器也僅僅停留在硬性的記憶層面上。

（二）實踐教學條件比較緊張

在目前的理實一體化教學模式下，汽車傳感器的實踐教學依然會受到經費緊張、師資不足、設備昂貴和場地有限等客觀條件的限制。因此，如何解決好實訓設備與學生數量不匹配、最大限度地降低對教學設備的損壞程度等問題，需要教師尋找新的教學模式來解決。如果能夠在學生實際動手前將虛擬仿真技術引入汽車傳感器課程的實踐教學中，可以讓學生在虛擬平臺上反復地進行傳感器的檢測實驗，不僅能夠幫助學生理解傳感器的測試原理，還能實現降低教學成本的目的。

（三）危險系數高的檢測無法模擬

有關資料顯示，50%以上的汽車電子控制系統故障都與傳感器、ECU和執行器相關的線路斷路、短路有關。特別是線路短路情況，由于電路里的電流很大，很容易出現導線過熱而使汽車電控系統無法正常工作的現象，嚴重時甚至會發生汽車自燃現象。顯然，像短路這樣危險系數較高的檢測，如果操作不當，會對學生和汽車造成損傷。而虛擬教學可以為汽車傳感器的檢測提供安全的教學方法，同時讓學生能夠以直觀的方式認識到因錯誤檢測而導致的不良結果，提醒學生在進行實車檢測的時候注意操作方法是否得當。

二、虛擬仿真軟件的選用

（一）虛擬仿真技術內涵

虛擬仿真技術是基于傳感器、人機交互、計算機仿真于一體的綜合性技術，通過電腦模擬產生逼真的虛擬環境，讓使用者依靠必要的設備和虛擬環境里的對象進行人機交互，從而使其產生置身于虛擬世界的體驗。這種技術的特性表現為交互性、沉浸性和構想性。

虛擬仿真技術已經在軍事、機械制造、航空航天、教育等多個領域被廣泛地應用，為不同行業的發展提供了非常實用的解決方案。尤其是在教育方面，對于抽象的概念、檢測過程等教學內容，可以借助虛擬仿真技術以更直觀的方式展現出來，有助于引導學生主動探索知識;同時，還可以模擬汽車企業工作環境，讓學生身臨其境地感受真實的實踐氛圍，這為突破高職院校汽車傳感器等專業課程的教學難點提供了有力的技術支撐。

（二）汽車虛擬仿真軟件簡介

在汽車傳感器的教學過程中，能夠利用汽車虛擬仿真軟件建立傳感器虛擬檢測平臺，并應用于傳感器的教學實踐。汽車虛擬仿真軟件主要是由景格公司與上海大學共同研制的一款用于汽車故障診斷、汽車維護、汽車檢測的專業仿真軟件，囊括了豐富的汽車資源，同時還提供了常用的各種虛擬檢測儀器，比如萬用表、示波器、專用診斷儀和燃油壓力表等，能夠用來進行仿真和檢測各種汽車傳感器電路，對傳感器及其控制電路組成的發動機電控系統進行故障設置、故障模擬與故障排除。

依托虛擬仿真實訓室，能夠讓學生很直觀地看到汽車傳感器的電子信號傳遞過程和內部結構，進而加深對原理性知識的理解。同時，學生可以通過仿真軟件來對傳感器的各種電壓和波形進行反復檢測，以驗證理論知識的合理性，并根據軟件的錯誤提示功能，及時調整自己的檢測方案，為后續在實車上檢測做好充分的技術準備。以虛擬軟件為平臺的傳感器仿真教學，不僅有益于學生創新實踐能力的培養，而且不會產生電子元器件的大量損耗，有效地提高了教學效率。

三、空氣流量計的檢測教學實例

（一）測量原理

為了獲得各種工況下最佳濃度的混合氣，空氣流量計肩負著采集進入到發動機氣缸的空氣質量數據的重要任務，根據空燃比的公式，電控單元計算對應工況下的基本噴油量。一旦空氣流量計失效，便會產生怠速不穩、容易熄火、冒黑煙、行駛無力等故障表現。那么，該如何準確地鎖定空氣流量計的故障呢？需要進行正確的檢測，而檢測的前提是理解空氣流量計的測量原理，如圖1所示。

這種傳感器的理論基礎是熱平衡原理，利用熱線電阻與流過的空氣之間進行熱傳遞來測量進氣質量。將熱線電阻RH放置在進氣通道里，當空氣流經傳感器時，由于熱線的熱量被帶走，溫度降低，根據正溫度系數的變化特點，對應的電阻值變小，惠斯頓電橋開始失去平衡。這個時候，熱線中的電流會通過集成運放控制功率晶體管的導通時間來實現自動增加，從而讓熱線達到之前的電阻值和溫度，直至惠斯頓電橋達到平衡狀態。那么，如何實現“空氣質量”非電信號轉變為能夠被ECU識別的電壓信號？信號電壓和空氣質量有怎樣的關系？空氣流量計采集到的電子信號長什么樣子呢？這些問題讓學生們很難理解，但恰恰又是原理的關鍵所在。如何將復雜的理論形象化地呈現出來，下一步教師可以考慮利用仿真軟件來突破類似的教學難點。

（二）虛擬仿真

為了有效地突破難點內容，把虛擬仿真融入實際的教學中，可以幫助學生真正地理解空氣流量計的檢測原理。如圖2所示，為風扇模擬空氣流速的過程。通過由右向左移動風扇的位置，來仿真流過傳感器的空氣質量。那么，空氣質量如何影響信號電壓的變化呢？信號電壓的波形是怎樣的？

信號電壓的波形如圖3所示，該波形的產生，是和風扇移動的位置（空氣質量）同步動態變化的。通過仿真模擬，學生能夠清楚地看到電子信號的模樣，然后再進一步讓學生去理解空氣流量計的測量電路，包括惠斯頓電橋電路、反饋控制電路和信號輸出電路等。充分利用虛擬仿真的演示優勢，可以將看不見摸不著的傳感器信號形象立體地予以呈現，讓學生對抽象的原理一目了然，這樣一來，學生的積極性就會被調動起來，起到立竿見影的學習效果。

四、結語

針對汽車傳感器教學面臨的抽象教學內容難以解釋、實踐教學條件比較緊張和危險系數高的檢測無法模擬的現實問題，本文以汽車傳感器中常見的空氣流量計的檢測為實例，以景格虛擬軟件為平臺，探討了虛擬仿真技術在汽車電子技術專業課程中的具體應用。

研究表明，虛擬仿真技術應用于汽車傳感器教學中，符合汽車傳感器課程的特點，創新了理虛實一體化教學模式。借助虛擬仿真技術可以將傳感器產生的電子信號以直觀的方式呈現出來，使得抽象難懂的原理變得形象生動，從而調動學生的各種感官主動地去學習新技術，增強學生對原理的感性認識，有效地突破了教學難點。同時，仿真實踐活動有效地提升了學生的汽車電子技術檢測能力，讓學生形成了一定的創新想法，為高職學生今后從事汽車電子技術診斷工作打下了扎實的專業基礎。