基于汽車計算平臺的新能源汽車專業教學模式探究

李步照 袁菁蕓 強愛民

摘 要：遵循職業能力成長規律，設計出在安全電壓下教授新能源汽車理論和技術的遞進式教學模式。在整個教學過程中，教師由教到導，學生由學到做，學生在做中學，教師在做中教。

關鍵詞：汽車計算平臺 新能源汽車 實踐教學模式

課 題：本文系揚州市職業大學2018年校級教改課題（一般課題A類）《新能源汽車能量轉換系統項目化全套教學資源建設》（2018JGA03）、揚州市職業大學校級重點科研項目《純電動汽車電子控制系統關鍵技術研發》（2018GT04）、揚州市職業大學科研創新團隊專項（KYCXTD201904）、揚州市市校合作專項（YZ2019131）研究成果。

隨著汽車產業的快速發展和汽車技術發展的日新月異，“電動化、智能化、網聯化、共享化、平臺化”已成為未來汽車技術的發展方向。由于新能源汽車集中應用了汽車工程、電化學、信息、自動控制、電力電子等技術，所以傳統汽車專業培養出的人才已經不能滿足新能源汽車對復合型專業人才的需求，汽車理論與技術相關的教學與汽車行業發展出現嚴重脫節。汽車相關專業的職業教育要重新開發完整的實訓技術體系以及相應的理論知識體系課程。截至2019年年初，我國共有430所高職院校開設了新能源汽車技術專業或汽車專業（新能源汽車方向），在課程設置、專業教學及實驗室建設方面，都是在摸索中前行。老師怎樣教、教什么，學生怎樣學，各高職院校差異很大。自2016年中央財政資助的新能源汽車實驗室建立以來，筆者經過幾年的學習、摸索和思考，研究出一套實踐教學模式，在此詳述如下，希望能為國內高職院校新能源汽車專業的教學改革提供參考。

一、汽車計算平臺概述

汽車計算平臺就是指以車內網絡通信技術為手段，依靠高性能集成計算技術和高可信軟件技術，基于高性能CPU芯片和嵌入式實時操作系統構建整車的集中計算控制核心（ICCC），通過對汽車分散的計算和控制系統進行優化統籌和集成，實現對汽車計算、控制和通信各個功能模塊的網絡化、一體化控制和管理，最大限度地實現汽車計算、控制等軟硬件資源的實時共享。

汽車計算平臺在汽車管理系統中引進了數字化控制技術，將過去基于電子、電氣技術的單個汽車控制單元提升到了從汽車整體控制出發的、基于數字技術和信息技術的、整車各部分控制互相緊密關聯與協調的計算機網絡系統。

汽車總線技術和汽車網絡技術在汽車上應用已經20多年了，其中應用最多的是CAN網絡，基于CAN網絡標準又延伸出了J1939、ISO CAN、CANopen網絡平臺。CAN的速率、可靠性和低成本在汽車總成動力系統應用最為適宜。高速容錯功能的FlexRay標準是為更高安全等級需求的轉向系統、制動系統和安全氣囊量身定制的。FlexRay作為下一代汽車網絡標準，提供了充足的帶寬、可靠性和實時響應能力，以實現X-by-wire線控應用，向汽車的智能化、網聯化、共享化、平臺化邁出了重要的一步。

二、實踐教學模式的實施方案

教育要遵循學習規律，遵循人的職業成長和職業生涯發展規律。本耐和德萊福斯的研究發現，人的職業成長遵循“從初學者到專家”的邏輯發展規律，其發展過程分為初學者、高級初學者、有能力者、熟練者和專家等五個階段。我們的實踐教學模式也要符合職業成長規律。

（一）初識階段

初識階段針對的是沒有接觸過新能源汽車的初學者。教師做理論講解、示范操作，學生進行模擬測試。

首先，讓初學者有一個感官上的認知，對比說明傳統汽車和新能源汽車結構上的差別。通過引導，讓初學者說出新能源汽車特有的標志。在這個過程中要反復強調維護保養新能源汽車必須有專業資質，新能源汽車存在安全風險，必須嚴格遵守操作規程。

其次，讓學生學習新能源汽車基礎知識。掌握高壓能量管理系統正負極、預充接觸器在上電和下電過程中的先后工作順序及原理，為什么要有預充電路，新能源汽車安全設計;學習、了解、掌握能量轉換原理、能量回收原理、逆變器原理、高壓互鎖原理、汽車總線技術和單片機等基礎性原理。對這些知識，汽車專業學生并不需要深入掌握，只要“懂”就行。比如逆變器的原理，只要明白直流電是如何變為交流電的即可，并不需要知道開關管是如何選型的。目前，國內高職院校新能源汽車專業新能源汽車實驗室急需補充相關實驗設備。有些學校通過VR等虛擬仿真來完成以上部分教學內容，但虛擬仿真畢竟是“虛”的，不能代替實際操作。

經過兩年多的研究，筆者開發了一套專門用于新能源汽車基礎教學的實驗平臺，教師和學生可共同通過實驗平臺完成上述內容的學習。

下面講述學習“高壓安全與防護”知識用的人體模型，如圖1所示。“小人”可以完成以下內容：高電壓車輛操作安全基礎知識;高電壓系統安全要求規范，工作空間的安全保障;高電壓系統的功能和總體介紹;高電壓汽車實際相關故障的影響;測量通電系統過程中的危險評估;通過人體的電流;通過對人體模型的測量探究電壓、電流和電阻、觸電電流;公共配電網絡和輸電網絡。

圖1 人體模型

本實驗平臺模擬通過人體的電流，通過對人體模型的測量探究電壓、電流和電阻、觸電電流，讓學生真實感受到電流對人體的傷害。

通過測試，學生理解采用戴電氣安全手套、鋪設絕緣墊等防護措施的必要性。讓學生測量雙手觸電、測量手和一只腳之間觸電、測量手和雙腳之間觸電、測量手和胸部之間觸電、測量胸部和一只腳之間觸電、測量胸部和雙腳之間觸電，讓學生總結哪種情況觸電對人體傷害最大。實驗把人體觸電變成真實體驗，讓學生體會到“遵守安全操作流程”的重要性。

（二）領會階段

領會階段是借助新能源汽車實驗室常見設備[如：電機驅動系統、電池管理系統（BMS）、新能源汽車儀表系統、充電系統、舒適系統等]，在安全電壓下的真實電動汽車控制模塊臺架上學習。重點掌握各模塊的工作原理、軟硬件結構設計、安裝工藝，PCB板制作工藝等。所有模塊學習結束后，再通過CAN總線把它們連接起來，形成一個實際意義的“概念車”。

這個階段可以和非汽車專業學生融合學習，實現資源高效利用和多元共享，也為下一步智能網汽車、無人駕駛汽車專業建設做準備。教師可以根據學生個性差異分別引導。學生可根據自身學習能力和興趣點在后續教育和職業生涯中進一步提升相關專業知識水平。下面以電機臺架和舒服系統臺架為例說明學習任務的設計。

使用的設備是安全電壓60V的電機驅動系統臺架。要讓學生明白新能源汽車高壓電路（60V）和低壓電路（12V）是如何設計連接的，正接觸器和預充接觸器、負接觸是如何工作的，在此基礎上進一步理解在初識階段涉及的知識，如能量管理系統原理，電機控制器、驅動器，IG模塊如何檢測，各種傳感器和執行器工作原理和檢測方法，所采用的總線通訊協議是什么。

在基于CAN總線的新能源汽車舒適系統臺架上學習車燈控制模塊、門鎖控制模塊、車身控制模塊、防盜模塊的工作原理和檢測方法，了解它們之間的工作信號是如何通過CAN總線傳遞的，以什么樣的報文傳遞的;了解每個模塊ECU的軟硬件是如何搭建的，PCB板是如何設計的;了解各種元器件是如何焊接的。老師學生都可以對程序代碼進行修改優化，從底層理解汽車總線工作原理。

（三）應用階段

應用階段要求學生自主“設計+搭建”一個基于安全電壓下的原型車。原型車主要由組合儀表、能量供給系統、動力系統、舒適系統、車載網絡和底盤組成（見圖2）。

學生要完成電路設計、線束制作、元器件安裝等裝配任務，最后進行整車調試。通過完成這個工作任務，學生可以徹底了解一個電動汽車的制作過程。這一過程可以培養學生從事新能源汽車的安裝、調試、檢測及故障檢修等工作的能力，強化創新意識，提高創新能力，有利于學生更切合實際地規劃自己職業生涯的發展路徑。

（四）創設階段

整體教學內容的設計以原理為核心，以提高學生能力為目標，以適應就業為導向。

學生完成對安全電壓下新能源汽車的學習后，在吉利、比亞迪、北汽等主流品牌新能源汽車上進行實車訓練和汽車總線協議解析，既可以降低安全事故的發生概率，又可以快速熟悉新能源汽車的維護保養。

三、需要思考的問題

（一）師資隊伍建設

教師的素質直接影響到教學效果。上述實踐教學模式的實施，對教師要求較高。應鼓勵機電一體化、電氣自動化等專業的教師組建一個教學團隊，跨專業融合，相互合作，發揮各自的優勢，同時汽車專業的老師也要不斷學習，提高自身專業素養。教師應該從根源入手，引導學生學習，注重對學生實踐操作能力的培養，要突出以學生為主體，培養學生的職業素養，維持好課堂秩序。

（二）實驗室功能多元化

新能源汽車實驗室的建設應緊密圍繞“新能源汽車”和“汽車計算平臺”技術領域，配備先進的設備資源，整合豐富新穎的教學資源，建立研發、實驗實訓、創新和培訓“四位一體”的實訓基地，還要兼顧智能網聯、無人駕駛等可持續發展的規劃。

新能源汽車實驗室應該是一個開放的實驗室、與未來汽車專業融合發展的實驗室。比如搭建的原型車只要增加制動和轉向系統控制就可以升級為無人駕駛汽車。新能源電機驅動臺架，可供機電專業的學生進行電機控制的學習，由機電專業學生示范給汽車專業學生。基于CAN總線的新能源汽車舒適系統臺架，可以和機電專業、電氣自動化專業學生共享，PCB板的制作、元器件的焊接、單片機程序的編寫等都可以作為他們的實驗平臺。

（三）評價體系改革

學生考核要改變以一次考試成績作為考評主要依據的傳統做法，加大操作考核的比重。教師根據學生知識掌握程度、完成給定工作任務情況、實際操作的結果等綜合評價學生。對在學習和應用上有創新的學生應特別給予鼓勵，注重對學生關鍵能力方面的考核。評價不應過分注重學生的最后成績，而是要引導學生注意工作過程的每一個環節，應該加大操作考核的分數比重，注重學生工作能力、工作品質的共同提高，這樣才能保證培養出滿足社會需要的技能型人才。

四、小結

本文所述教學模式是階梯遞進式的，通過基礎原理→仿真臺架→安全電壓下五模塊原型車→實車訓練各階段的遞進式學習，把學生從新手培養成高素質技能型人才。教師從講述示范操作，逐步轉變為操作、檢查監督。學生由觀摩練習、模塊技能訓練，發展到完成一個“原型車”搭建。在整個教學過程中，教師講述越來越少，由教轉化為導;學生訓練越來越多，由學轉化為做。在教學過程中，要強調學生在做中學，教師在做中教。保證學生在學習中提升自我實踐操作能力，在自我動手實踐中學習到新能源汽車專業的相關理論知識。

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