虛擬仿真和實物操作相結合的電動汽車實踐教學探索

摘 要：隨著我國電動汽車行業的迅速發展，電動汽車行業對相關人才的需求也日益增加，但電動汽車實踐教學存在設備投入大、技術更新快、安全風險高等問題。基于虛擬仿真和實物操作相結合的電動汽車實踐教學模式，通過引入虛擬仿真技術能夠降本增效、提升教學安全性。以旋轉變壓器的實訓教學為例，教師可先借助動畫和模擬軟件教授該元器件的結構及工作原理，再以先虛擬學習后實物操作的方式完成檢測與拆裝過程，貫穿產教融合要求，并以理論聯系實際為思想指引，構建以學習者為中心、以滿足企業需求為培養目標的學習環境，增強學習興趣，實現高效課堂。

關鍵詞：虛擬仿真；實物操作；電動汽車；實踐教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）21-0161-04

隨著我國新能源汽車產業的迅速發展，電動汽車行業對相關人才的需求也日益增加。高素質人才的培養有助于加速技術突破，促進產業升級，為新能源汽車行業的持續健康發展提供堅實的人才支撐和智力保障。為響應國家新能源汽車產業發展需求，高校亟須積極加強相關專業建設，增設電動汽車相關課程，強化實踐教學，提升學生的實際操作能力和工程實踐能力，探究培養具有國際競爭力的電動汽車產業高素質人才的策略。課題組成員針對電動汽車實踐教學和傳統汽車實踐教學的不同，根據汽車服務工程專業教與學的特點，采取分工協作的方式，探索了一條以企業需求為導向、以提升學生的學習力和創造力為根本目的的電動汽車實踐教學新路。

一、實踐教學引入虛擬仿真技術的優勢

實踐教學是除理論教學之外的重要教學活動，包括實驗、實訓、實習、設計等，旨在使學生獲得感性知識，掌握技能技巧，培養解決問題能力。電動汽車實踐教學是通過一定數量的實訓項目讓學生熟悉儀器設備的使用方法，掌握電動汽車結構和工作原理［1］。目前中北大學等山西省內相關院校在電動汽車實踐教學方面多以實物教學為主，虛擬仿真教學的應用較少。

虛擬仿真技術是隨著計算機技術發展和提高生產力要求應運而生的，在教學中采用虛擬仿真技術可以提高教師教學質量和學生學習積極性。虛擬仿真技術又稱計算機仿真或虛擬現實技術，是指運用計算機形成三維動態實景，對系統的結構、功能進行動態的模仿，該技術一開始被運用于國防、軍事領域如武器的研制、設計和制造等，之后漸漸被下放至民用領域，如產品制造、設計等方面。近年來，該技術的應用也拓展到教學方面，如運用虛擬仿真技術開展教學改革、提升人才培養質量等，近年來愈發受到重視。將虛擬仿真技術與新能源汽車相關專業的實踐教學相結合具有以下優勢。

首先，可以較低成本構建真實設備、真實實訓、真實情景難以實現的教學環境。虛擬仿真技術的交互性強、參與性好、易提升學生興趣，在新能源汽車實踐課程里具有較好的教學效果。虛擬仿真技術可以模擬電動汽車組成，以知識單元為切入點，通過顯示、隱藏、半透明、復原、爆炸、組合等形式仿真展示現實系統中難以理解的電池、電機和控制器復雜結構；通過動畫方式演示永磁體轉子、定子繞組接通交流電、產生定子旋轉磁場、轉子磁場受定子旋轉磁場感應而跟著旋轉等工作過程；虛擬拆裝和檢測模塊可以利用系統提供的工具、儀表按照提示操作步驟訓練學生。電動汽車相關設備的前期投入往往較大，加之技術更新較快，實訓設備需隨著產業的發展而更新，都將產生較大的經費開支，對于一般院校來說有巨大的經費壓力［2-4］，而引入虛擬仿真技術可以減少電動汽車實踐教學的前期投資，并且升級換代的方式較為簡便。

其次，可以提升實訓的安全性。電動汽車涉及高壓電，讓沒有實踐經驗的學生直接操作實物有一定的安全風險，且容易損壞儀器增加教學成本。而采用虛擬仿真技術，就可使用虛擬的檢測界面提供的測試儀器（如電壓表、電流表、示波器等）開展高壓電氣系統的教學，通過虛擬仿真技術讓學生測量相關數據、開展拆裝仿真訓練等，降低安全風險。

最后，提供了極大的學習便利性和靈活性。它打破了傳統實訓教育的地理和時間限制。學生可以根據自己的時間安排申請虛擬仿真實訓課程，以滿足不同學生的學習需求，緩解了實踐教學資源緊張的現狀。同時，學生能根據自己的進度和能力進行學習，自主選擇學習路徑和資源，從而實現因材施教。這樣的教學方式能擺脫課程的時空限制，并較大程度地發揮學生學習積極性和主動性［5］。學生在完成學習后進入考核環節，考核系統能根據學生操作的正確率算出成績，客觀評價實訓效果。

但同時，也不能忽視實物操作教學在電動汽車實踐教學中的作用，如實物操作和將來工作現場環境具有類似之處，能有效反映出實際情況中碰到的問題等。因此，在實踐教學中將虛擬仿真技術和實物操作結合，可將諸多優點結合起來，避免單一教學模式的不足，具有很高的應用價值。

二、電動汽車實踐教學的具體實踐

電動汽車主要包括動力電機及控制器、電池系統、整車控制器、空調等子系統。旋轉變壓器作為動力電機的重要部件，也是實際維修時較常遇到的故障元器件，通過教學讓學生掌握其結構原理和排除故障的方法非常重要。以下，以旋轉變壓器檢測和拆裝為實訓案例，闡述該模式的應用實踐。

（一）引導學生認識旋轉變壓器基本工作原理

旋轉變壓器由定子、轉子兩部分構成，定子包括勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組。定子安裝在驅動電機后蓋上，轉子有4個凸起，安裝在電機轉子上隨其共同轉動（如圖1所示）。

電動汽車電機轉子磁極位置一般由旋轉變壓器來測定，并根據測定值為電機控制器內的逆變器（IGBT模塊）提供正確的換向信息。電機工作時，旋轉變壓器定子繞組上的勵磁繞組產生頻率為10 kHz，幅值為7.5 V的基準波形作為輸出信號，當電機轉子與旋轉變壓器轉子共同轉動時，旋轉變壓器轉子轉過定子線圈，改變了定子線圈與轉子之間的磁通，使得正弦繞組和余弦繞組受勵磁繞組感應，信號幅值產生一定變化，呈正弦和余弦波形。波形的幅值和相位因與電機轉子同轉的旋轉變壓器轉子的變化而變化，控制系統由此可以判斷出電機轉子的位置、轉速和旋轉方向。教師通過虛實結合的方式引導學生認識該元器件的基本構造及工作原理。

首先，在授課初始階段，教師借助動畫和模擬軟件展示其內部結構的運轉和電磁信號的轉換過程。制作的動畫或者選擇的教學素材應能清晰呈現定子上的繞組分布、轉子的形狀和磁極排列。要注意動畫是否突出定子和轉子之間的相對旋轉運動，以及隨之產生的磁場變化和電磁感應過程，是否通過不同顏色和線條來區分電流的流向和磁場的方向，讓學生一目了然。還可以設置互動環節，運用專業的電路模擬軟件，如Multisim或LTspice。在軟件中搭建旋轉變壓器的模型，讓學生能夠自由調整輸入參數，如旋轉速度、輸入電壓等。同時，在示波器上實時觀察輸出信號的波形變化，例如正弦波的幅度、頻率和相位的改變。通過這種互動操作，學生可以更直觀地理解旋轉變壓器的特性和性能指標。

其次，教師通過實物展示和實際操作的方式，帶領學生認識該元器件。準備一個具有代表性的旋轉變壓器，在拆解過程中，詳細介紹每個部件的名稱、材料和制造工藝。例如，定子的鐵芯通常采用硅鋼片疊壓而成，講解硅鋼片的特性和疊壓的目的；轉子上的永磁體或勵磁繞組，介紹其材料的選擇和磁場強度的影響因素。可讓學生上手觸摸并觀察部件的表面粗糙度、形狀精度等，感受制造工藝的精細程度。同時，對比不同質量或損壞程度的部件，讓學生了解質量對性能的影響。學生可以通過手動旋轉驅動電機帶動旋轉變壓器的轉子，在示波器上觀察輸出信號的變化。還可以改變輸入電源的電壓和頻率，觀察對輸出信號的影響。

（二）電機旋轉變壓器虛擬檢測和虛擬拆裝

本文采用的這款三維虛擬仿真教學軟件以吉利帝豪EV450電機為模型，虛擬軟件的硬件配置CPU：Intel Core i5同等或更高配置；RAM：4 GB或以上；操作系統：Windows 7 SP1、Windows 8.1、Windows 10 或更高版本，軟件提供工具、儀器、零件柜等選項可以實現拆裝，電阻測量等功能［6-7］。利用虛擬仿真軟件可以實現虛擬旋轉變壓器參數測量和拆裝等功能，因此可通過測量得到的數據判斷元件是否出現短路、斷路和搭鐵等異常情況，讓學生通過虛擬拆裝，對旋轉變壓器的結構和原理有進一步了解，為后續相關知識學習打下基礎。

引導學生利用軟件提供的萬用表測量旋轉變壓器正弦、余弦和勵磁繞組的阻值。如本次實例中，將萬用表撥到歐姆檔，測得勵磁繞組的阻值8.7 Ω，電阻值正常（標準值9.5±1.5 Ω），另外還可以檢測定子繞組和殼體間的絕緣性、每相繞組的電阻值從而判斷繞組是否正常［如圖2（a）所示］；利用軟件提供的工具如改錐、扳手等，先拆下插接器然后依次拆下溫度傳感器插針、接線盒端蓋、三相線接頭，拆卸電機后端蓋后即可拆卸旋轉變壓器［如圖2（b）所示］。安裝順序與拆卸順序相反，大致為先將旋轉變壓器定子部分安裝進電機后端蓋，之后安裝電機端蓋、三相線接頭、接線盒端蓋、溫度傳感器插針、插接器等即可完成安裝，通過虛擬軟件提供的示波器觀察勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的波形是否正常從而判斷其是否正確安裝。

教學完成，如時間富余教師還可以引申介紹一些熱門的新能源汽車品牌的旋轉變壓器，并分析其如何實現精確的電機轉速和位置檢測，從而優化電機的控制策略，提高動力性能和能源利用效率。還可以對比不同類型新能源汽車，如純電動汽車和混合動力汽車中旋轉變壓器的應用差異。例如，純電動汽車可能對旋轉變壓器的精度和響應速度要求更高，而混合動力汽車則需要考慮在不同工作模式下旋轉變壓器的性能表現。以此引導學生思考旋轉變壓器在未來新能源汽車發展中的趨勢，如更高的集成度、更小的尺寸、更先進的材料和制造工藝等。同時，探討可能出現的新技術和替代品，如基于磁阻效應或霍爾效應的傳感器，激發學生的技術創新思考，激勵學生向新的方向發起挑戰。

（三）電機旋轉變壓器實物檢測和拆裝

通過對旋轉變壓器虛擬檢測和拆裝，學生對其結構和工作原理有了較深認識，接下來通過實物操作讓學生進一步鞏固旋轉變壓器檢測和拆裝相關知識，加深對電機旋轉變壓器的認識。

電機旋轉變壓器實物檢測和拆裝過程如下：學生用萬用表測量電機臺架上旋轉變壓器插座端子可以測得其正弦繞組、余弦繞組和勵磁繞組電阻值，如圖3（a）測得勵磁繞組阻值為9.6 Ω（標準值9.5±1.5 Ω），說明繞組正常；按照旋轉變壓器拆卸的步驟可以取下旋轉變壓器實物如圖3（b）所示，按與拆卸相反的順序將其裝上電機，利用示波器可以觀察勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組的波形是否正常從而判斷其是否裝好。該過程可組織小組實驗，每個小組分配不同的任務，如測量旋轉變壓器在不同轉速下的輸出精度、分辨率和線性度等性能參數。小組成員需要分派不同合作任務，如進行數據采集、記錄和分析等教學實踐任務。實驗結束后，各小組進行匯報和交流，共同探討實驗結果和發現的問題。

上述電動汽車的實踐教學完成了虛擬仿真部分與實物操作部分相結合的教學過程，其中將虛擬仿真與知識點緊密結合的設計，能夠鍛煉學生對實訓的熟悉程度，然后進入考核環節，檢測掌握程度。實物操作部分是在教師的講解下進行實訓，培養學生的邏輯思維能力的同時鍛煉學生的動手能力并在熟練的基礎上完成考核。考核內容包括儀器的正確使用、操作步驟等。課程結束，學生通過撰寫實訓報告總結課題，報告內容可以包括實訓目的、實訓儀器設備、實訓要求和實訓步驟等。其目的是讓學生對專業知識有更深刻的認識，鍛煉學生的書面表達能力，更好地理解電動汽車比燃油汽車節能環保的原理。從實物的拆裝具體情況來看，學生在進行虛擬仿真操作后，能對旋轉變壓器參數測量、拆裝步驟具有較高的熟練度，能為實物操作打下良好基礎，進而在實物操作環節更為嫻熟，鞏固操作技能，適應現場的工作環境。

綜上所述，在電動汽車實踐教學中將虛擬仿真和實物操作相結合，貫穿產教融合要求并引入案例教學法，以理論聯系實際為思想指引，構建以學習者為中心、以滿足企業需求為培養目標的學習環境，既有利于提高教學效果、提升學生學習興趣，又能讓教師在實踐中發現新問題，提高解決實際問題的能力，改進教學方式，提升教學水平。教學團隊認為虛擬仿真和實物操作相結合的模式與電動汽車實踐教學較為適配，在新能源汽車產品蓬勃發展、數字技術與教育相融合的大背景下，高校應加大該方面的研究力度，以實現高效課堂，提升新能源汽車專業人才綜合素質，為行業輸送更優秀的人才。

參考文獻

［1］魏一凡，韓雪冰，盧蘭光，等.面向碳中和的新能源汽車與車網互動技術展望［J］.汽車工程，2022，44（4）：449-464.

［2］李未，滕菲，李慶華.虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用［J］.長春大學學報，2018，26（13）：189-193.

［3］張營，江城城，孔令建.職業本科教育背景下的課內實踐課程開發：以電動汽車技術為例［J］.農機使用與維修，2021（12）：140-150.

［4］孫會來，梁雨田，楊輝，等.科教融合背景下的汽車類專業實驗體系構建：以齊魯工業大學（山東省科學院）為例［J］.大學教育，2020（1）：64-67.

［5］于文東.虛擬現實技術在汽車構造實驗教學中的應用分析［J］.汽車教育，2019（14）：231-232.

［6］石瑩，李波，剛憲約.基于虛擬仿真技術的汽車構造教學研究［J］，2019，11（93）：140-142.

［7］張廣玲，劉樹峰，呂釗欽，李玉道.汽車發動機拆裝實訓教學新模式探索與實踐［J］.2021，3（24）：144-147.

［8］袁敏，王振玉，楊斌，等.基于虛擬現實技術的新能源汽車實踐教學研究［J］.教育現代化，2019，6（55）：275-276.

［9］胡雪芳，曹愛霞，謝建新.應用型本科新能源汽車實踐教學體系平臺建設［J］.汽車實用技術，2022，47（10）：138-142.

［10］孫龍，馬藝丹，常若松.自評的駕駛能力與危險類型對年輕新手危險知覺的影響［J］.交通運輸系統工程與信息，2019，19（1）：228-232.

注：本文系山西省教育科學“十四五”規劃課題（GH-21472）的研究成果之一。

（責編 羅異豐）