虚拟仿真技术在新能源汽车实训教学中的应用探索

摘 要：为解决新能源汽车实训教学中高风险、难操作等问题，从虚拟仿真技术融入实训教学的优势出发，以“新能源汽车电池及管理系统检修”课程为例，重新优化设计实训内容，增加虚拟仿真环节，并阐述虚拟仿真技术在实训教学中的实施过程。经实践检验，这种教学模式显著提高学生理论知识掌握程度，增强工程实践技能，全面提升综合素质。

关键词：虚拟仿真 实训教学 新能源汽车 动力电池

在信息化技术与教育的融合背景和多项相关政策指导之下，各高职院校汽车类专业将虚拟仿真技术逐渐融入课程教学，为实训教学的开展提供强有力的帮助。虚拟仿真技术的应用能够将原本枯燥难懂的概念通过视觉图像、声音和三维模型转化为直观的表现形式，并赋予这些内容互动的特性，为学生带来更好的沉浸感和数字化内容体验[1]。

以高职院校新能源汽车技术专业中的核心课程——“新能源汽车电池及管理系统检修”为例，对于实训课程中“不可及、不可达、不可逆、不可复现”的环节，可通过虚拟仿真技术的引入进行虚拟场景教学，实现实训“看得见、进得去、能操作、可再现”的目标，探索虚实结合的个性化、多样化、智能化实训方式，解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的问题[2]。

1 传统实训教学存在的弊端

“新能源汽车电池及管理系统检修”课程在传统的实训教学中，单纯地使用新能源汽车电池相关设备完成教学过程，由于场地、设备、安全等因素影响，大量精细化的实训教学环节难以有效实施，主要存在以下几方面弊端。

1.1 更新速度慢，无法及时融入新技术

新能源汽车电池领域的技术进步日新月异，电池管理系统也在不断创新，随着时间推移，院校实训设备由于更新换代速度慢，可能赶不上企业产品的更新，无法及时应用前沿技术。这种情况可能会造成学生在毕业时掌握的知识和技能与企业的实际生产需求存在差距，难以胜任相关岗位。

1.2 实训设备不足，影响学生操作体验

实训室中用于新能源汽车电池实训的设备和材料通常比较昂贵，且材料损耗大，维护新能源汽车电池实训设备的成本较高，这将限制学校在实训资源方面的投入。实训设备数量有限，分配到每个学生操作实践的时间很少，影响学生的实际操作和体验[3]。

1.3 存在安全隐患，增加教师管理难度

新能源汽车电池都是几百伏的高压，拆装和检修过程涉及很大的安全风险。学生没有经过预先演练，直接在实训设备上操作，可能存在安全工作不到位、操作不规范的情况，同时也增加了教师对课堂的管理难度。对于危险性较大的实训项目，不便反复让学生操作，降低了学生的学习效率。

1.4 教学形式单一，难以反映学生水平

现有的“新能源汽车电池及管理系统检修”课程主要通过“教师讲授——教师示范——学生练习”的形式开展实训教学，由于课堂时间有限，对于教师讲授的理论知识和实训过程，学生可能还没有完全理解吸收就机械式地完成任务。在这种教学模式下，学生的独立思考能力、自主学习能力和创新能力都无法得到锻炼，对学生的考核评价也难以真实反映学生水平。

2 虚拟仿真技术与实训教学相融合的优势

针对传统实训教学面临的问题，在“新能源汽车电池及管理系统检修”课程中融入虚拟仿真技术，在虚拟场景中模拟新能源汽车电池及管理系统拆装与检修的实际操作过程，既可以让学生具有真实操作的体验，又解决了在实操过程中造成的设备损耗、能源消耗以及各种安全隐患，相比单纯使用实训设备进行教学优势显著[4]。

2.1 新技术的融入更便捷，实训具有多样性

教师在虚拟仿真软件中可以任意设置设备故障点，训练学生分析和排除故障的技能，学生根据出现的故障现象对虚拟的设备进行模拟维修。在这个实训过程中，学生可以反复演练也不会损耗任何一个设备、零件或工具等。教师可以使用虚拟仿真软件自带的插件自行开发虚拟仿真资源，如建设电池系统新模型并搭建到原有的虚拟仿真场景中，对标企业岗位需求，引入新工艺、新技术。学生可以认知不同类型的新能源汽车电池及管理系统的结构，模拟拆装和检测过程，获得更多的实际经验。

2.2 成本更低，操作安全性更高

虚拟仿真软件的使用只需要每个学生一台计算机即可，降低了实训设备和耗材的成本，并保证了实训教学质量。对于无法在设备上完成的实训，可在虚拟环境中模拟操作，保证零风险；对于需要在设备上操作的实训，可在安全的虚拟环境中反复练习，熟练后再进行实际操作，大大减少了意外事故的风险。

2.3 互动性更强，学生使用时间更灵活

学生通过与虚拟仿真系统的互动，能够更加深入地探究新能源汽车电池及管理系统的结构和工作原理；通过参与虚拟仿真实训，能够主动进行试验和探索，观察实训结果；可以根据需要反复模拟练习，通过系统提供的即时反馈，提升在电池及管理系统拆卸与检修方面的技能；可以在课堂之外，利用虚拟仿真软件随时进行实践，增加学习机会。

2.4 学情掌握更清晰，考核更加具象化

学生每次实训完成后，整个实训过程完整的数据都会上传至系统教师端，虚拟仿真软件具备数据分析功能，教师可以及时跟踪学生的进度和表现，以便提供更有针对性的指导。对学生的考核也将具体至每一个步骤，由平台自动判分，更加能够反映学生的真实水平。

3 应用虚拟仿真技术的实训教学设计

根据汽车行业中的国家标准和实训课程中存在的“三高三难”问题，对“新能源汽车电池及管理系统检修”课程原有实训环节重新优化设计，开发虚拟仿真教学资源，以典型任务为单元，将新能源汽车动力电池及管理系统中不易理解的复杂构造与机理，用高清仿真、动画等形式呈现。

将课程的虚拟仿真实训教学设计为四个典型任务：动力电池组的拆装和检测、单体电池异常的检测和维修、电池管理系统的控制原理和检修、充电系统的仿真和维修，每个任务分为二至四个模块，具体的教学体系如图1所示。对新能源汽车的整车、电池模组、电池管理系统等创建虚拟的新能源汽车及电池系统相关配件，通过三维制作软件创建维修车间、维修工具、检修工具等实操环境，根据课程内容查找维修手册及电路图，以交互方式实现电池及管理系统的拆装、检测与维修。

典型任务一包含三个模块，“动力电池组整体拆装”模块搭建的虚拟场景包括新能源汽车整车、动力电池组、连接线束、电池举升台等，可实现动力电池组从新能源汽车上拆卸和安装的全过程，并对拆装步骤和注意事项进行详细讲解，帮助学生掌握新能源汽车的高压安全操作流程，包括绝缘工具的使用等。“动力电池组内部拆装”模块搭建的虚拟场景包括动力电池模组、电池管理系统、高压控制盒、动力电池箱等，可实现动力电池组内部零部件拆卸和安装的全过程，并以爆炸图和3D动画展示的各部件的结构和工作原理。“动力电池组检测”模块可实现动力电池模组的检测功能，通过用万用表对电池的测量，主要讲解动力电池组的故障维修思路，包括电池模组损坏、电压过低、连接异常等情景的模拟。

典型任务二包含两个模块，“单体电池电压异常检修与更换”模块可实现单体电池电压异常的检修与更换的交互过程，主要讲解单体电池内部断路、电压偏高、电压偏低等故障的检修过程。“单体电池温度异常检修与更换”模块可实现单体电池温度异常的检修与更换的交互过程，主要讲解单体电池在充电时温度过高、放电时温度过高或过低等故障的检修过程。

典型任务三包含四个模块，“电池管理系统认知”模块搭建的虚拟场景包括电池管理控制器、电池信息采集器、连接线束等，以3D动画形式展现电池管理系统工作原理，引入最新的电池管理算法和软件模拟，让学生了解如何通过软件优化来提高电池性能。“动力电池继电器盒检修”模块以3D动画形式展现动力电池各继电器的结构和控制原理，主要讲解动力电池继电器盒故障诊断的逻辑流程和故障排除的步骤，包括高压电系统保险丝损坏、正负极接触器故障、主接触器故障等情景的模拟。“动力电池高压互锁线路检测”模块以3D动画形式展现动力电池高压互锁原理，可在虚拟工作场景中用万用表检测高压互锁线路的完整性，模拟高压互锁线路的多种故障情况，如接触不良、线路老化等，并提供相应的检测工具和方法。 “BMS通信故障检修”模块以3D动画形式展现BMS通信网络的拓扑结构，以及CAN总线协议的工作原理，可实现通信故障设置与检修的交互过程，包括BMC动力网CAN-H线路断路故障、CAN-L线路断路故障等情景的模拟。

典型任务四包含三个模块，“交流和直流充电设备认知”模块搭建的虚拟场景包括新能源汽车充电系统、交流充电桩、直流充电桩等，对交、直流充电设备可进行多角度观察，并详细讲解。“交流和直流充电过程”模块以3D动画形式展现交流充电工作原理和控制过程、直流充电工作原理和控制过程。“交流充电故障检修”模块可实现交流充电故障设置与检修的交互过程，包括OBC电源故障、交流充电确认信号CP线路断路故障、交流充电控制信号CC线路断路故障等情景的模拟。

4 虚拟仿真技术在实训教学中的实施过程

以动力电池组整体拆装实训为例，依据实训目的，结合实训内容，按照“课前导学、课中实施、课后拓展”的流程实施教学过程。

4.1 课前导学

教师在虚拟仿真软件中发布课程相关教学资源，如课件、视频、实训指导书等，提供最新的行业研究报告和案例分析，让学生了解动力电池组的最新技术和行业动态。布置与实训内容相关的预习任务，如利用虚拟仿真软件引导学生虚拟拆装新能源汽车动力电池组[5]。设计开放性问题，激励学生思考在动力电池组拆卸和安装过程中可能遇到的问题及其应对策略。

学生通过观看教学视频和课件等进行自主学习，完成教师布置的任务和思考题。教师利用虚拟仿真软件中的学习分析工具，监测学生的学习进度和互动表现，识别学生的学习难点，以便在课中实施时提供针对性的指导。

4.2 课中实施

4.2.1 理论知识讲授

教师利用课件、图片等形式向学生展示新能源汽车动力电池组在整车上所在位置，介绍动力电池组的结构，组织学生分组讨论拆装步骤和安全注意事项，教师总结并详细讲解。以学生为主体，引导学生独立思考，培养学生积极探索、举一反三的能力。

4.2.2 虚拟仿真演练

教师进入“动力电池拆卸与安装”的演示教学模式，在虚拟场景中为学生演示动力电池组从整车上拆卸和安装的步骤，每一步都有文字和语音提示，需要点击的位置会以蓝色高亮的形式显示出来，如图2所示。

学生进入“动力电池拆卸与安装”的练习测评模式，按照教师讲解的拆装流程，逐步进行操作。在此模式下，计时功能开启，学生只能看到文字提示，无法看到蓝色高亮部位，必须熟悉每个步骤才能完整实现拆装全过程，如图3所示。练习结束后，系统自动给出测评结果，包括操作时间、每个操作步骤得分和总得分。学生可以反复练习，直到熟练为止。

4.2.3 整车实际操作

根据学生虚拟仿真的测评结果，教师可以了解学生对该部分知识的掌握情况，允许测评合格的学生在新能源汽车实车上进行操作，而测评不合格的学生则需继续在虚拟仿真软件中练习。以企业岗位需求为目标，训练学生按照虚拟场景中的模型在实车上对比学习，学生对动力电池组的拆装过程更加熟练，也极大地降低高压操作的风险。

4.3 课后拓展

4.3.1 实训报告与反思

要求学生完成实训报告，不仅要详细描述动力电池组的拆装过程，还要分析拆装过程中的关键点和潜在的改进空间。引导学生反思实训过程中的体验，评估自身的强项与待加强之处，以及如何将所学知识有效地运用于实际工作中[6]。

4.3.2 虚拟仿真软件的开放使用

向学生开放实训室和虚拟仿真软件，使他们能够在课后自主安排时间进行练习，以巩固和深化对动力电池组拆装的理解。在虚拟仿真软件中设置进阶任务，如其他不同车型动力电池组的拆装操作，供有需求的学生实践，以提高学生自主学习的能力和解决复杂问题的能力。

4.3.3 在线讨论的持续进行

设立在线讨论区，让学生分享实训心得、讨论遇到的难题以及解决方案，教师可以在此提供额外的指导和资源。

5 教学效果

“新能源汽车电池及管理系统检修”课程修订2022级新能源汽车技术专业的人才培养方案和课程标准时，在实训教学中融入了虚拟仿真技术，相较于2021级学生，在理论成绩、实操成绩、课程参与度、学生评教方面都有显著提升，如图4所示。

以实带虚，以虚促实，虚实融合[7]，多样化教学资源的灵活运用激发学生学习兴趣，提高课堂参与积极性，锻造实践能力。学生通过理论学习与虚拟仿真实训的融合，不仅深化了对知识的掌握，还能在实际操作中将所学知识付诸实践。这种理实虚一体化的教学方法有助于提高学生的综合技能，使他们能够在新能源汽车行业中发挥重要作用。

6 结语

虚拟仿真技术的应用为“新能源汽车电池及管理系统检修”课程实训教学提供了一种灵活高效、安全经济、教学手段丰富的方法，有效增强学生对课程内容的掌握和理解。本研究对课程原有实训教学内容优化设计，增加虚拟仿真实训环节，设计虚拟仿真实训教学实施全过程，形成“理论认知、虚拟训练、实地顶岗”为一体的具有专业特色的教学实训一体化人才培养路径。经检验，新的实训教学模式培养的学生理论知识掌握更为扎实，工程实践能力显著增强，综合素质得到全面提高。

基金项目：安徽省质量工程岗课赛证综合育人改革项目（项目号：2021gkszgg009）；安徽省职成教学会项目（项目号：Azcj2022081）；安徽

省高校科研重点项目（项目号：2022AH052785）；安徽省高校学科（专业）带头人培育项目（项目号：DTR2023099）；安徽省职业教育创新发展试验区项目（项目号：WJ-ZYPX-100，WJ-ZYPX-101）；安徽省高校自然科学研究重点项目（项目号：KJ2020A1094）；安徽工商职业学院课程思政示范课程项目（项目号：2022KCSZ04）。

参考文献：

[1]张智明，赵治国，张娟楠.汽车液压传动虚拟实验教学平台设计及案例分析[J].汽车实用技术，2023，48（24）：156-163.

[2]李靖，高兵，张开旺.职业院校产教融合实训基地绩效评价体系构建及实证研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2022，35（3）：71-76.

[3]刘桦锐.虚拟仿真技术在新能源汽车专业教学改革中的应用[J].汽车测试报告，2023（15）：137-139.

[4]吴海洋.基于虚拟仿真技术的“节能与新能源汽车技术”实训教学模式改革与实践[J].汽车维修与保养，2023（12）：82-84.

[5]夏长明，陈伙南，蒙劭洋.虚拟仿真技术在新能源汽车类专业教学中的创新应用研究[J].农机使用与维修，2024（01）：145-147.

[6]周晶晶.VR技术在《汽车涂装》教学中的应用研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2023：30-34.

[7]张美林.职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设研究[J].化工管理，2023（14）：18-20.