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        基于虛擬仿真技術(shù)的汽車(chē)電子實(shí)踐教學(xué)研究

        2021-12-06 10:13:56陳銘
        魅力中國(guó) 2021年49期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)力性仿真技術(shù)利用

        陳銘

        (吉林工程技術(shù)師范學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

        隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展,汽車(chē)電子技術(shù)也在不斷地更新,對(duì)高校培養(yǎng)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)人才方面也提出了更高的要求。高職學(xué)校主要是培養(yǎng)實(shí)踐型的應(yīng)用人才,對(duì)學(xué)生們的動(dòng)手能力要求很高,就汽車(chē)電子專(zhuān)業(yè)而言,還要求學(xué)生具有創(chuàng)新性。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力時(shí),由于汽車(chē)電子帶有一定理論性和抽象性,常常達(dá)不到理想的教學(xué)效果。充分發(fā)揮虛擬電子技術(shù)的作用,能夠?yàn)閷W(xué)生們的學(xué)習(xí)降低難度,同時(shí)還能為實(shí)踐教學(xué)效果提供保障。

        一、虛擬仿真技術(shù)

        (一)虛擬仿真技術(shù)的內(nèi)涵

        虛擬仿真技術(shù),又名“模擬技術(shù)”。這項(xiàng)技術(shù),為人類(lèi)認(rèn)識(shí)了解客觀世界、探索客觀世界規(guī)律提供了有力的技術(shù)支撐。虛擬仿真技術(shù)利用了相似的工作原理,針對(duì)研究對(duì)象建立虛擬模型。人們可以利用仿真虛擬模型間接地對(duì)原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。虛擬仿真技術(shù)具有交互體驗(yàn)性、沉浸感受性、真切性以及虛幻性等特性。在虛擬仿真技術(shù)建立的體驗(yàn)系統(tǒng)中,人的多種感官都獲得了沉浸式體驗(yàn),人們?cè)谔摂M場(chǎng)景中具有身臨其境的感覺(jué),能夠?qū)崿F(xiàn)人與環(huán)境之間交互作用。

        (二)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

        仿真技術(shù)發(fā)展至今,共經(jīng)歷了四個(gè)階段:物理仿真階段,模擬仿真階段,數(shù)字仿真階段以及虛擬仿真階段。在物理仿真時(shí)期,也就是20 世紀(jì)20 年代到20 世紀(jì)30年代,仿真技術(shù)主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域的研究與實(shí)踐中。比如美國(guó)陸軍與海軍航空隊(duì)在1930 年左右,利用物理仿真技術(shù)設(shè)計(jì)了林克儀表模擬飛行器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與演練。20世紀(jì)40年代到20世紀(jì)50年代,發(fā)展到模擬仿真時(shí)期。利用仿真技術(shù)建立數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器與電容器、電阻器件等組織構(gòu)件之間的有效連接,形成仿真電路。20 世紀(jì)60 年代至20 世紀(jì)80 年代,進(jìn)入了數(shù)字仿真模擬階段,這一階段也實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)的飛躍發(fā)展。數(shù)字仿真模擬技術(shù)率先在航天事業(yè)發(fā)展中得到利用。從上世紀(jì)80 年代至今,人類(lèi)進(jìn)入到虛擬仿真技術(shù)時(shí)代。虛擬仿真技術(shù)在各行各業(yè)的發(fā)展中得到了充分利用。在道路橋梁、場(chǎng)館仿真、旅游教學(xué)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防等等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要價(jià)值作用。

        舉例來(lái)講:在突發(fā)災(zāi)害的緊急預(yù)案方面,仿真模擬技術(shù)也發(fā)揮著重要價(jià)值。通過(guò)虛擬技術(shù)設(shè)置虛擬仿真災(zāi)害演練系統(tǒng),在系統(tǒng)中對(duì)于受災(zāi)人員情況,各種災(zāi)害發(fā)生的等級(jí)指數(shù)等等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)設(shè),然后模擬災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程,并對(duì)受災(zāi)人群可能發(fā)生的幾種情況做出預(yù)設(shè)。接著,通過(guò)模擬演練平臺(tái),設(shè)定不同的緊急救災(zāi)方案,探索最安全快速的應(yīng)急救援措施。應(yīng)急仿真演練系統(tǒng)能夠讓指揮人員、災(zāi)害事故處置人員發(fā)現(xiàn)一些在事故處理中可能存在的問(wèn)題,并且做出科學(xué)化的決策部署和應(yīng)急方案設(shè)定,提高了應(yīng)急能力,很大程度上保護(hù)了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

        二、虛擬仿真技術(shù)與汽車(chē)電子教學(xué)

        通過(guò)前文的舉例,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)為人們的生產(chǎn)生活提供了諸多便捷。在教育教學(xué)實(shí)踐研究中,虛擬仿真技術(shù)也能夠發(fā)揮一定的價(jià)值作用。通過(guò)汽車(chē)模擬仿真軟件,可以按照汽車(chē)各部分構(gòu)成零件的比例標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立體化模型構(gòu)建。利用模型透視功能,能夠清晰地為學(xué)生們展示汽車(chē)內(nèi)部構(gòu)造和汽車(chē)各組成系統(tǒng)的工作原理;另外,虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建出來(lái)的三維模型可以進(jìn)行無(wú)限地放大化,也可以全方位的旋轉(zhuǎn)模型和調(diào)節(jié)角度,能夠讓學(xué)生們從多個(gè)視角對(duì)汽車(chē)構(gòu)造和汽車(chē)各零件進(jìn)行全面了解學(xué)習(xí)。

        虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)電子實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用,能為學(xué)生營(yíng)造一種貼近真實(shí)的體驗(yàn)氛圍,能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感官。將抽象化的知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為直觀式形象化的體驗(yàn),有效激發(fā)了學(xué)生們的興趣。這種直觀化的科技教學(xué)手段,讓教師不必再進(jìn)行過(guò)多的口授教學(xué),使整個(gè)課堂時(shí)間能夠高效運(yùn)用起來(lái)。

        三、虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)電子實(shí)踐教學(xué)上的應(yīng)用

        (一)在汽車(chē)動(dòng)力性探究上應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)

        在傳統(tǒng)汽車(chē)電子教學(xué)課堂中,對(duì)于汽車(chē)動(dòng)力性探究的學(xué)習(xí)主要是通過(guò)這樣的方式:教師按照課程教材中所提供的某個(gè)車(chē)型的數(shù)據(jù),引導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行汽車(chē)的阻力以及驅(qū)動(dòng)力的分析,從而,得出驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力的平衡圖。利用相關(guān)公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算,繪制汽車(chē)爬坡度圖像以及汽車(chē)行駛加速度曲線圖。根據(jù)曲線以及數(shù)據(jù)分析,得到汽車(chē)動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生們僅僅是學(xué)習(xí)了計(jì)算知識(shí),沒(méi)有對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性進(jìn)行真正探究實(shí)踐。利用汽車(chē)虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué),能夠?yàn)閷W(xué)生提供探究機(jī)會(huì),讓學(xué)生能夠?qū)⒅R(shí)融會(huì)貫通。AVL cruise 軟件可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)動(dòng)力性、排放性能以及燃油經(jīng)濟(jì)性的模擬仿真操作。利用AVL cruise 將車(chē)型參數(shù)錄入,模擬汽車(chē)加速的過(guò)程,一些相關(guān)數(shù)據(jù)以及曲線圖隨即生成。學(xué)生們通過(guò)模擬軟件展示出的汽車(chē)加速度仿真過(guò)程,能夠清晰地看到汽車(chē)仿真過(guò)程的三大動(dòng)力性指標(biāo)變化的規(guī)律,從而對(duì)于汽車(chē)的動(dòng)力性概念產(chǎn)生更加深入的理解。另外,在得到數(shù)據(jù)之后,可以指導(dǎo)學(xué)生們進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)操作,通過(guò)更改一部分的汽車(chē)參數(shù)指標(biāo),重新模擬汽車(chē)加速度過(guò)程,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。通過(guò)親身實(shí)驗(yàn)以及直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比,學(xué)生們了解到了車(chē)輛不同參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)于汽車(chē)動(dòng)力性產(chǎn)生的影響。利用汽車(chē)虛擬仿真軟件進(jìn)行課堂教學(xué)學(xué)習(xí),能夠打破傳統(tǒng)的教學(xué)方式的刻板性,帶來(lái)更加直觀清晰的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

        (二)利用仿真模擬技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型

        汽車(chē)電子教學(xué)應(yīng)該注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng),利用虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué),讓學(xué)生學(xué)習(xí)利用軟件建立模型,深入學(xué)習(xí)汽車(chē)電子控制技術(shù)。Saber 仿真軟件出自美國(guó)的Synopsys 公司,這一仿真模擬軟件對(duì)于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有很大應(yīng)用價(jià)值。利用Saber 軟件進(jìn)行汽車(chē)電子教學(xué)建立數(shù)學(xué)模型有利于培養(yǎng)汽車(chē)電子專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在汽車(chē)電子控制技術(shù)方面的學(xué)習(xí)掌握。利用Saber 建立數(shù)學(xué)模型之前,先對(duì)汽車(chē)的零件構(gòu)成進(jìn)行一個(gè)抽象化處理,然后通過(guò)抽象數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)于物理器件、大型電路的建模能夠讓同學(xué)們充分了解電路詳細(xì)特征,從而為下一步的學(xué)習(xí)做好預(yù)備工作。零部件數(shù)學(xué)模型質(zhì)量,直接關(guān)系到了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用數(shù)學(xué)模型建立各種參數(shù)值,來(lái)模擬零部件的功能。同時(shí),也要帶領(lǐng)學(xué)生們通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不斷實(shí)踐與完善。

        (三)虛擬仿真技術(shù)在汽車(chē)傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

        利用汽車(chē)模擬仿真軟件應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中,能為學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作之間建立一個(gè)橋梁,實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從課程知識(shí)到實(shí)踐應(yīng)用的過(guò)渡。在汽車(chē)傳感器教學(xué)中,可以以汽車(chē)仿真虛擬軟件為平臺(tái),進(jìn)行教學(xué)。利用“氧傳感器”來(lái)舉例說(shuō)明。氧傳感器屬于汽車(chē)上的重要配置部分。氧傳感器以陶瓷敏感元件來(lái)對(duì)汽車(chē)的排氣管道氧電勢(shì)進(jìn)行測(cè)試,按照化學(xué)平衡原理計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的氧濃度數(shù)據(jù),對(duì)汽車(chē)的燃燒空燃比進(jìn)行了有效監(jiān)控,從而保證尾氣排放合乎標(biāo)準(zhǔn),保證汽車(chē)產(chǎn)品的質(zhì)量。對(duì)于氧傳感器的檢測(cè),應(yīng)該先了解氧傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以此為前提。學(xué)生們需要透徹了解空燃比、信號(hào)電壓以及混合器濃度三者之間的關(guān)系。但是,氧傳感器傳送給EDU 的信號(hào)是抽象的,無(wú)法通過(guò)肉眼直觀看到卻又真實(shí)存在的。為了在實(shí)際教學(xué)中讓學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的內(nèi)容更加深刻化理解,教育者可以在教學(xué)中設(shè)計(jì)虛擬仿真技術(shù)模擬演示環(huán)節(jié)。利用虛擬仿真技術(shù)軟件模擬出氧傳感器的結(jié)構(gòu),直觀展示出電路與輸出信號(hào)的曲線,直觀化地呈現(xiàn)出氧傳感器的工作原理。通過(guò)這種形式,打破了傳統(tǒng)教學(xué)的限制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于教學(xué)難點(diǎn)的突破,學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣也得到了充分激發(fā)。

        (四)對(duì)汽車(chē)供電系統(tǒng)原理的仿真模擬

        利用模擬仿真技術(shù),對(duì)于汽車(chē)供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,能夠激發(fā)學(xué)生們對(duì)于汽車(chē)供電原理學(xué)習(xí)的興趣,并且能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生們的鉆研精神,讓學(xué)生們積極動(dòng)腦思維。比如說(shuō):雙電壓系統(tǒng)中,用電設(shè)備可以分成兩類(lèi):負(fù)載42V 電壓的大功率用電設(shè)備和負(fù)載電壓為14V 的中小功率用電器。家庭照明系統(tǒng),車(chē)輛GPS 定位系統(tǒng)屬于中小功率用電器,其所需電壓較低,用電量少。但是,對(duì)于一些像發(fā)動(dòng)機(jī),電控器這類(lèi)大功率用電設(shè)備來(lái)說(shuō),在運(yùn)行過(guò)程中所需電量和電壓都比較大。雙電壓系統(tǒng)能起到一個(gè)兼容與中和作用,兼顧到了兩個(gè)方面,既能夠滿(mǎn)足中小功率用電器的運(yùn)行,又能滿(mǎn)足大功率的用電設(shè)備的工作電壓需求。通過(guò)虛擬仿真模擬軟件,將14V 和42V的汽車(chē)供電系統(tǒng)進(jìn)行模擬,進(jìn)行參數(shù)分析,帶領(lǐng)學(xué)生們共同學(xué)習(xí)和研究汽車(chē)電壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。14V 的電壓系統(tǒng),對(duì)于波長(zhǎng)方面有嚴(yán)格的要求,對(duì)于峰值電壓以及波形的控制應(yīng)該在合理的范圍之內(nèi)。如果超出允許范圍,干擾的脈沖幅度影響過(guò)大,容易導(dǎo)致丟失信號(hào),甚至于讓整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入到失控的狀態(tài),十分危險(xiǎn)。在42V 電壓的大功率用電器模擬中,學(xué)生們會(huì)直觀觀察到42V 供電曲線的變化情況(如圖1 所示),電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)速而發(fā)生改變。雙電壓系統(tǒng)的電壓,能夠跟隨著轉(zhuǎn)速做出靈敏變化,因此,可以以電壓的峰值為依據(jù),選擇電子電器元件。

        圖1 (雙電壓系統(tǒng)中供電系統(tǒng)變化曲線圖)

        仿真技術(shù)的操控性比較強(qiáng),對(duì)于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要求也很高?;诖?,教師在汽車(chē)供電系統(tǒng)模擬教學(xué)過(guò)程中,為了呈現(xiàn)出更好的課堂效果,應(yīng)該提前做好調(diào)試和測(cè)驗(yàn)工作。教師在反復(fù)實(shí)踐驗(yàn)證后能夠保證教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確性,為學(xué)會(huì)們進(jìn)行汽車(chē)電子技術(shù)的學(xué)習(xí)營(yíng)造良好的氛圍。

        結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,虛擬仿真技術(shù)是21 世紀(jì)應(yīng)用廣泛的信息技術(shù)。對(duì)于高校汽車(chē)電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)而言,虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)實(shí)踐的融合,突破了傳統(tǒng)教學(xué)方式的限制,在極大程度上降低了學(xué)生們的學(xué)習(xí)難度,對(duì)于教學(xué)效果也產(chǎn)生了極大的提升作用。教師應(yīng)該在教學(xué)環(huán)節(jié)中注重新興技術(shù)的引用,改進(jìn)教學(xué)方式,為國(guó)家培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的汽車(chē)行業(yè)人才。

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