謝 威， 郭青鵬， 鄭春滿， 李宇杰， 劉雙科， 陳宇方

（國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073）

0 引言

鋰電池以其高比能、高比功率等優(yōu)點，已成為微小型無人機的首選電源［1-2］。由于微小型無人機體積小、質(zhì)量輕，所帶電源電量有限，制約了其飛行時間和使用效能。將鋰電池異形化，與機身共形，可實現(xiàn)承力與供電一體化，達到無人機進一步減重、節(jié)約空間、提升續(xù)航能力的目的［3-4］。

為培養(yǎng)材料、新能源材料與器件等專業(yè)高素質(zhì)新型軍事人才和專業(yè)人才的創(chuàng)新實踐能力，堅持“學(xué)生中心、應(yīng)用導(dǎo)向、問題牽引、能力培養(yǎng)”的實驗教學(xué)理念，結(jié)合《新能源及能源材料》《能源材料與器件》等課程教學(xué)，以鋰電池為對象，開設(shè)異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗課程。該實驗課程在實際教學(xué)過程中存在著一些不足：①儀器種類繁多，專用設(shè)備價格昂貴；②實驗過程步驟多、周期長；③實驗過程存在一定的安全風(fēng)險。

實驗虛擬仿真以3D MAX、Maya、Unity 3D、Vega等為開發(fā)工具和平臺，采用三維立體仿真、動畫以及虛擬現(xiàn)實操作等多種手段對實驗進行再現(xiàn)或模擬，由學(xué)生進行操作練習(xí)的一種實驗方式［5-6］。其優(yōu)勢在于智能化、可視化，可應(yīng)用于條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高成本、高危險或極端環(huán)境、高消耗/高毒性、大型或者綜合性的實驗［7-9］。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，虛擬仿真實驗既拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，又延伸了實驗教學(xué)的時間和空間，有利于實驗教學(xué)質(zhì)量水平的提高，在科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研合作等方面具有不可替代的作用［10-12］。

為解決異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗教學(xué)過程中存在的不足，針對《新能源及能源材料》《能源材料與器件》等課程的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”。通過對線下異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗教學(xué)進行虛擬仿真建設(shè)，不僅可將理論教學(xué)、基礎(chǔ)實驗和工程應(yīng)用有機結(jié)合，而且可縮小理論教學(xué)與實際教學(xué)之間的差距，讓學(xué)生對所學(xué)的知識要素有更深刻的認識和理解，有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力［13-14］。

1 實驗虛擬仿真設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

實驗虛擬仿真以異形鋰電池在無人機上的應(yīng)用為背景，按照“虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，將學(xué)術(shù)研究和科研成果拓展轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，開發(fā)出“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”。實驗?zāi)康娜缦拢?/p>

（1）知識獲取。了解鋰離子電池的組成和原理，掌握異形鋰電池“疊層-熱壓-造孔”成型工藝和絕熱加速量熱儀的工作原理。

（2）能力培養(yǎng)。掌握異形鋰電池設(shè)計過程、成型工藝和熱失控測試的操作流程，理解工藝參數(shù)對異形鋰電池性能的影響。

（3）素質(zhì)拓展。拓展以電池為點，以無人機、新能源材料為面的知識體系，以任務(wù)為牽引引導(dǎo)學(xué)生開展自主式、探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和素養(yǎng)。

（4）教學(xué)效果。緊扣鋰電池的工程應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展前沿，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和參與研究的興趣，加深對鋰電池的認識和理解。

1.2 實驗虛擬仿真設(shè)計

1.2.1 實驗內(nèi)容設(shè)計

從電池制備工藝和安全性能評估兩個方面，設(shè)計“異形鋰電池成型工藝實驗”和“異形鋰電池?zé)崾Э販y試實驗”。異形鋰電池成型工藝實驗主要內(nèi)容為采用“疊層-熱壓-造孔”工藝制備不同弧度的鋰電池；異形鋰電池?zé)崾Э販y試實驗主要內(nèi)容為采用絕熱加速量熱儀測試異形鋰電池的熱失控溫度，評價電池的熱安全性能。

1.2.2 實驗虛擬仿真交互性操作步驟設(shè)計

本實驗教學(xué)屬于《新能源及能源材料》《能源材料與課件》課程，共計4 個實驗學(xué)時。實驗流程如圖1 所示。具體為：登錄系統(tǒng)→實驗室環(huán)境漫游認知→異形鋰電池成型工藝及熱失控測試學(xué)習(xí)→異形鋰電池成型工藝及熱失控測試考核→實驗結(jié)論→實驗結(jié)束→退出系統(tǒng)→發(fā)布成績。

圖1 異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真流程

實驗虛擬仿真的一個重要特點是交互性，在虛擬仿真實驗過程中穿插交互性操作步驟可以促進學(xué)生的參與度，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高實驗效率［15］。實驗設(shè)計了3 種類型，共21 個主要的交互性操作。①要求學(xué)生必須操作正確才能進行下一步，該類操作采用“高亮”標(biāo)識。②學(xué)生即使操作不正確，仍可進行下一步，但最終無法得到合理的實驗結(jié)果。③可設(shè)計類交互性操作，學(xué)生可根據(jù)需求設(shè)計制備不同弧度的異形電池。異形鋰電池成型工藝主要有正極膜制備材料的選擇、正極漿料的制備、PET膜的鋪附、正極膜的制備、負極膜制備材料的選擇、負極漿料的制備、負極膜的制備、正極膜熱復(fù)合金屬網(wǎng)的選擇、正極膜與金屬網(wǎng)熱復(fù)合工藝、負極膜熱復(fù)合金屬網(wǎng)的選擇、負極膜與金屬網(wǎng)熱復(fù)合工藝、熱壓成型模具的選擇、熱壓成型溫度和壓力的設(shè)置、異形電芯的萃取與造孔、極耳的焊接與電池注液封裝、異形電池化成與測試等主要交互性操作。異形鋰電池?zé)崾Э販y試實驗主要有電池?zé)崾Э販y試樣品安裝、充放電程序設(shè)置、ARC 程序參數(shù)設(shè)置、校準數(shù)據(jù)選擇操作和測試結(jié)果分析等交互性操作步驟。

1.2.3 實驗虛擬仿真評分體系設(shè)計

實驗教學(xué)針對實驗過程和實驗結(jié)果進行綜合評定，以考察學(xué)生掌握異形鋰電池制備、熱失控測試的實驗過程操作及每個控制參數(shù)的調(diào)節(jié)。在此過程中，兼顧培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。系統(tǒng)平臺自動記錄學(xué)生的操作次數(shù)、操作時間、交互操作要點等數(shù)據(jù)，生成可追溯實驗過程的記錄和分數(shù)。同時要求學(xué)生撰寫心得體會和實驗報告，考查學(xué)生思考問題的深度和廣度，并根據(jù)撰寫情況給出人工評分，實現(xiàn)多維考核和評判。

學(xué)生最終得分由操作得分和實驗報告得分兩部分構(gòu)成，如圖2 所示。其中操作得分占總分的90%，由機器直接判讀；實驗報告得分占總分的10%，由授課教師評價。為鼓勵學(xué)生開展線下實踐操作，視情給予附加得分（最高10 分）。

圖2 實驗考核評分構(gòu)成

1.2.4 核心要素仿真度

實驗虛擬仿真的核心要素包括：異形鋰電池設(shè)計、正負極膜制備、電芯熱壓成型、電性能測試、熱失控測試與分析。各要素仿真度如下：

（1）實驗虛擬仿真設(shè)備及對象的精確建模。虛擬仿真實驗設(shè)備、對象的真實度與實驗很接近，按照實物對其進行精確仿真建模，有利于學(xué)生更好地了解實驗設(shè)備及對象。例如異形鋰電池（見圖3）和熱失控測試設(shè)備絕熱加速量熱儀（見圖4）。

圖4 絕熱加速量熱儀及其仿真模型

（2）實驗操作的高度還原。利用交互技術(shù)對異形鋰電池制備、熱失控測試及實驗儀器的操作進行高度還原，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中，了解和掌握整個實驗的操作流程，在完成實驗虛擬仿真后學(xué)生可獨立進行實驗操作。例如異形鋰電池的封裝操作（見圖5）。

圖5 異形鋰電池的封裝操作高度還原

（3）實驗結(jié)果與虛擬模型的融合顯示。實驗虛擬仿真以科學(xué)的實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，將實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，確保實驗虛擬仿真的真實性和準確性。例如異形鋰電池?zé)崾Э販y試（見圖6）。

圖6 異形鋰電池?zé)崾Э販y試

2 實驗虛擬仿真教學(xué)方法及實施過程

實驗虛擬仿真遵循“學(xué)生中心、應(yīng)用導(dǎo)向、問題牽引、能力培養(yǎng)”的教學(xué)理念，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，借助虛擬仿真實驗平臺，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)向課前延伸、向課后拓展，結(jié)合學(xué)校的教學(xué)特色和實際，將科研成果拓展轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，構(gòu)建“課前任務(wù)牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式。項目采用游覽式、流程式、交互式、精確式和反思式的“五式導(dǎo)引”實驗教學(xué)方法，致力于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、創(chuàng)新精神、主動學(xué)習(xí)和自我反思的能力，有效激發(fā)學(xué)生求知欲，提高實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)科學(xué)思維和素養(yǎng)。圖7 展示了實驗虛擬仿真的教學(xué)方法及其實施過程。

圖7 實驗教學(xué)方法及實施過程

實驗教學(xué)實施過程

（1）課前準備。自主學(xué)習(xí)、電池設(shè)計、設(shè)計報告。

自主學(xué)習(xí) 課程開始前兩周，組織學(xué)生建群分組。將實驗指導(dǎo)書等相關(guān)資料發(fā)給學(xué)生，督促學(xué)生完成相關(guān)理論和操作流程的自主學(xué)習(xí)。

電池設(shè)計根據(jù)不同需求場景，向?qū)W生發(fā)布異形電池設(shè)計任務(wù)，要求學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)知識，通過文獻查閱，完成電池設(shè)計工作。

設(shè)計報告要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求，完成設(shè)計報告，并提交老師審批。

由圖5可知，CODCr去除效果隨著廢水濃度增大呈逐漸提高的趨勢。初始階段處理效果不佳，這是由于反應(yīng)剛開始時適應(yīng)該廢水水質(zhì)的微生物還未生長，尚處于休眠狀態(tài)，即污泥未起到作用，從而導(dǎo)致CODCr去除效果差；在廢水濃度達到60%時，其去除率提高到20%左右，表明微生物量逐漸增加，但未馴化完全；廢水濃度由60%提高到100%這一段曲線相對于前一段曲線增加幅度稍微平緩，污泥逐漸適應(yīng)該制漿造紙廢水水質(zhì)；當(dāng)處理100%的混凝-加核絮凝組合工藝處理后廢水時，其CODCr去除率為24.1%，出水CODCr為88.1 mg/L，達到排放指標(biāo)。

（2）課上引導(dǎo)?！拔迨綄?dǎo)引”。在上機操作前，老師就實驗操作過程中的難點、易錯點及注意事項首先進行統(tǒng)一講述和強調(diào)。

游覽式熟悉場景學(xué)生以第一視角進入虛擬實驗場景，能直觀形象、立體生動地觀察和感知實驗場景及環(huán)境布局，通過文字和圖片結(jié)合的方式了解該實驗的背景、意義和所需的實驗設(shè)備。

流程式引導(dǎo)學(xué)習(xí)進入學(xué)習(xí)模式，在實驗流程程序的引導(dǎo)下，進行規(guī)范性操作學(xué)習(xí)，通過關(guān)鍵知識點強調(diào)、易錯點提醒等，使學(xué)生掌握異形鋰電池的特征、制備關(guān)鍵點、電化學(xué)性能與熱失控測試的對應(yīng)關(guān)系等知識，具備可操作制備異形鋰電池和性能測試表征的相關(guān)能力。

交互式強化練習(xí)進入虛擬仿真環(huán)節(jié)后，學(xué)生成為實驗操作的主體，可與各類材料和設(shè)備實時互動，進行設(shè)計與操作練習(xí)。系統(tǒng)具有錯誤提示和自動評價功能，學(xué)生通過人機交互方式可實現(xiàn)強化練習(xí)，實現(xiàn)邊學(xué)習(xí)、邊調(diào)整，錯誤和不足之處及時得到更正。

精確式全程記錄 “學(xué)習(xí)模式”和“考核模式”均可自動生成追溯仿真全過程的記錄，分別反饋學(xué)生有效學(xué)習(xí)時間以及對所學(xué)知識點的掌握程度。并可針對自己出錯點有針性的反復(fù)練習(xí)，通過不斷思考、分析和糾正問題所在，達到全面掌握實驗操作的目的，提高學(xué)習(xí)效果。

反思式效果評價 依托仿真系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生完成在線操作和學(xué)習(xí)效果評價。在操作結(jié)束后，形成可追溯數(shù)據(jù)，作為學(xué)生反思和老師評價的主要依據(jù)。通過填寫報告，學(xué)生可進一步反思自己的全部操作，并對自己掌握的情況作出評價，便于針對性的學(xué)習(xí)。老師可從學(xué)生的提問和心得體會中考查學(xué)生思考問題的深度，評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（3）課后驗證。實驗驗證。針對部分學(xué)習(xí)興趣濃厚、時間充裕的同學(xué)，開展線下驗證試驗。由項目組成員和學(xué)生共同制定實驗計劃，進行異形鋰電池的制備和常規(guī)性能測試，以驗證虛擬仿真效果與實驗之間的差異，并探討分析其原因，如圖8 所示。

圖8 虛擬仿真與實驗的差異性對比

3 實驗虛擬仿真教學(xué)實施效果

經(jīng)過2 個學(xué)年的使用，學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)實踐，達到較好的教學(xué)效果。

（1）學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力顯著提升，有效提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。實驗虛擬仿真突破了時間和空間的限制，學(xué)生可隨時隨地在網(wǎng)上進行仿真，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新實踐的能力。平臺的仿真度高，代入感強，尤其是設(shè)有糾錯和評價功能可使學(xué)生更有針對性的反復(fù)練習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果。通過該實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力得到顯著提升。

（2）實驗周期大幅縮短，顯著提升了實驗教學(xué)效率。實驗構(gòu)筑了一個高度仿真、直觀形象的實驗場景，讓學(xué)生如同親臨實境，增加了實驗沉浸感，感受互動，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。仿真有效解決了實驗室無法接收高頻次、大批量的學(xué)生同時開展實驗；實驗周期從幾天縮減到4 學(xué)時之內(nèi)，學(xué)生可反復(fù)進行實驗練習(xí)，提升相關(guān)專業(yè)實驗教學(xué)效率。

（3）教學(xué)成本大幅下降，滿足了大規(guī)模教學(xué)需求。針對等待時間較長的實驗操作，在不影響實驗結(jié)果的前提下簡化、縮短時間，及時向?qū)W生反饋實驗結(jié)果，提升學(xué)生的體驗感和獲得感，節(jié)省學(xué)生的時間成本。虛擬仿真實驗節(jié)省了實驗設(shè)備與材料的購置、消耗及維護費用。

（4）教學(xué)資源實現(xiàn)全網(wǎng)共享，服務(wù)社會效果顯著。實驗不僅能夠單機穩(wěn)定運行，現(xiàn)已置于Internet 開放教學(xué)管理平臺，能方便開展大容量班級仿真并向社會開放，實現(xiàn)教學(xué)資源共享。實驗虛擬仿真教學(xué)項目不僅惠及本校相關(guān)專業(yè)的師生，也支持其他高校和企業(yè)的實驗教學(xué)和技能培訓(xùn)，提升從業(yè)人員的專業(yè)化水平。

4 實驗教學(xué)特色

（1）實驗教學(xué)與科學(xué)研究有機結(jié)合，將科研成果與開展的前沿技術(shù)研究融入實踐教學(xué)，具有很強的創(chuàng)新性和先進性。實驗虛擬仿真以無人機發(fā)展對異形鋰電池的需求為背景，將科研成果和開展的前沿技術(shù)研究引入實踐教學(xué)，并轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。實驗?zāi)Ｐ?、素材、工藝流程、實驗參?shù)等均源于科研成果，可通過虛擬仿真技術(shù)進行還原，也可將一些新理念轉(zhuǎn)化為實驗場景設(shè)計，增加實驗教學(xué)的深度和廣度，拓寬學(xué)生視野。

基于虛擬仿真平臺能以更加高效的方式將裝備科研攻關(guān)中的前沿技術(shù)發(fā)展動態(tài)、關(guān)鍵科學(xué)問題、技術(shù)難點和科研心得分享給學(xué)生，使學(xué)生沐浴科技氛圍，增長科研見識，在激發(fā)學(xué)生科研興趣的同時，提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)，增強其投身科研的意識，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)新型人才提供有力支撐。

（2）“課前任務(wù)牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結(jié)合的貫通式教學(xué)設(shè)計，能激勵學(xué)生挑戰(zhàn)自我，突破自我。課前學(xué)生根據(jù)無人機應(yīng)用需求，完成電池在成型弧度、熱壓溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)的自主設(shè)計，基于虛擬平臺的學(xué)習(xí)和考核過程提高學(xué)生的操作技能，課下學(xué)生根據(jù)實驗設(shè)計方案，實現(xiàn)線下自主驗證，完成實驗教學(xué)的閉環(huán)。在自主模式牽引下，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，激勵學(xué)生勇于挑戰(zhàn)自我。

實驗虛擬仿真過程復(fù)雜，關(guān)鍵性步驟易出錯，難度大。在學(xué)習(xí)模式中，對實驗的重難點和專業(yè)性較強的操作步驟，通過知識錦囊、考核解析和高亮提示等方式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，達成學(xué)習(xí)目標(biāo)。在考核模式中，學(xué)生如果使用“高亮提示”選項，系統(tǒng)將自動扣分，激勵學(xué)生突破自我，在無提示下實現(xiàn)熟練操作。

（3）充分利用在線資源，教學(xué)過程融入課程思政元素，激發(fā)學(xué)生愛國情懷。實驗虛擬仿真建設(shè)了完善的平臺資源，提供無人機發(fā)展史、應(yīng)用情況等資源，通過了解我國無人機的發(fā)展歷程，讓學(xué)生了解戰(zhàn)爭的殘酷，激發(fā)學(xué)生報國熱情，增強其使命感和責(zé)任感。實驗不僅對學(xué)生傳授知識和提高能力，而且對學(xué)生進行價值引領(lǐng)，達到課程思政的教學(xué)目的。

5 結(jié)語

能源和材料行業(yè)高素質(zhì)專業(yè)人才是國防新型戰(zhàn)斗力的重要支撐，也是國民經(jīng)濟發(fā)展急需的人才。人才的專業(yè)素質(zhì)和技術(shù)能力的培養(yǎng)需要系統(tǒng)性知識結(jié)構(gòu)建立和實踐訓(xùn)練。

實驗虛擬仿真結(jié)合“新工科”工程教育理念，按照“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的建設(shè)思路，將異形鋰電池的科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，基于虛擬仿真、互聯(lián)網(wǎng)、自動評測等技術(shù)，開發(fā)“異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗虛擬仿真”，實現(xiàn)課程知識點與實踐訓(xùn)練的有效銜接。課程實踐教學(xué)中，構(gòu)建了“五式導(dǎo)引”教學(xué)方法和“課前任務(wù)牽引，課上虛擬仿真，課后實驗驗證”虛實結(jié)合的教學(xué)模式。通過實驗虛擬仿真，提高學(xué)生的參與度，解決異形鋰電池成型工藝及熱失控測試實驗“成本高、實踐周期長、安全隱患大”等難題，擺脫實體實驗對空間、時間和實驗設(shè)備的限制，并通過科教融合拓展了學(xué)生的科學(xué)視野，提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。