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摘要：本文将就电动汽车实验时学生认知难、理解难和授课难的问题，探讨学习模式与学习环境设计，拟开发一种电动汽车整车与相关控制系统于一体的教学实验平台，通过整体性和系统性教学实验任务驱动模式改变，用于进行教学实验和科学研究，方便教师教学引导，帮助学生角色转变，提高高校学生创新精神和实践能力，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，培养了学生的“工程意识和系统集成”的思想，有效改变学生的学习模式。
关键词：电动汽车；学习模式；学习环境；实验平台
本文引用格式：郭世永,等.电动汽车教学实验学习模式与学习环境设计的构建与应用探索[J].教育现代化,2019,6(32):70-72.
Construction and Application of Electric Vehicle Teaching Experimental Learning Model and Learning Environment Design
GUO Shi-yong,YIN Fei
(College of mechanical and automotive engineering,Qingdao Technological University,Qingdao,Shandong)
Abstract:This paper will discuss the design of learning mode and learning environment for students who have difficulty in understanding and teaching in electric vehicle experiment.It is proposed to develop a teaching experiment platform integrating the whole electric vehicle and related control system.The task-driven mode of integrated and systematic teaching experiment will be changed to carry out teaching experiment and scientific research,so as to facilitate teachers’teaching.Guiding,helping students to change their roles,improving their innovative spirit and practical ability,enabling students to carry out efficient,safe and economical experiments in an open,dominant and interactive virtual environment,achieving teaching effects that real experiments do not have or are difficult to achieve,cultivating students’ideas of“process awareness and system integration”and effectively changing students’learning mode.
Key words:Electric vehicle;Learning mode;Learning environment;Experimental platform
一 电动汽车背景和现状
众所周知，电动汽车是当前及未来汽车的发展方向，其作为国家战略性新兴产业,前景光明。机动汽车在行驶的过程中，由于轮体的转动，机体会产生大量的动能，然而这些动能无法被有效利用，大量的动能以热能的形式被浪费。油和汽是目前市面上机动车的主要动能来源，它们是不可再生能源，随着人们需求的加大，这类不可再生能源的枯萎现象日益严重，而且会造成严重的环境污染。而电动汽车具有普通机动汽车难以匹敌的优势——节能环保[1]，因此其在中国汽车市场中的产量与销量急速增长，并将持续发展下去。电动汽车是高科技综合性产品,除电池、电机和电控外,对电动整车及匹配系统技术的研究有利于减小汽车质量和对能量的消耗。
然而，由于电动汽车历史短，发展速度快及各个汽车巨头发展方向的不统一性，这三者导致电动汽车的本科教学迟迟跟不上进度。作为一种新兴课程，电动汽车的教学在授课时不够严谨，教师刚刚接触此类课程，无法有效传递电动汽车中的高新技术，只能照本宣科；同时学生接受起来困难，知识体系散乱，上课时只能了解个大概，无法将电动汽车各个结构有机结合起来理解。这使得电动汽车本科教学这一领域一直处于停滞阶段。由于电动汽车是高科技综合性产品，这注定了它的复杂性。如果中国的本科教育依旧如此，长此以往，高校很难向企业输送有用的专业人才。因此，构建有效的电动汽车教学实验平台是重中之重。
二项目特色和亮点
本项目注重教师是学生学习的引导者与帮助者角色转变，从教学实验设计和教学环境两个方面来干预学生学习策略的选择。通过搭建电动汽车教学实验真实环境，将电动汽车整车实验平台、电动汽车动力电池系统、电动汽车电动助力转向系统、电动汽车数字仪表系统的各自独立教学实验系统整合起来，加强学习任务设计和真实环境的连接度。从电动汽车整车概念出发将各系统有机联系整合进行教学实验学生学习模式的变革，改变学生传统从书本章节和分系统开始学习，难以建立系统性联系和形成整体性的思维方法和学习模式；改变过去控制算法的学习和实践与整车和分系统教学实验平台脱离的状况，使理论学习实践、软件编程算法与实物驱动三者有机结合。对应车辆工程专业认证的要求，将Matlab与数值计算分析、机械控制基础、电动汽车驱动与控制系统、现代汽车新技术和电动汽车设计等课程教学与教学实践环境进行教学模式改变和重构，培养学生对于电动汽车控制算法、整车实物体验和控制系统驱动的学习任务为导向的面向新工科的学生实践能力提升，对现有教学实验学习模式进行更新补充，对教学实验环境模式进行变革完善。
从教师教学引导和帮助学生角色转变和学生学习模式变化及真实教学实验设计出发，针对学生目前学习和教学实验过程的薄弱环节，以学习任务设计为导向，在任务的复杂性与真实环境的连接度上来实施教学实验，通过构建电动汽车整车实验平台、故障诊断分析装置及整车控制系统标定仿真系统，构建电动汽车动力电池教学实验系统，构建电动汽车电动助力转向系统，构建电动汽车数字仪表系统等进行整体性设计，将整车及各系统设计开发及工作过程，信息传递和调节控制及模拟仿真各环节进行系统性重构，使学生面对真实的电动汽车情境，在教与学的模式选择上，教师选择问题引导提出和项目任务的教学模式，鼓励学生在问题解决过程中不断调整学习策略；在学习环境的创设上，教师利用信息技术手段，支持和引导学生对于深度学习策略的选择和应用。对于开展电动汽车相关教学实验和研究工作以及学生学习能力提升和科研素养培养具有重要推动作用。本项目拟搭建一套完整的电动汽车整车和相关系统的教学实验学习开发平台，该系统集控制、测试、标定等多功能于一体，既能够展示整车与各系统协同工作过程，也能实时监测各系统的工作状态，通过Matlab/Simulink/Stateflow开发环境，实现学生学习实践过程的预设功能目标和驱动控制的自我评判；该平台在教学和科研方面均具有广阔的应用前景。
青岛理工大学与山东派蒙机电技术有限公司在教学实验设备研发合作有过不少成功案例，本项目为多层次合作的继续。
三项目建设目标
本项目拟开发一套电动汽车整车与相关控制系统于一体的教学实验平台，通过整体性和系统性教学实验任务驱动模式改变，用于进行教学实验和科学研究，该平台具有以下特点：
1.是一个功能完善的电动汽车整车和分系统教学的实验系统，能够有效实现电动汽车整车、故障诊断的分析及整车控制系统标定的仿真，动力电池的教学实验，电动汽车电动助力的转向等系统各部分的整体运行控制，创设一个真实电动汽车环境并设计有一定复杂度的学习任务；
2.人性化的人机交互界面的直观展示和控制电动汽车整车和分系统的运行状态，方便教师利用信息化手段对专业课程教学内容设置不同难度学习任务，学生通过编程解决问题过程中不断调整学习策略和进行深度学习策略的选择和应用，并且能够在系统整体的控制运行情况中进行体现，师生均可以开展相关教学实验、创新项目和科研的工作。
四项目建设内容和实施路径
本项目拟在一台主流配置的纯电动整车为原型基础上，增加外围系统，搭建一个具有完整动力系统、底盘、电气及车身附件的纯电动整车原型，车身采用原车身刨切方式，能够直观展示和讲解各系统的结构和工作原理及工作过程，通过各系统的协同工作，实现电动汽车整车及分系统的教学实验、学习任务创建、控制策略实施的平台的各项功能，建设内容和实施路径如下：
1.开发一套具有交互功能的纯电动汽车结构和工作原理讲解软件；
2.具有故障诊断分析装置：能够对整车各功能部件的故障进行模拟，故障读取、故障消除等实验操作，并且能够通过CAN总线对整车及各功能部件的动态和静态数据进行读取、分析和保存。上位机软件能够进行解析、保存，并以友好的方式进行显示整车及主要部件状态信息；采用可移动式小车的方式，可以配合整车实验平台进行静态和动态的数据分析；
3.整车控制系统标定仿真系统：包括硬件平台和软件平台两个部分。硬件平台采用汽车级的MCU和IC Driver，包含丰富的IO资源，具有多种负载能力的功率级输出，满足整车控制动力/传动域控制器的资源需求。基础软件平台将主控芯片的IO资源封装成Simulink中的图形化模块，并提供友好的GUI界面以便于配置，使得基础软件和控制算法在同一个平台上搭建并验证。能够开展电动汽车整车控制策略的标定和仿真实验；
4.电动汽车动力电池实验教学系统基于实际电动汽车动力电池系统设计开发，能够直观展示动力电池内部组成结构，演示动力电池的工作过程，并且能够利用上位机与电池管理单元进行通讯，在上位机上实时显示动力电池的状态信息，对电池进行实时控制指令发送。能够用于电动汽车动力电池的相关实验教学及仿真模拟；
5.电动汽车电动助力转向系统实验台基于电动汽车电动助力转向系统开发，模拟电动汽车转向系统的实际使用环境，可以开设相关实验教学及创新实践活动。系统对方向盘转动信息采集及驾驶员意图分析，通过对转向助力电动机的调节控制，实现平滑助力，高车速下阻尼回位、低车速下快速回位等控制功能；
电动汽车数字仪表总成实验台主要用于电动汽车车载组合仪表总成的控制实验，适合于应用层面的教学实验、实训及实践创新。该汽车仪表总成实验系统可全面、生动演示车载组合仪表总成中的关键技术，如仪表外接传感器在线标定、累计里程数据存储、钥匙关闭指针回位、钥匙关闭系统低功耗休眠等内容。系统采用开放式架构设计方案，仪表总成控制模块通过外部串行通讯接口（SCI），与上位PC机中应用软件实现数据交互，正常工作模式下实时显示仪表各功能模块的状态信息，调试工况下用户可通过应用软件界面独立的手动控制LED指示灯及步进电机运动。系统主控单元为用户开放编程接口，通过Freescale系列单片机专用开发工具，用户可通过该系统平台开展实验教学及验证。
五结束语
电动汽车教学实验学习模式与学习环境设计的构建与应用探索为车辆工程专业的实践教学和创新型人才培养提供新的模式和理念，深化了学生对电动汽车的理解，又通过电动汽车教学实验平台巩固了学生的理论知识，解决了目前学生工程实践能力缺乏和创新意识缺失的核心问题，实现理论教学与工程实践训练的深度融合，取得了良好的实验教学效[2]。该电动汽车实验教学平台提高了在校大学生创新精神和实践能力，为未来推动社会经济、科学的发展培养一批符合新工科建设的创新能力、实践能力、适应能力的综合性人才。
参考文献
[1]徐秋莹,晏合敏.低碳设计背景下的电动汽车产业发展策略[J].企业经济,2011,30(5):104-106.
[2]熊瑞,王春,何洪文.电动汽车行驶工况虚实结合实验教学系统设计[J]实验技术与管理,2017,34(04):122-125.
[3]张文.浅析当今时代下汽车检测与维修专业学生培养方向与对策[J].教育现代化，2018,25:11-12.
[4]李丽，武照云.汽车类专业机械原理课程教学改革与探索[J].教育现代化，2018,44:90-91.
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