基于汽车计算平台的新能源汽车专业教学模式探究

李步照 袁菁芸 强爱民

摘 要：遵循职业能力成长规律，设计出在安全电压下教授新能源汽车理论和技术的递进式教学模式。在整个教学过程中，教师由教到导，学生由学到做，学生在做中学，教师在做中教。

关键词：汽车计算平台 新能源汽车 实践教学模式

课 题：本文系扬州市职业大学2018年校级教改课题（一般课题A类）《新能源汽车能量转换系统项目化全套教学资源建设》（2018JGA03）、扬州市职业大学校级重点科研项目《纯电动汽车电子控制系统关键技术研发》（2018GT04）、扬州市职业大学科研创新团队专项（KYCXTD201904）、扬州市市校合作专项（YZ2019131）研究成果。

随着汽车产业的快速发展和汽车技术发展的日新月异，“电动化、智能化、网联化、共享化、平台化”已成为未来汽车技术的发展方向。由于新能源汽车集中应用了汽车工程、电化学、信息、自动控制、电力电子等技术，所以传统汽车专业培养出的人才已经不能满足新能源汽车对复合型专业人才的需求，汽车理论与技术相关的教学与汽车行业发展出现严重脱节。汽车相关专业的职业教育要重新开发完整的实训技术体系以及相应的理论知识体系课程。截至2019年年初，我国共有430所高职院校开设了新能源汽车技术专业或汽车专业（新能源汽车方向），在课程设置、专业教学及实验室建设方面，都是在摸索中前行。老师怎样教、教什么，学生怎样学，各高职院校差异很大。自2016年中央财政资助的新能源汽车实验室建立以来，笔者经过几年的学习、摸索和思考，研究出一套实践教学模式，在此详述如下，希望能为国内高职院校新能源汽车专业的教学改革提供參考。

一、汽车计算平台概述

汽车计算平台就是指以车内网络通信技术为手段，依靠高性能集成计算技术和高可信软件技术，基于高性能CPU芯片和嵌入式实时操作系统构建整车的集中计算控制核心（ICCC），通过对汽车分散的计算和控制系统进行优化统筹和集成，实现对汽车计算、控制和通信各个功能模块的网络化、一体化控制和管理，最大限度地实现汽车计算、控制等软硬件资源的实时共享。

汽车计算平台在汽车管理系统中引进了数字化控制技术，将过去基于电子、电气技术的单个汽车控制单元提升到了从汽车整体控制出发的、基于数字技术和信息技术的、整车各部分控制互相紧密关联与协调的计算机网络系统。

汽车总线技术和汽车网络技术在汽车上应用已经20多年了，其中应用最多的是CAN网络，基于CAN网络标准又延伸出了J1939、ISO CAN、CANopen网络平台。CAN的速率、可靠性和低成本在汽车总成动力系统应用最为适宜。高速容错功能的FlexRay标准是为更高安全等级需求的转向系统、制动系统和安全气囊量身定制的。FlexRay作为下一代汽车网络标准，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现X-by-wire线控应用，向汽车的智能化、网联化、共享化、平台化迈出了重要的一步。

二、实践教学模式的实施方案

教育要遵循学习规律，遵循人的职业成长和职业生涯发展规律。本耐和德莱福斯的研究发现，人的职业成长遵循“从初学者到专家”的逻辑发展规律，其发展过程分为初学者、高级初学者、有能力者、熟练者和专家等五个阶段。我们的实践教学模式也要符合职业成长规律。

（一）初识阶段

初识阶段针对的是没有接触过新能源汽车的初学者。教师做理论讲解、示范操作，学生进行模拟测试。

首先，让初学者有一个感官上的认知，对比说明传统汽车和新能源汽车结构上的差别。通过引导，让初学者说出新能源汽车特有的标志。在这个过程中要反复强调维护保养新能源汽车必须有专业资质，新能源汽车存在安全风险，必须严格遵守操作规程。

其次，让学生学习新能源汽车基础知识。掌握高压能量管理系统正负极、预充接触器在上电和下电过程中的先后工作顺序及原理，为什么要有预充电路，新能源汽车安全设计;学习、了解、掌握能量转换原理、能量回收原理、逆变器原理、高压互锁原理、汽车总线技术和单片机等基础性原理。对这些知识，汽车专业学生并不需要深入掌握，只要“懂”就行。比如逆变器的原理，只要明白直流电是如何变为交流电的即可，并不需要知道开关管是如何选型的。目前，国内高职院校新能源汽车专业新能源汽车实验室急需补充相关实验设备。有些学校通过VR等虚拟仿真来完成以上部分教学内容，但虚拟仿真毕竟是“虚”的，不能代替实际操作。

经过两年多的研究，笔者开发了一套专门用于新能源汽车基础教学的实验平台，教师和学生可共同通过实验平台完成上述内容的学习。

下面讲述学习“高压安全与防护”知识用的人体模型，如图1所示。“小人”可以完成以下内容：高电压车辆操作安全基础知识;高电压系统安全要求规范，工作空间的安全保障;高电压系统的功能和总体介绍;高电压汽车实际相关故障的影响;测量通电系统过程中的危险评估;通过人体的电流;通过对人体模型的测量探究电压、电流和电阻、触电电流;公共配电网络和输电网络。

图1 人体模型

本实验平台模拟通过人体的电流，通过对人体模型的测量探究电压、电流和电阻、触电电流，让学生真实感受到电流对人体的伤害。

通过测试，学生理解采用戴电气安全手套、铺设绝缘垫等防护措施的必要性。让学生测量双手触电、测量手和一只脚之间触电、测量手和双脚之间触电、测量手和胸部之间触电、测量胸部和一只脚之间触电、测量胸部和双脚之间触电，让学生总结哪种情况触电对人体伤害最大。实验把人体触电变成真实体验，让学生体会到“遵守安全操作流程”的重要性。

（二）领会阶段

领会阶段是借助新能源汽车实验室常见设备[如：电机驱动系统、电池管理系统（BMS）、新能源汽车仪表系统、充电系统、舒适系统等]，在安全电压下的真实电动汽车控制模块台架上学习。重点掌握各模块的工作原理、软硬件结构设计、安装工艺，PCB板制作工艺等。所有模块学习结束后，再通过CAN总线把它们连接起来，形成一个实际意义的“概念车”。

这个阶段可以和非汽车专业学生融合学习，实现资源高效利用和多元共享，也为下一步智能网汽车、无人驾驶汽车专业建设做准备。教师可以根据学生个性差异分别引导。学生可根据自身学习能力和兴趣点在后续教育和职业生涯中进一步提升相关专业知识水平。下面以电机台架和舒服系统台架为例说明学习任务的设计。

使用的设备是安全电压60V的电机驱动系统台架。要让学生明白新能源汽车高压电路（60V）和低压电路（12V）是如何设计连接的，正接触器和预充接触器、负接触是如何工作的，在此基础上进一步理解在初识阶段涉及的知识，如能量管理系统原理，电机控制器、驱动器，IG模块如何检测，各种传感器和执行器工作原理和检测方法，所采用的总线通讯协议是什么。

在基于CAN总线的新能源汽车舒适系统台架上学习车灯控制模块、门锁控制模块、车身控制模块、防盗模块的工作原理和检测方法，了解它们之间的工作信号是如何通过CAN总线传递的，以什么样的报文传递的;了解每个模块ECU的软硬件是如何搭建的，PCB板是如何设计的;了解各种元器件是如何焊接的。老师学生都可以对程序代码进行修改优化，从底层理解汽车总线工作原理。

（三）应用阶段

应用阶段要求学生自主“设计+搭建”一个基于安全电压下的原型车。原型车主要由组合仪表、能量供给系统、动力系统、舒适系统、车载网络和底盘组成（见图2）。

学生要完成电路设计、线束制作、元器件安装等装配任务，最后进行整车调试。通过完成这个工作任务，学生可以彻底了解一个电动汽车的制作过程。这一过程可以培养学生从事新能源汽车的安装、调试、检测及故障检修等工作的能力，强化创新意识，提高创新能力，有利于学生更切合实际地规划自己职业生涯的发展路径。

（四）创设阶段

整体教学内容的设计以原理为核心，以提高学生能力为目标，以适应就业为导向。

学生完成对安全电压下新能源汽车的学习后，在吉利、比亚迪、北汽等主流品牌新能源汽车上进行实车训练和汽车总线协议解析，既可以降低安全事故的发生概率，又可以快速熟悉新能源汽车的维护保养。

三、需要思考的问题

（一）师资队伍建设

教师的素质直接影响到教学效果。上述实践教学模式的实施，对教师要求较高。应鼓励机电一体化、电气自动化等专业的教师组建一个教学团队，跨专业融合，相互合作，发挥各自的优势，同时汽车专业的老师也要不断学习，提高自身专业素养。教师应该从根源入手，引导学生学习，注重对学生实践操作能力的培养，要突出以学生为主体，培养学生的职业素养，维持好课堂秩序。

（二）实验室功能多元化

新能源汽车实验室的建设应紧密围绕“新能源汽车”和“汽车计算平台”技术领域，配备先进的设备资源，整合丰富新颖的教学资源，建立研发、实验实训、创新和培训“四位一体”的实训基地，还要兼顾智能网联、无人驾驶等可持续发展的规划。

新能源汽车实验室应该是一个开放的实验室、与未来汽车专业融合发展的实验室。比如搭建的原型车只要增加制动和转向系统控制就可以升级为无人驾驶汽车。新能源电机驱动台架，可供机电专业的学生进行电机控制的学习，由机电专业学生示范給汽车专业学生。基于CAN总线的新能源汽车舒适系统台架，可以和机电专业、电气自动化专业学生共享，PCB板的制作、元器件的焊接、单片机程序的编写等都可以作为他们的实验平台。

（三）评价体系改革

学生考核要改变以一次考试成绩作为考评主要依据的传统做法，加大操作考核的比重。教师根据学生知识掌握程度、完成给定工作任务情况、实际操作的结果等综合评价学生。对在学习和应用上有创新的学生应特别给予鼓励，注重对学生关键能力方面的考核。评价不应过分注重学生的最后成绩，而是要引导学生注意工作过程的每一个环节，应该加大操作考核的分数比重，注重学生工作能力、工作品质的共同提高，这样才能保证培养出满足社会需要的技能型人才。

四、小结

本文所述教学模式是阶梯递进式的，通过基础原理→仿真台架→安全电压下五模块原型车→实车训练各阶段的递进式学习，把学生从新手培养成高素质技能型人才。教师从讲述示范操作，逐步转变为操作、检查监督。学生由观摩练习、模块技能训练，发展到完成一个“原型车”搭建。在整个教学过程中，教师讲述越来越少，由教转化为导;学生训练越来越多，由学转化为做。在教学过程中，要强调学生在做中学，教师在做中教。保证学生在学习中提升自我实践操作能力，在自我动手实践中学习到新能源汽车专业的相关理论知识。

参考文献：

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