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虚拟仿真技术在汽车传感器课程教学中的研究

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李海岗白树全杨秀芳于淑霞贺桂敏

[摘要]针对目前高职院校汽车传感器课程教学中遇到的检测原理难以理解等的实际问题，课题组详细探讨了虚拟仿真技术在汽车传感器教学中的应用。以“空气流量计的检测”为例，尝试在理论与实践的中间增设虚拟仿真环节，通过创新理虚实一体化教学模式来阐述虚拟仿真技术的应用过程。研究表明，凭借虚拟仿真技术可以将抽象的传感器原理直观化，帮助学生深入理解难点知识，为提高学生的汽车传感器检测能力打下坚实的基础，并激发了学生的创新思维。

[关键词]高职院校;汽车传感器;虚拟仿真技术;空气流量计

[中图分类号]U462.2;G642 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2020）07-0082-03

汽车传感器课程是高职院校汽车电子技术专业的核心课程，掌握好现代汽车传感器检测技术，可以帮助学生从容地面对“中国制造2025”的挑战。汽车传感器技术不仅涉及模拟电路、数字电路、机械设计、汽车材料、微机原理和信号处理等方面的学科知识，而且还需要掌握发动机原理和汽车构造等专业知识，是一门理论性、实践性和综合性都很强的技术。

很多职业院校积极进行理实一体化教学模式研究，其与之前的传统教学模式相比，通过大量实践，很大程度上解决了理论教学和实训教学“两张皮”的问题，一定程度上保障了教学目标的实现。但由于汽车传感器原理晦涩难懂，要想让学生把“理论知识”内化为“技术技能”，还需要十分漫长而艰难的过程。在汽车传感器课程教学中引入虚拟仿真技术，可以实现理论教学与实践教学的深度融合，进而不断改善教学质量，提升学生的技能水平和创新能力。

一、汽车传感器教学面临的问题

（一）抽象的教学内容难以解释

要掌握传感器的检测方法，关键在于理解传感器的工作原理。而原理性的内容十分抽象，使得学生难以理解，课堂实例无法呈现动态变化的电流方向、无法看到电子信号的传输过程以及传感器波形变化的特点。即便在实践环节，由于传感器内部的电子电路集成在一起，具有不可拆卸性，学生很难看到其内部的构造。而且，在实际的检测中，也无法在汽车上真实地模拟传感器线路短路等危险的故障情况。这一系列的问题，导致学生不能很直观地认识所学传感器，也就无法理解传感器的工作原理，而检测传感器也仅仅停留在硬性的记忆层面上。

（二）实践教学条件比较紧张

在目前的理实一体化教学模式下，汽车传感器的实践教学依然会受到经费紧张、师资不足、设备昂贵和场地有限等客观条件的限制。因此，如何解决好实训设备与学生数量不匹配、最大限度地降低对教学设备的损坏程度等问题，需要教师寻找新的教学模式来解决。如果能够在学生实际动手前将虚拟仿真技术引入汽车传感器课程的实践教学中，可以让学生在虚拟平台上反复地进行传感器的检测实验，不仅能够帮助学生理解传感器的测试原理，还能实现降低教学成本的目的。

（三）危险系数高的检测无法模拟

有关资料显示，50%以上的汽车电子控制系统故障都与传感器、ECU和执行器相关的线路断路、短路有关。特别是线路短路情况，由于电路里的电流很大，很容易出现导线过热而使汽车电控系统无法正常工作的现象，严重时甚至会发生汽车自燃现象。显然，像短路这样危险系数较高的检测，如果操作不当，会对学生和汽车造成损伤。而虚拟教学可以为汽车传感器的检测提供安全的教学方法，同时让学生能够以直观的方式认识到因错误检测而导致的不良结果，提醒学生在进行实车检测的时候注意操作方法是否得当。

二、虚拟仿真软件的选用

（一）虚拟仿真技术内涵

虚拟仿真技术是基于传感器、人機交互、计算机仿真于一体的综合性技术，通过电脑模拟产生逼真的虚拟环境，让使用者依靠必要的设备和虚拟环境里的对象进行人机交互，从而使其产生置身于虚拟世界的体验。这种技术的特性表现为交互性、沉浸性和构想性。

虚拟仿真技术已经在军事、机械制造、航空航天、教育等多个领域被广泛地应用，为不同行业的发展提供了非常实用的解决方案。尤其是在教育方面，对于抽象的概念、检测过程等教学内容，可以借助虚拟仿真技术以更直观的方式展现出来，有助于引导学生主动探索知识;同时，还可以模拟汽车企业工作环境，让学生身临其境地感受真实的实践氛围，这为突破高职院校汽车传感器等专业课程的教学难点提供了有力的技术支撑。

（二）汽车虚拟仿真软件简介

在汽车传感器的教学过程中，能够利用汽车虚拟仿真软件建立传感器虚拟检测平台，并应用于传感器的教学实践。汽车虚拟仿真软件主要是由景格公司与上海大学共同研制的一款用于汽车故障诊断、汽车维护、汽车检测的专业仿真软件，囊括了丰富的汽车资源，同时还提供了常用的各种虚拟检测仪器，比如万用表、示波器、专用诊断仪和燃油压力表等，能够用来进行仿真和检测各种汽车传感器电路，对传感器及其控制电路组成的发动机电控系统进行故障设置、故障模拟与故障排除。

依托虚拟仿真实训室，能够让学生很直观地看到汽车传感器的电子信号传递过程和内部结构，进而加深对原理性知识的理解。同时，学生可以通过仿真软件来对传感器的各种电压和波形进行反复检测，以验证理论知识的合理性，并根据软件的错误提示功能，及时调整自己的检测方案，为后续在实车上检测做好充分的技术准备。以虚拟软件为平台的传感器仿真教学，不仅有益于学生创新实践能力的培养，而且不会产生电子元器件的大量损耗，有效地提高了教学效率。

三、空气流量计的检测教学实例

（一）测量原理

为了获得各种工况下最佳浓度的混合气，空气流量计肩负着采集进入到发动机气缸的空气质量数据的重要任务，根据空燃比的公式，电控单元计算对应工况下的基本喷油量。一旦空气流量计失效，便会产生怠速不稳、容易熄火、冒黑烟、行驶无力等故障表现。那么，该如何准确地锁定空气流量计的故障呢？需要进行正确的检测，而检测的前提是理解空气流量计的测量原理，如图1所示。

这种传感器的理论基础是热平衡原理，利用热线电阻与流过的空气之间进行热传递来测量进气质量。将热线电阻RH放置在进气通道里，当空气流经传感器时，由于热线的热量被带走，温度降低，根据正温度系数的变化特点，对应的电阻值变小，惠斯顿电桥开始失去平衡。这个时候，热线中的电流会通过集成运放控制功率晶体管的导通时间来实现自动增加，从而让热线达到之前的电阻值和温度，直至惠斯顿电桥达到平衡状态。那么，如何实现“空气质量”非电信号转变为能够被ECU识别的电压信号？信号电压和空气质量有怎样的关系？空气流量计采集到的电子信号长什么样子呢？这些问题让學生们很难理解，但恰恰又是原理的关键所在。如何将复杂的理论形象化地呈现出来，下一步教师可以考虑利用仿真软件来突破类似的教学难点。

（二）虚拟仿真

为了有效地突破难点内容，把虚拟仿真融入实际的教学中，可以帮助学生真正地理解空气流量计的检测原理。如图2所示，为风扇模拟空气流速的过程。通过由右向左移动风扇的位置，来仿真流过传感器的空气质量。那么，空气质量如何影响信号电压的变化呢？信号电压的波形是怎样的？

信号电压的波形如图3所示，该波形的产生，是和风扇移动的位置（空气质量）同步动态变化的。通过仿真模拟，学生能够清楚地看到电子信号的模样，然后再进一步让学生去理解空气流量计的测量电路，包括惠斯顿电桥电路、反馈控制电路和信号输出电路等。充分利用虚拟仿真的演示优势，可以将看不见摸不着的传感器信号形象立体地予以呈现，让学生对抽象的原理一目了然，这样一来，学生的积极性就会被调动起来，起到立竿见影的学习效果。

四、结语

针对汽车传感器教学面临的抽象教学内容难以解释、实践教学条件比较紧张和危险系数高的检测无法模拟的现实问题，本文以汽车传感器中常见的空气流量计的检测为实例，以景格虚拟软件为平台，探讨了虚拟仿真技术在汽车电子技术专业课程中的具体应用。

研究表明，虚拟仿真技术应用于汽车传感器教学中，符合汽车传感器课程的特点，创新了理虚实一体化教学模式。借助虚拟仿真技术可以将传感器产生的电子信号以直观的方式呈现出来，使得抽象难懂的原理变得形象生动，从而调动学生的各种感官主动地去学习新技术，增强学生对原理的感性认识，有效地突破了教学难点。同时，仿真实践活动有效地提升了学生的汽车电子技术检测能力，让学生形成了一定的创新想法，为高职学生今后从事汽车电子技术诊断工作打下了扎实的专业基础。

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