汽车电控系统理实一体教学平台设计及应用

1、教学现状
1.1理论知识与工程实践未能有机结合
理论教学是学生掌握基础理论和专业知识的重要途径，工程实践是学生应用专业知识解决复杂工程问题的重要环节。作为应用型本科教学所开设的汽车电控系统课程，应当同时注重理论与实践。然而在原有的汽车电控系统课程教学中，虽然针对本专业的培养目标，设定了具体详细的培养方案，但是大多侧重理论知识的教学，对实际的工程实践涉及较少。
学生学习专业知识时缺乏主动性，专业知识的获取途径单一，对于汽车电控系统相关知识难以理解，特别是无法将理论知识与工程应用实践有效结合。因此，很多学生在整个学习过程中无法真正掌握汽车电控系统的整体知识结构以及把握其中的认知规律。此外，原有的教学模式加上抽象的知识体系，使学生学习时感到枯燥乏味，导致学生学习汽车电控系统的相关知识有一定的难度，不能很好地将理论知识与工程实际联系起来，造成理论与工程实践的脱节。
1.2探究性实验环节缺少
实验教学作为汽车电控系统教学的重要部分，在培养学生的动手、观察、分析、思考等能力方面起着重要的作用。探究性实验课应成为学生发现问题、分析问题、解决问题的实践课程。探究性实验教学过程中应重视学生学习过程中所表现的主动性、积极性、创造性，最大限度地满足学生需求，注重学生个性化培养。原有的汽车电控系统教学一般将课堂教学和实验教学相结合，实验教学分为汽油和柴油电控系统，课堂教学仅仅是抽象的理论教学。实验教学虽然可以锻炼学生的动手操作能力，但在目前的实验教学过程中，多以仪器演示为主，即实验教师进行仪器使用讲解与操作，学生以观看为主，留给学生动手操作的时间非常少，几乎很难做到每位学生独立操作，教学形式单一。同时实验环节多以验证性实验为主，缺乏探究性实验环节，学生大都是按照实验步骤操作。虽然在一定程度上训练了学生的实践动手能力，但是不利于培养学生的探索精神和质疑精神，不能有效地激发学生的学习兴趣和自主学习的热情，很难提高学生独立分析问题、解决问题的能力，培养高素质创新型人才。
1.3汽柴油电控系统分散
汽油机电控系统和柴油机电控系统的观测参数主要包括喷油、进气、点火等相关参数。若能有效地把汽柴油电控系统进行集成，以便于学生近距离观测汽柴油关键传感器和执行器运行情况，更深刻地理解汽车电控系统相关知识。目前教学中常用的汽车电控发动机教学实验平台是带有发动机的综合实验台，其汽柴油电控系统是独立的，这样的实验平台在教学上应用不灵活，受教学空间影响较大，制造成本昂贵。
而且汽柴油电控系统分散教学导致学生不能直观地了解汽油和柴油电控系统结构原理及工作特性的异同点，不便于进行对比分析。
2、汽车电控系统理实一体教学平台
汽车电控系统理实一体教学平台(简称平台)是一款适用于高等院校本科生和研究生教学科研的专业化平台。该平台具有理实一体、可拓展性强、系统集成度高等特点，可有效提升学生的学习积极性和教学效率。
2.1平台结构
平台分为两大功能区域，如图1所示，上面板用于传感器信号调理、交互显示和电控二次开发；下面板用于驱动输出，兼顾柴油和汽油两个方面，其中柴油包含磁电喷油器和压电喷油器，汽油包含PFI喷油和GDI喷油。其配有7寸触摸屏，具有良好的交互式图形化界面，显示开发平台的运行参数，也可通过显示屏进行设置，满足一般的实验要求。此外，显示屏具备存储功能，可对试验数据进行存储，便于后期分析。所有传感器均通过高精度电位器进行模拟，也可以连接外部传感器，并通过数码管显示当时示数。所有执行器均采用汽车标配执行器，并支持通过跳线连接外部负载。所有传感器和执行器均有测试端口，便于通过万用表、示波器等工具进行测试。平台设备层次感强，同时可以应用于真实的车辆环境，实现了理实一体的教学解决方案。

(a)上面板                                            (b)下面板
图1汽车电控系统理实一体教学平台实物图
2.2平台主要功能
平台是将汽柴油电控系统集成为一体的教学平台，既能够单独用于实验和教学，也可以连接到真实的发动机上，真正做到脱离发动机台架的汽柴油发动机电控系统半实物教学。一方面可以利用交互式显示屏实现汽车电控系统的交互式教学，另一方面也可以支持二次开发和发动机驱动。在教学内容上，本平台配有16个学时的教学课件，主要包括汽车电控系统开发流程、汽车传感器AD采样、电子节气门及H桥驱动、点火线圈工作原理、喷油驱动及控制、汽车高低边开关等。
平台可以在教室内实现汽柴油电控系统的理实一体教学方案，能够通过现场演示、学生实操并结合理论教学，让学生对汽车电控系统有充分的认识。基于实际动手操作激发学生的学习热情，通过二次编程让学生了解汽车电控系统的开发流程。平台充分考虑了汽车专业的本科生和研究生的学习需求，本科生基于该平台可以掌握传感器、执行器的工作原理，了解汽车电控开发工具和基本开发流程，在短时间内掌握汽车电控系统的基本原理和开发方法。研究生基于该平台可以开展很多自主课题的开发，能够基于该平台实现多方面的需求，例如双燃料喷射的研究、油泵试验、曲轴凸轮轴信号的采集处理等。另外，平台配有故障诊断接口，支持符合J1939和ISO15765的通用诊断仪，可以进行故障注入教学。除了教学应用之外，该平台也可用于科研，一方面满足了本科教学的基本需求，另一方面可以启发学生的思维，使其基于该平台提供的二次编程功能进行程序的二次开发。
3、教学应用
该平台自2016年研发完成后，已在多门课程的实验中实践应用，并取得了良好的教学效果，具体体现在以下两个方面。
3.1实现了理论教学与实践教学的有机结合
依托平台，全面开展技能牵引式理实一体化教学，让教师讲授、示范和学生实训同步进行，突出教学现场示范，增强教学过程的直观性。在学生的兴趣激发中，用理论指导实践；在学生的充分参与中，用实践消化理论，从而实现理论知识和实践技能的同步学习和高效吸收，有效支撑了汽车理论、汽车运用工程、发动机原理等多门专业核心课程相关实验课程目标的有效达成。
平台的应用，可以实现汽车电控系统实训教学的现场化，能够通过现场演示、学生实操并结合理论教学，让学生对汽车电控系统有一个充分的认识，通过二次编程让学生了解汽车电控系统的开发流程。以发动机电控系统的教学为例，教师在进行PPT讲解和现场演示之后，让学生基于本平台实际动手操作，观察柴油机磁电喷油器和压电喷油器以及汽油机PFI喷油和GDI喷油的工作过程，分析彼此的异同点，用理论知识指导实践过程。
平台可使汽车电控系统教学中课堂教学和实验教学同步进行，理论教学和实践教学手段同步实施。一方面丰富了教学形式，另一方面增加了学生的动手操作时间。用理论指导实践，用实践消化理论，巩固理论知识的同时，提高了学生的实践动手能力。
3.2促进了探究式实验手段和启发式教学方法的有效融合
利用平台开展探究性实验教学，教师可以引导学生积极参与到课堂教学中来，真实有效地发挥学生在课堂中的主体地位。这样不仅能够极大地提升学生的学习效率，而且有利于调动学生学习的主动性和积极性。探究式实验手段和启发式教学方法的有效融合有助于培养学生的科学作风和科学态度，尤其在培养学生掌握科学的观察方法和创新能力上起着非常重要的作用。
以故障注入教学为例，教师对同一学习任务设置不同的故障点，引导学生发现问题并提出问题，对故障点进行理论分析，然后通过教学平台配备的故障诊断接口，利用符合J1939和ISO15765的通用诊断仪进行故障诊断和排除。采用翻转课堂的形式，让学生对故障点的分析和排除过程进行讲解，增加学生的参与度，提高学生学习的主动性。
平台的应用，促进了探究式实验手段和启发式教学方法的有效融合，使学生在发现问题、提出问题、解决问题的过程中，培养学生自主探究意识和自主创新能力，激发了学生的学习兴趣，有效提高了教学质量。
4、结语
平台的应用，实现了理论教学与实践教学的有机结合以及探究式实验手段和启发式教学方法的有效融合，不仅使学生深刻理解和掌握了理论知识，更加突出了实践技能训练，培养了学生的自主探究意识和自主创新能力。该平台的教学应用在很大程度上激发了学生的学习动力和兴趣，推动了教学过程中师生的互动交流，增强了学生的专业综合技能与合作探究能力。