儲能電池生產(chǎn)與裝配虛擬虛擬仿真實訓(xùn)室

技術(shù)方案

一、項目概述

在全球能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型、“雙碳" 目標(biāo)的大背景下，儲能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，對專業(yè)技術(shù)人才的需求與日俱增。然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式在滿足儲能電池生產(chǎn)與裝配人才培養(yǎng)需求方面存在諸多局限。本虛擬仿真實訓(xùn)室項目旨在運用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建高度逼真的儲能電池生產(chǎn)與裝配虛擬環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供沉浸式實踐體驗，使其熟練掌握關(guān)鍵生產(chǎn)技能和質(zhì)量控制方法，有效解決產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)難題，推動儲能技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，為儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅實的人才支撐。

二、實驗教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)理念

以問題導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動和情境教學(xué)為核心理念。設(shè)置源于實際生產(chǎn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中探索解決方案；以具體生產(chǎn)任務(wù)為牽引，促使學(xué)生完成操作并掌握技能；構(gòu)建逼真虛擬生產(chǎn)環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境地感受工作氛圍，增強學(xué)習(xí)效果。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

涵蓋儲能電池生產(chǎn)全流程，包括電池材料制備、極片制作、電池組裝、電池檢測與分選、電池包組裝等環(huán)節(jié)。針對每個環(huán)節(jié)設(shè)計詳細(xì)的實驗項目，如在電池材料制備環(huán)節(jié)，學(xué)生可操作虛擬設(shè)備進(jìn)行原材料預(yù)處理、混合等操作，并觀察材料性能變化；在電池檢測環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)使用各類檢測設(shè)備對電芯進(jìn)行容量、內(nèi)阻和安全性測試等。

（三）教學(xué)方法

采用自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)與探究式學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式。學(xué)生可自主操作虛擬仿真系統(tǒng)，熟悉生產(chǎn)流程和設(shè)備操作；以小組形式開展協(xié)作學(xué)習(xí)，共同完成復(fù)雜生產(chǎn)任務(wù)，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作能力；通過探究式學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生在虛擬環(huán)境中嘗試不同工藝參數(shù)和操作方法，探索最佳生產(chǎn)方案，提升創(chuàng)新能力。

三、系統(tǒng)功能

（一）工藝流程仿真功能

精確模擬鋰離子電池生產(chǎn)全過程，從原材料處理到最終產(chǎn)品組裝，每個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)、操作步驟和質(zhì)量控制點都高度還原。通過三維建模與可視化技術(shù)，將生產(chǎn)流程以直觀的方式呈現(xiàn)，學(xué)生可清晰觀察物料流動和設(shè)備運行，深入理解生產(chǎn)工藝原理。

（二）設(shè)備操作仿真功能

對涂布機、輥壓機、焊接設(shè)備等關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行操作模擬。學(xué)生可在虛擬環(huán)境中練習(xí)設(shè)備的啟動、停止、參數(shù)調(diào)整等操作，系統(tǒng)實時反饋設(shè)備運行狀態(tài)和操作結(jié)果，模擬真實操作手感和反饋效果，幫助學(xué)生掌握設(shè)備使用和維護(hù)技能，避免實際操作中的設(shè)備損壞和安全事故。

（三）質(zhì)量控制仿真功能

模擬來料檢驗、過程檢驗、成品檢驗等質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和方法，通過虛擬檢測設(shè)備對電池材料、半成品和成品進(jìn)行檢測，識別質(zhì)量問題并掌握處理技能，提高質(zhì)量意識和質(zhì)量管理能力。

（四）虛擬實驗室管理功能

具備用戶管理、課程管理、實驗管理、數(shù)據(jù)管理等功能。管理員可管理用戶信息和權(quán)限，教師能創(chuàng)建和管理實驗項目、發(fā)布實驗任務(wù)，學(xué)生可在線選擇實驗項目、查看實驗指導(dǎo)和提交實驗報告。系統(tǒng)還能對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和管理，為教學(xué)評估提供依據(jù)。

（五）教學(xué)評價與學(xué)習(xí)分析功能

采集學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，包括操作時間、步驟、結(jié)果等，從知識掌握度、技能提升度和學(xué)習(xí)滿意度等方面評估學(xué)習(xí)效果。為教師提供教學(xué)反饋，幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，調(diào)整教學(xué)策略；為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)步。

四、系統(tǒng)組成

（一）硬件設(shè)備

1．計算機設(shè)備：選用高性能臺式機，CPU 為 Intel Core i7 - 9700K 或以上，內(nèi)存 32GB DDR4 3200MHz，顯卡 NVIDIA GeForce RTX 2070 Super 或以上，硬盤 1TB NVMe SSD。具備強大計算和圖形處理能力，保障虛擬環(huán)境流暢運行和逼真顯示。

2．VR/AR 頭顯：VR 頭顯可選 HTC Vive Pro 2 或 Oculus Rift S，單眼分辨率 2448 x 2448 像素或以上，刷新率 120Hz 或以上，視場角 120 度或以上；AR 設(shè)備選擇支持 AR 功能的智能手機或平板電腦，配備高精度攝像頭和傳感器。為學(xué)生提供沉浸式虛擬體驗和虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3．傳感器與交互設(shè)備：配備動作捕捉系統(tǒng)、VR 手柄、觸摸屏等。傳感器采集學(xué)生動作和姿態(tài)信息，實現(xiàn)精準(zhǔn)人機交互；VR 手柄用于在虛擬環(huán)境中操作設(shè)備；觸摸屏方便學(xué)生在虛擬實驗室管理系統(tǒng)中進(jìn)行操作和控制。

4．服務(wù)器：配置 Intel Xeon E5 - 2680 v4 或以上 CPU，64GB DDR4 2400MHz 內(nèi)存，2TB SATA SSD 硬盤，采用千兆以太網(wǎng)。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、邏輯運算和存儲，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)可靠傳輸。

（二）軟件系統(tǒng)

1．三維建模軟件：如 3D Max、Maya、Blender 等，用于創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的設(shè)備、場景和產(chǎn)品模型，為虛擬仿真提供逼真視覺效果。

2．物理引擎：采用 Unity3D 自帶的 PhysX 引擎或 Unreal Engine 自帶的 Chaos 引擎，模擬虛擬環(huán)境中的物理現(xiàn)象，使學(xué)生感受真實操作體驗。

3．數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：選用 MySQL 8.0 或以上版本，搭配 MySQL Workbench 功能模塊，實現(xiàn)對虛擬仿真系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的存儲、管理和查詢。

4．虛擬實驗室管理系統(tǒng)：根據(jù)實際需求定制開發(fā)，包含用戶管理、權(quán)限管理、設(shè)備管理、實驗管理等功能模塊，實現(xiàn)對虛擬實驗室的統(tǒng)一管理和調(diào)度。

五、系統(tǒng)性能測試

（一）測試指標(biāo)體系

涵蓋功能性、性能、用戶體驗、教學(xué)效果和安全性等方面。功能性測試包括功能完整性、操作準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；性能測試包含響應(yīng)時間、并發(fā)能力、資源占用和穩(wěn)定性；用戶體驗測試關(guān)注界面友好度、操作便捷性和學(xué)習(xí)曲線；教學(xué)效果評估涉及知識掌握度、技能提升度和學(xué)習(xí)滿意度；安全性測試評估數(shù)據(jù)安全和訪問控制。

（二）測試方法與流程

功能測試通過制定詳細(xì)測試用例，由測試人員執(zhí)行測試、記錄結(jié)果，開發(fā)人員修復(fù)問題后進(jìn)行回歸測試；性能測試確定目標(biāo)指標(biāo)，選擇合適工具，設(shè)計測試場景，分析結(jié)果并優(yōu)化系統(tǒng)；用戶體驗測試招募不同背景用戶參與，觀察操作過程、訪談收集反饋；教學(xué)效果評估在學(xué)生使用系統(tǒng)前后進(jìn)行知識和技能測試，并開展問卷調(diào)查。

六、系統(tǒng)實施與售后服務(wù)

（一）系統(tǒng)實施

根據(jù)高校的實際需求和場地條件，進(jìn)行系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和部署。為高校提供設(shè)備選型建議，確保硬件設(shè)施滿足系統(tǒng)運行要求。

（二）培訓(xùn)服務(wù)

成立專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)隊伍，為高校教師和學(xué)生提供系統(tǒng)培訓(xùn)。內(nèi)容包括系統(tǒng)的基本原理、操作使用方法、實驗項目開展流程、常見故障排除等，幫助師生快速掌握系統(tǒng)使用技巧。

（三）售后服務(wù)

提供自驗收交付之日起 2 年的免費維護(hù)服務(wù)。設(shè)立專門的服務(wù)熱線，及時響應(yīng)高校的技術(shù)咨詢和問題反饋。一般性問題1小時內(nèi)反饋意見，8小時內(nèi)解決；復(fù)雜問題 3 個工作日內(nèi)給出解決方案。根據(jù)需要，提供遠(yuǎn)程維護(hù)或上門服務(wù)，并在服務(wù)后進(jìn)行回訪，確保高校滿意。