儲能電池生產(chǎn)與裝配虛擬虛擬仿真實訓室

技術方案

一、項目概述

在全球能源結(jié)構加速轉(zhuǎn)型、“雙碳" 目標的大背景下，儲能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，對專業(yè)技術人才的需求與日俱增。然而，傳統(tǒng)教學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。本虛擬仿真實訓室項目旨在運用先進的虛擬仿真技術，構建高度逼真的儲能電池生產(chǎn)與裝配虛擬環(huán)境，為學習者提供沉浸式實踐體驗，使其熟練掌握關鍵生產(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，推動儲能技術創(chuàng)新與應用，為儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供堅實的人才支撐。

二、實驗教學設計

（一）教學理念

以問題導向、任務驅(qū)動和情境教學為核心理念。設置源于實際生產(chǎn)的問題，引導學生在虛擬環(huán)境中探索解決方案；以具體生產(chǎn)任務為牽引，促使學生完成操作并掌握技能；構建逼真虛擬生產(chǎn)環(huán)境，讓學生身臨其境地感受工作氛圍，增強學習效果。

（二）教學內(nèi)容設計

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)設計詳細的實驗項目，如在電池材料制備環(huán)節(jié)，學生可操作虛擬設備進行原材料預處理、混合等操作，并觀察材料性能變化；在電池檢測環(huán)節(jié)，學生學習使用各類檢測設備對電芯進行容量、內(nèi)阻和安全性測試等。

（三）教學方法

采用自主學習、協(xié)作學習與探究式學習相結(jié)合的方式。學生可自主操作虛擬仿真系統(tǒng)，熟悉生產(chǎn)流程和設備操作；以小組形式開展協(xié)作學習，共同完成復雜生產(chǎn)任務，培養(yǎng)團隊協(xié)作能力；通過探究式學習，鼓勵學生在虛擬環(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，將生產(chǎn)流程以直觀的方式呈現(xiàn)，學生可清晰觀察物料流動和設備運行，深入理解生產(chǎn)工藝原理。

（二）設備操作仿真功能

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

（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)。學生學習質(zhì)量控制標準和方法，通過虛擬檢測設備對電池材料、半成品和成品進行檢測，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限，教師能創(chuàng)建和管理實驗項目、發(fā)布實驗任務，學生可在線選擇實驗項目、查看實驗指導和提交實驗報告。系統(tǒng)還能對實驗數(shù)據(jù)進行存儲、分析和管理，為教學評估提供依據(jù)。

（五）教學評價與學習分析功能

采集學生學習行為數(shù)據(jù)，包括操作時間、步驟、結(jié)果等，從知識掌握度、技能提升度和學習滿意度等方面評估學習效果。為教師提供教學反饋，幫助教師了解學生學習情況，調(diào)整教學策略；為學生提供個性化學習指導，促進學生學習進步。

四、系統(tǒng)組成

（一）硬件設備

1．計算機設備：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。為學生提供沉浸式虛擬體驗和虛實結(jié)合的學習環(huán)境。

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

4．服務器：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)。負責數(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、權限管理、設備管理、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）測試指標體系

涵蓋功能性、性能、用戶體驗、教學效果和安全性等方面。功能性測試包括功能完整性、操作準確性和數(shù)據(jù)準確性；性能測試包含響應時間、并發(fā)能力、資源占用和穩(wěn)定性；用戶體驗測試關注界面友好度、操作便捷性和學習曲線；教學效果評估涉及知識掌握度、技能提升度和學習滿意度；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)人員修復問題后進行回歸測試；性能測試確定目標指標，選擇合適工具，設計測試場景，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；教學效果評估在學生使用系統(tǒng)前后進行知識和技能測試，并開展問卷調(diào)查。

六、系統(tǒng)實施與售后服務

（一）系統(tǒng)實施

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

（二）培訓服務

成立專業(yè)技術培訓隊伍，為高校教師和學生提供系統(tǒng)培訓。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

提供自驗收交付之日起 2 年的免費維護服務。設立專門的服務熱線，及時響應高校的技術咨詢和問題反饋。一般性問題1小時內(nèi)反饋意見，8小時內(nèi)解決；復雜問題 3 個工作日內(nèi)給出解決方案。根據(jù)需要，提供遠程維護或上門服務，并在服務后進行回訪，確保高校滿意。