儲能電池生產與裝配虛擬虛擬仿真實訓室

技術方案

一、項目概述

在全球能源結構加速轉型、“雙碳" 目標的大背景下，儲能產業蓬勃發展，對專業技術人才的需求與日俱增。然而，傳統教學模式在滿足儲能電池生產與裝配人才培養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與裝配虛擬環境，為學習者提供沉浸式實踐體驗，使其熟練掌握關鍵生產技能和質量控制方法，有效解決產業人才培養難題，推動儲能技術創新與應用，為儲能產業發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、任務驅動和情境教學為核心理念。設置源于實際生產的問題，引導學生在虛擬環境中探索解決方案；以具體生產任務為牽引，促使學生完成操作并掌握技能；構建逼真虛擬生產環境，讓學生身臨其境地感受工作氛圍，增強學習效果。

（二）教學內容設計

涵蓋儲能電池生產全流程，包括電池材料制備、極片制作、電池組裝、電池檢測與分選、電池包組裝等環節。針對每個環節設計詳細的實驗項目，如在電池材料制備環節，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；在電池檢測環節，學生學習使用各類檢測設備對電芯進行容量、內阻和安全性測試等。

（三）教學方法

采用自主學習、協作學習與探究式學習相結合的方式。學生可自主操作虛擬仿真系統，熟悉生產流程和設備操作；以小組形式開展協作學習，共同完成復雜生產任務，培養團隊協作能力；通過探究式學習，鼓勵學生在虛擬環境中嘗試不同工藝參數和操作方法，探索最佳生產方案，提升創新能力。

三、系統功能

（一）工藝流程仿真功能

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

（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設備進行操作模擬。學生可在虛擬環境中練習設備的啟動、停止、參數調整等操作，系統實時反饋設備運行狀態和操作結果，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）質量控制仿真功能

模擬來料檢驗、過程檢驗、成品檢驗等質量控制環節。學生學習質量控制標準和方法，通過虛擬檢測設備對電池材料、半成品和成品進行檢測，識別質量問題并掌握處理技能，提高質量意識和質量管理能力。

（四）虛擬實驗室管理功能

具備用戶管理、課程管理、實驗管理、數據管理等功能。管理員可管理用戶信息和權限，教師能創建和管理實驗項目、發布實驗任務，學生可在線選擇實驗項目、查看實驗指導和提交實驗報告。系統還能對實驗數據進行存儲、分析和管理，為教學評估提供依據。

（五）教學評價與學習分析功能

采集學生學習行為數據，包括操作時間、步驟、結果等，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合的學習環境。

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

4．服務器：配置 Intel Xeon E5 - 2680 v4 或以上 CPU，64GB DDR4 2400MHz 內存，2TB SATA SSD 硬盤，采用千兆以太網。負責數據處理、邏輯運算和存儲，保障系統穩定運行和數據可靠傳輸。

（二）軟件系統

1．三維建模軟件：如 3D Max、Maya、Blender 等，用于創建虛擬環境中的設備、場景和產品模型，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，模擬虛擬環境中的物理現象，使學生感受真實操作體驗。

3．數據管理系統：選用 MySQL 8.0 或以上版本，搭配 MySQL Workbench 功能模塊，實現對虛擬仿真系統各類數據的存儲、管理和查詢。

4．虛擬實驗室管理系統：根據實際需求定制開發，包含用戶管理、權限管理、設備管理、實驗管理等功能模塊，實現對虛擬實驗室的統一管理和調度。

五、系統性能測試

（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、操作準確性和數據準確性；性能測試包含響應時間、并發能力、資源占用和穩定性；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；安全性測試評估數據安全和訪問控制。

（二）測試方法與流程

功能測試通過制定詳細測試用例，由測試人員執行測試、記錄結果，開發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，分析結果并優化系統；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前后進行知識和技能測試，并開展問卷調查。

六、系統實施與售后服務

（一）系統實施

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

（二）培訓服務

成立專業技術培訓隊伍，為高校教師和學生提供系統培訓。內容包括系統的基本原理、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小時內反饋意見，8小時內解決；復雜問題 3 個工作日內給出解決方案。根據需要，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。