遠程教育模式下機電專業實驗環節改革的探索

摘 要 遠程教育中機電專業學習者日益增多，如何完成基于網絡教育的實驗環節是當下研究的熱點。通過具體案例，從不同的層次上剖析常用的遠程實驗開發方法，對機電專業的實踐進行探索。這些開發的教學實驗案例目前已用于實際遠程教學中。

關鍵詞 遠程教育 虛擬實驗 教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

1 遠程模式下機電實驗的新難題

信息傳播技術的充分發展，改變了傳統的教學模式，遠程教育模式因其獨有的特點日漸成為成人教育中的主要模式。目前現代遠程教育發展的主流是網絡教育，它是一種利用計算機技術、網絡技術和通信技術進行知識傳輸和知識學習的新型教育形式，將社會的先進技術應用于遠程教育。

教育是為了社會的需求提供服務的，近年來，機電類工科人才已成為社會緊缺人才，報讀工科專業的學習者越來越多。眾所周知，實踐環節是很多機電類課程必須的教學環節，需要專用的實驗設備。如何在遠程教育模式下完成工科實驗環節已成為教育改革中的研究熱點。在此，以機電專業為例，探討遠程實驗環境的開發策略。

2 不同層次的虛擬實驗

網絡技術推動了現代的仿真技術的飛速發展，應用的范圍也極為廣泛，在教學實驗領域也越來越受到重視，尤其在非計算機的工科類教學過程中。利用IT技術開發出運行于計算機內部并能在網絡上傳輸、交互的虛擬實驗環境，是解決工科類部分實驗的新型方法，而且能達到高效價廉的目的，正好符合了遠程教育的特征要求，這為遠程教學機電實驗設計環節帶來了新的解決方案。

具體的虛擬實驗要根據具體機電課程教學要求選擇不同的方案。根據上海電大多年的遠程教學探索，仿真實驗主要表現在以下幾種層次。最簡單的人機互動的模式是通過網頁展現實驗內容，學生根據實驗流程和要求完成操作，例如為“組合機床概論”課程教學開發的“機床組裝”人機交互實驗，學習者通過點擊、移動某些機床部件，完成機床的組裝，如果順序出錯，將會報錯提示。

虛擬仿真模式的實驗也可以通過遠程網絡來實現。通過網頁開發三維虛擬的實驗設備，學習者根據控制要求編寫控制程序，采用程序后，具體的設備動作可根據程序來運動，讓學習者對所采用的指令有一個直接的感官認識。根據實驗復雜程度，可以分為動作仿真實驗和現實場景仿真實驗，前者只要求實驗的動作觸發、運動到位等就可以了，例如下文中的可編程控制器工程仿真實驗，而后者則不僅包括了動作要求，還要求包含動力學分析功能，甚至要求包含熱分析、流場分析、磁場分析、電場分析、聲場分析等非結構場的分析等內容，例如汽車設計過程中的有線元分析、碰撞模擬，虛擬樣機等，就包含了類似現實的完全模擬。

純仿真的虛擬實驗不需要與實際設備相連，側重在一些動作或場景的完成上。而有些深度的仿真實驗需要虛實結合，即控制指令可通過網絡傳達到遠程實驗室，操作具體的設備和器材。

3 遠程實驗設計案例

本文以機電實用技術專業中一些課程為例，來對遠程教學過程中虛擬實驗的開發進行說明，這些實驗已適用在我們的遠程教學中，并取得了良好的教學效果。

3.1 動作虛擬實驗

“數控機床編程”課程的實踐環節比重極高，學習時如果能將一些基本指令直接在數控機床上運行，并觀察相應動作，則這部分知識容易被牢牢掌握。但因設備昂貴、龐大等諸多原因，給遠程教學帶來極大的難題。為了簡化問題，開發團隊考慮到指令學習時一般以動作為主要掌握對象，因此，采用三維虛擬設備開發了針對數控指令的相應虛擬“數控機床”。

例如，“G02”、“G03”均表示執行銑刀的圓弧插補走刀過程，前者是順指針圓弧插補，后者則是逆時針圓弧插補，使用不同的指令后續程序設計則完全不一樣。為了更好說明問題，虛擬“數控機床”根據會根據不同程序來執行相應動作，如圖1所示，（a）（b）兩圖分別表示了G02和G03的銑刀執行過程，最后銑削出的圖形相同，但走刀過程完全不一樣。

這樣，配上適當的加工動作演示實驗，就算不能接觸到實際的數控機床，學生們通過虛擬動作過程，也能順利地掌握每條指令所代表的實際意義，教學效果明顯得到提高。

3.2 工程虛擬實驗

某些課程的教學需要有控制對象，例如某大型設備、某生產流水線等，這在傳統教學也是不容易解決的難題。遠程教學中，創造一個虛擬的實驗環境來是我們亟待解決的問題。

圖2是使用WinCC為“PLC編程”課程實驗開發的控制對象仿真混合攪拌加熱爐。仿真混合攪拌加熱爐具有實際加熱爐的控制特點，這些控制點與實際PLC相連。當液位達到高位境界點時，會觸發與之相連的可變程控制器的輸出端，同樣，實際啟動PLC上某輸入點，會對仿真加熱爐進行相應的功能控制。這些仿真設備可連接上實際的PLC，學習者可根據不同的控制的對象，驗證所編的控制程序。

4 小結

傳統的工科實驗需要統一安排時間組織學員們到現場進行實驗，造成了時間、空間等的約束，這在遠程教育模式下難以實現；為解決這一難題，本文從不同層次上探討了利用仿真技術開發機電專業的遠程實的教學改革。實踐證明，虛擬實驗是遠程教學中勢在必行的有效途徑。

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