基于云仿真平臺(tái)的理虛實(shí)一體課程改革實(shí)踐

呂家將

九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007

1 理虛實(shí)一體教學(xué)概念

目前，“學(xué)做一體”的理實(shí)一體化教學(xué)模式已基本替代了理論加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的傳統(tǒng)教學(xué)模式，教學(xué)效果得到認(rèn)同[1]。但也暴露出設(shè)備投資大、更新升級(jí)難、場地周轉(zhuǎn)難、安全隱患高、教學(xué)管理難等問題[2]。基于虛擬仿真技術(shù)，部分學(xué)者探索了“理虛實(shí)”一體化教學(xué)模式。“理虛實(shí)”一體化教學(xué)是在理實(shí)一體教學(xué)過程中導(dǎo)入虛擬仿真技術(shù)，以虛擬訓(xùn)練項(xiàng)目和實(shí)訓(xùn)工廠中的真實(shí)操作項(xiàng)目為載體，將理論講授與實(shí)訓(xùn)教學(xué)緊密銜接起來。學(xué)生通過虛擬項(xiàng)目訓(xùn)練對裝置、設(shè)備、工藝流程及操作產(chǎn)生一定認(rèn)識(shí)后進(jìn)入真實(shí)操作階段，進(jìn)一步強(qiáng)化專業(yè)技能[3]。

嚴(yán)水荷在理實(shí)一體教學(xué)基礎(chǔ)上，營建“多平臺(tái)互通、多資源共享”的信息化環(huán)境，構(gòu)建了“理虛實(shí)一體化”的中職會(huì)計(jì)信息化教學(xué)模式[4]；柯玲對基于德國“雙元制”的理虛實(shí)一體人才培養(yǎng)模式的框架和核心要素進(jìn)行了解讀，并在成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證[5]；葉向群探討了以云課堂和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件為代表的“理虛實(shí)”一體化教學(xué)思路的意義和發(fā)展方向[6]。

2 基于理虛實(shí)一體教學(xué)的PLC控制技術(shù)課程改革思路

傳統(tǒng)PLC控制技術(shù)教學(xué)一般劃分為理論學(xué)習(xí)和技能實(shí)訓(xùn)兩大部分。理論學(xué)習(xí)時(shí)，由于缺少及時(shí)訓(xùn)練，知識(shí)掌握不夠透徹，而技能實(shí)訓(xùn)時(shí)，又因?yàn)槔碚撝R(shí)掌握不夠，而感覺無從下手，教學(xué)效果不佳。目前，很多學(xué)校采取“學(xué)做一體”教學(xué)方式，讓學(xué)生在任務(wù)完成過程中，加深對知識(shí)點(diǎn)的理解，及時(shí)掌握所學(xué)內(nèi)容，但存在“教師管理老大難、學(xué)生參與靠自覺、教學(xué)效果看個(gè)人”的情況。另外，目前PLC教材存在過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)體系的齊備、重點(diǎn)不夠突出、案例工程性偏弱、任務(wù)驅(qū)動(dòng)力度不徹底等問題。針對上述問題，確定了PLC控制技術(shù)課程教學(xué)改革思路。

第一，緊扣崗位技能標(biāo)準(zhǔn)確定課程內(nèi)容，提高課程內(nèi)容的先進(jìn)性和實(shí)用性。

第二，任務(wù)驅(qū)動(dòng)形式組織教學(xué)內(nèi)容，且任務(wù)載體應(yīng)為學(xué)生易理解、趣味性強(qiáng)或具有工程特性的，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)從了解知識(shí)到應(yīng)用知識(shí)的轉(zhuǎn)變。

第三，開發(fā)云仿真平臺(tái)，解決PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備不足和實(shí)踐教學(xué)組織與評(píng)價(jià)困難的問題，拓展學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間維度。

第四，精心打磨顆粒化數(shù)字資源，實(shí)施基于云仿真平臺(tái)的理虛實(shí)一體課程教學(xué)。

3 基于理虛實(shí)一體教學(xué)的PLC控制技術(shù)課程改革具體舉措

3.1 課程內(nèi)容與載體選擇

分析機(jī)電設(shè)備裝調(diào)崗位中PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試典型工作任務(wù)，遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，按照由淺入深、由簡單到復(fù)雜的原則，分解并優(yōu)選PLC編程典型環(huán)節(jié)，認(rèn)真分析PLC教學(xué)需要掌握的知識(shí)和技能點(diǎn)。課程內(nèi)容分為四大模塊，一為基本指令篇，包括觸點(diǎn)、線圈、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等邏輯控制內(nèi)容；二為功能指令篇，包括傳送類、比較類和運(yùn)算類功能指令等數(shù)據(jù)處理內(nèi)容；三為狀態(tài)編程篇，包括順控編程思路、狀態(tài)流程圖、SFC編程格式等內(nèi)容；四是拓展應(yīng)用篇，包括模擬量編程、高速脈沖輸出等實(shí)際工業(yè)設(shè)備PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

根據(jù)貼近工程實(shí)際和便于技能訓(xùn)練的需求，從經(jīng)典編程案例、企業(yè)工程項(xiàng)目分解和技能競賽內(nèi)容教學(xué)化改造等幾方面考慮，優(yōu)選任務(wù)載體。如“競賽搶答器控制”和“交通燈控制”為學(xué)生熟悉的經(jīng)典編程案例，便于學(xué)生理解，提高學(xué)生興趣。“設(shè)備三色燈控制”“生產(chǎn)線產(chǎn)品分揀控制”則為企業(yè)工程項(xiàng)目分解案例，幫助學(xué)生提前熟悉工業(yè)控制環(huán)節(jié)。“智能料倉出料控制”和“成品入庫堆垛機(jī)控制”則是對技能競賽內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)化改造的案例，旨在提升學(xué)生編程水平。

3.2 PLC控制云仿真平臺(tái)搭建

基于VPN技術(shù)，校企聯(lián)合開發(fā)云仿真平臺(tái)，如圖1所示。以云服務(wù)的形式提供配套在線仿真訓(xùn)練資源，用戶可以像擁有實(shí)際硬件那樣進(jìn)行PLC編程控制、硬件接線等操作。遵循PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，每個(gè)仿真資源包含4個(gè)仿真環(huán)節(jié)：控制要求、I/O端口分配、電路設(shè)計(jì)和編程驗(yàn)證。

控制要求環(huán)節(jié)如圖1（a）所示，提供仿真場景，明確控制對象和任務(wù)，并通過仿真動(dòng)畫的形式，將最終需要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)直觀表達(dá)。

I/O端口分配環(huán)節(jié)如圖1（b）所示，用戶根據(jù)控制要求自定義分配輸入/輸出元器件名稱和PLC輸入/輸出端地址。

電氣設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如圖1（c）所示，提供各種虛擬控制器件，如PLC、電源、按鈕和電動(dòng)機(jī)等。用戶可通過左邊的元件導(dǎo)航區(qū)自由選擇元件符號(hào)，并自由拖拽到平面場景中，元件可根據(jù)需要進(jìn)行單獨(dú)的縮放操作，還可查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，清楚元件原理和觸點(diǎn)布置。元件擺放完成后，通過點(diǎn)擊元件的相應(yīng)端口進(jìn)行連線。

編程驗(yàn)證環(huán)節(jié)如圖1（d）所示，將PLC程序?qū)懭朐破脚_(tái)的PLC后，點(diǎn)擊左側(cè)控制面板中的按鈕等元器件，場景中的動(dòng)畫做出相應(yīng)動(dòng)作，同時(shí)右側(cè)“端口狀態(tài)顯示”欄的信息將實(shí)時(shí)更新。

3.3 基于云仿真平臺(tái)的理虛實(shí)一體教學(xué)實(shí)踐

利用課程配套的在線開放課和云仿真平臺(tái)，課程教學(xué)基本流程以“三相異步電機(jī)點(diǎn)長動(dòng)控制”為例，說明其詳細(xì)教學(xué)過程。課前，教師在線發(fā)布預(yù)習(xí)通告，讓學(xué)生觀看微課《PLC編程原則與注意事項(xiàng)》和《輔助繼電器M與點(diǎn)長動(dòng)控制編程思路》，通過測驗(yàn)分析其薄弱點(diǎn)及難點(diǎn)，便于課中能夠?qū)ΠY下藥、重點(diǎn)分析。課中，第一環(huán)節(jié)：分組匯報(bào)，問題引出。教師回顧點(diǎn)動(dòng)和長動(dòng)控制程序，學(xué)生小組討論優(yōu)化程序并匯報(bào)，教師點(diǎn)評(píng)各小組方案，并引出“雙線圈”問題。第二環(huán)節(jié)：理論學(xué)習(xí)，知識(shí)積累。從工作原理出發(fā)，教師分析“雙線圈”導(dǎo)致的后果，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對PLC工作原理的理解，并總結(jié)PLC編程特點(diǎn)、原則和注意事項(xiàng)，總結(jié)輔助繼電器M特點(diǎn)及其應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)M的中間轉(zhuǎn)換功能，初步描述點(diǎn)長動(dòng)控制編程思路。第三環(huán)節(jié)：平臺(tái)仿真，全員參與。教師示范點(diǎn)長動(dòng)控制任務(wù)仿真流程，并通過MINT云仿真平臺(tái)，布置仿真任務(wù)：I/O分配——編程驗(yàn)證。學(xué)生完成平臺(tái)任務(wù)并提交。第四環(huán)節(jié)：任務(wù)實(shí)踐，技能提升。示范實(shí)驗(yàn)箱PLC接線方法及PLC程序下載方法。學(xué)生分組，完成點(diǎn)長動(dòng)控制任務(wù)。第五環(huán)節(jié)：總結(jié)分析，重點(diǎn)強(qiáng)化。教師發(fā)布測驗(yàn)，摸底學(xué)生掌握程度。學(xué)生對課堂內(nèi)容和學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)，并分享學(xué)習(xí)心得。最后教師總結(jié)本次課教學(xué)內(nèi)容，并布置課后任務(wù)。課后，通過MINT云仿真平臺(tái)完成拓展任務(wù)，強(qiáng)化重點(diǎn)難點(diǎn)。

4 基于理虛實(shí)一體教學(xué)的PLC控制技術(shù)課程改革思考

配合在線公開課和校本教材，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電創(chuàng)新2001班實(shí)施了基于MINT云平臺(tái)的理虛實(shí)一體教學(xué)改革實(shí)踐。借助虛擬仿真手段，提供豐富的應(yīng)用場景和訓(xùn)練任務(wù)安排，解決PLC實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備不足和硬件教學(xué)組織困難的問題，明顯提升學(xué)生興趣，并能夠拓展學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間維度，教學(xué)反響良好。為保證理虛實(shí)一體教學(xué)的順利開展，下面幾點(diǎn)需要注意。

第一，合理安排課中與課后任務(wù)，保證教學(xué)內(nèi)容的完整性。

第二，云平臺(tái)、數(shù)字資源與教材需進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。且云平臺(tái)必須具備實(shí)訓(xùn)練習(xí)和管理功能，以確保每名學(xué)生都能夠參與教學(xué)活動(dòng)全過程。

第三，采用線上線下混合教學(xué)方法，考核貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過程。課前測驗(yàn)、課中過程考核、課后在線作業(yè)等多元化考核方式，幫助教師不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。