基于在線仿真的“機電控制”課程實踐教學(xué)研究

周 晶 陳永剛 劉云志

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

作為機械類專業(yè)重要的專業(yè)課，“機電控制”課程需要做很多實驗，以幫助學(xué)生掌握理論知識，提高學(xué)習(xí)興趣，而傳統(tǒng)“機電控制”課程中大多數(shù)為驗證性實驗，創(chuàng)新性不足，實驗內(nèi)容也受到場地、設(shè)備、學(xué)時等因素的制約。針對這些問題，上海交通大學(xué)付莊等提出了一種結(jié)合直播教學(xué)、教學(xué)管理和在線模擬的多維互動在線教學(xué)方法，除優(yōu)化教學(xué)互動方式與充分利用教學(xué)要素外，增設(shè)“云討論、云作業(yè)、云仿真和云答辯”的考核評價體系［1］。寧波大學(xué)季林丹等結(jié)合疫情期間課程團隊在醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)虛擬模擬實驗項目建設(shè)和教學(xué)應(yīng)用中的經(jīng)驗，闡述了醫(yī)學(xué)虛擬模擬實驗建設(shè)的必要性及其廣泛應(yīng)用的可行性［2］。暨南大學(xué)印尤強等為應(yīng)對疫情對高校實驗教學(xué)的影響，依托“實驗空間”虛擬模擬實驗項目和教學(xué)資源，積極開展生物學(xué)實驗在線教學(xué)探索和實踐，確保實驗課程內(nèi)容和質(zhì)量［3］。

1 傳統(tǒng)實驗分析

在傳統(tǒng)的“機電控制”課程中使用的實訓(xùn)平臺占地大、價格高、維護不易，而且學(xué)生在動手操作的過程中需進行電氣連線，存在安全隱患，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，測試臺內(nèi)的插孔與可編程控制器接口之間的連接脫落后，很容易斷路。測試臺內(nèi)部的電源或信號源若存在故障，無法通過外表進行檢查，需要拆下測試臺的面板，以檢查內(nèi)部電路是否損壞。工作過程很復(fù)雜，需要很長時間。

第二，實驗操作模式單一，連接工作量小且枯燥。當(dāng)在機電控制實訓(xùn)平臺上操作時，學(xué)生根據(jù)實驗指南中提供的實驗步驟，使用專用電線插頭連接實驗面板上的相應(yīng)節(jié)點。最終的實驗工作與實際設(shè)備的外觀和性能有很大的不同；此外，插頭的相對位置是固定的，留給學(xué)生自行設(shè)計布局的操作空間有限，限制了學(xué)生的創(chuàng)新意識，其無法自由發(fā)揮。

第三，在特殊情況下，比如疫情期間，開展線上教學(xué)，學(xué)生不能回校參加動手操作的實踐練習(xí)，僅僅依靠線上直播學(xué)習(xí)理論知識，難以理解實際的機電控制設(shè)備運行狀況，原有的仿真軟件需要加密鎖，只適合在機房內(nèi)使用，不適合線上教學(xué)，效果不理想［4］。

2 “雙實一虛”實驗改革內(nèi)容

虛擬仿真實驗教學(xué)項目是教育部近幾年推出的五類“金課”之一，是為了在真實實驗條件涉及高危環(huán)境、成本高、消耗大的綜合性訓(xùn)練時，為學(xué)生提供安全性高、可靠性好、成本合適的實訓(xùn)項目。之前虛擬仿真技術(shù)在高職院校中的應(yīng)用多見于上課時的輔助教學(xué)工具，在2020年初新冠疫情嚴重影響教學(xué)的時候，虛擬仿真實驗教學(xué)為高校教學(xué)計劃的順利完成提供了重要支撐。提升線上教學(xué)質(zhì)量對于實踐操作較多的高職工科課程是一個極大的挑戰(zhàn)［5］。

2.1 構(gòu)建多元化學(xué)習(xí)環(huán)境

精簡升級實驗項目，突出工程背景，跨界攜手協(xié)同育人。真實、開放、多元化的學(xué)習(xí)環(huán)境更有利于解放和發(fā)展人的創(chuàng)造力，摒棄單純的驗證及枯燥、落伍的實驗內(nèi)容，每次課的實驗學(xué)時根據(jù)實驗內(nèi)容有所調(diào)整，從1學(xué)時到3學(xué)時。利用已經(jīng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，以及虛擬仿真軟件，采用從理論到實踐、從虛擬到現(xiàn)實的線上+線下的方式同步開展實驗，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升實驗效率［6］。

“雙實一虛”的實驗內(nèi)容對接課程，融合創(chuàng)新理論知識。實驗指導(dǎo)書體現(xiàn)知識性、新穎性和靈活性，按照班級學(xué)生的實際知識與技能水平確定實驗難易程度，開發(fā)拓展項目，實施分層教學(xué)。

采用來自企業(yè)的真實機電設(shè)備案例，突出工程性。于實踐案例中融入課本上的理論知識，并通過優(yōu)化參數(shù)、組合功能使案例更適合教學(xué)使用，加強內(nèi)涵建設(shè)，進一步擴大使用范圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其樂于動手操作，創(chuàng)新活躍思維。探索開展層次遞進型實驗方案，穩(wěn)步提升實驗難度。在設(shè)計實驗方案時，包含的課程知識點逐步增多、難度遞增，能夠充分引起學(xué)生自主探究的求知欲。

“雙實”包括實驗和實訓(xùn)兩種實踐教學(xué)形式，“一虛”是指虛擬模擬。通過相關(guān)知識和技能的交叉互補，形成了“電路設(shè)計與仿真”“元件連接與調(diào)試”“動手操作與參數(shù)測試”的有效融合。實驗過程如圖1所示［7］。

圖1 “機電控制”課程的“雙實一虛”實驗流程

教師在上課前首先明確實驗任務(wù)及工程背景，在學(xué)習(xí)平臺上發(fā)布任務(wù)，學(xué)生觀看實驗指導(dǎo)視頻，開展預(yù)習(xí)。上課時，學(xué)生上實訓(xùn)平臺運行仿真軟件，確定器件參數(shù)和控制程序，開展設(shè)備裝調(diào)，進行實驗測試、預(yù)設(shè)故障分析及排除，遇到不懂的問題，再次查看故障現(xiàn)象和分析的輔助教學(xué)視頻。課后，學(xué)生整理實驗測試、過程記錄，撰寫并提交實驗報告；教師針對實驗報告中出現(xiàn)的問題，反饋指導(dǎo)學(xué)生，改進實驗方法。

2.2 多維立體教學(xué)模式

課程的教學(xué)強調(diào)關(guān)注學(xué)生的進步和發(fā)展，并堅持以“以學(xué)生為中心、以結(jié)果為導(dǎo)向”的教學(xué)理念來設(shè)計每個單元的教學(xué)。課程內(nèi)容以充分性和適用性為原則，突出實踐應(yīng)用，注重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，加強學(xué)生的實踐能力。根據(jù)機械設(shè)備檢查、維護、銷售和技術(shù)服務(wù)的需要，在閱讀和分析電路圖、組裝和調(diào)試機電設(shè)備等典型工作任務(wù)后，總結(jié)針對機械設(shè)備生產(chǎn)、組裝、調(diào)試、測試和維護所需能力要求設(shè)置的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，按學(xué)習(xí)領(lǐng)域進行知識和技能的整合，以項目為導(dǎo)向，用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，力求體現(xiàn)“做中學(xué)”“學(xué)中做”的教學(xué)理念，強調(diào)學(xué)生的主體性學(xué)習(xí)。整個教學(xué)過程與信息技術(shù)相結(jié)合，縮短了教學(xué)時間，整合了更多的實踐練習(xí)，從而提高了教學(xué)效果和效率。

在互動活動流程中以學(xué)生為中心，多角度、多層次地實現(xiàn)學(xué)生與學(xué)生互動、學(xué)生與教師互動。教師在實踐性課程的線上教學(xué)過程中，需要重點思考優(yōu)化教學(xué)互動的方式和與學(xué)習(xí)有關(guān)的教學(xué)要素，這些將直接影響到能否產(chǎn)生教學(xué)共振和線上教學(xué)的效果。

課程以成果導(dǎo)向教學(xué)為基礎(chǔ)，每個學(xué)習(xí)項目都要求學(xué)生完成元件選擇、電路設(shè)計、安裝和調(diào)試等各項工作，每個工作任務(wù)都對應(yīng)于工作崗位上的典型工作任務(wù)。在完成相應(yīng)的工作任務(wù)的同時，學(xué)生可以達到知識、技能和素質(zhì)目標。通過對工程作品的創(chuàng)新設(shè)計和對控制過程的持續(xù)優(yōu)化，學(xué)生可以進一步理解創(chuàng)新和精益求精等精神內(nèi)涵。

選擇合適的虛擬仿真軟件，結(jié)合東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院實際應(yīng)用的實驗平臺，用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的教學(xué)模式，結(jié)合企業(yè)的工程實際項目，整合優(yōu)化教學(xué)資源、技術(shù)資源和教學(xué)實施流程，開發(fā)應(yīng)用型虛擬實訓(xùn)項目，提升專業(yè)內(nèi)涵，提高教學(xué)質(zhì)量，讓每一個學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，成長為具有探索新知能力的新型人才。虛擬實訓(xùn)室的開發(fā)成果和經(jīng)驗，有相當(dāng)一部分可用于其他課程的實訓(xùn)建設(shè)，有著十分廣泛的應(yīng)用前景，項目研究具有深遠的現(xiàn)實意義和歷史意義［8］。

2.3 在線仿真實訓(xùn)平臺的開發(fā)

全方位建設(shè)立體、開放的在線機電控制實驗輔助教學(xué)資源，包括實驗指導(dǎo)課件、實驗操作視頻等，以便組織學(xué)生開展課前預(yù)習(xí)，并且能夠開展自主創(chuàng)新實驗，在線仿真實訓(xùn)平臺內(nèi)容如表1所示。

表1 在線虛擬仿真實訓(xùn)平臺內(nèi)容

在線仿真實訓(xùn)平臺分為四個模塊：機床電氣模塊、液壓氣動模塊、可編程序控制器（PLC）應(yīng)用模塊、電氣控制模塊。每個模塊包含多個實訓(xùn)內(nèi)容，比如機床電氣模塊，包含CA6140、X62W、M7130等多種不同型號的機床電氣控制線路安裝調(diào)試模塊，學(xué)生可以在仿真實訓(xùn)平臺上，按照實訓(xùn)要求選擇合適的元器件，虛擬安裝所需的電氣元件，通過電氣連接，實現(xiàn)機床功能，調(diào)試排除故障。每個元器件都是真實元件的數(shù)字孿生體，在外形和性能方面對應(yīng)匹配，并且配有萬用表、鉗表等測試工具，幫助學(xué)生搭建電氣回路。

在機電控制實驗中增加故障分析、綜合系統(tǒng)功能調(diào)試等訓(xùn)練操作，以減少訓(xùn)練時間，提高教學(xué)效果，強調(diào)啟發(fā)式教學(xué)。逐步增加專業(yè)針對性強、智能化程度高的新型專用儀器，在傳統(tǒng)的機電控制實訓(xùn)平臺上增加實時在線監(jiān)控裝置、網(wǎng)絡(luò)云存儲與提交實驗結(jié)果功能，校企合作進行新型智能機電控制實驗教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)，在實踐中豐富完善儀器的功能。

在實驗前進行獨立的預(yù)習(xí)、回路模擬和設(shè)計。在上“機電控制”課程實驗課之前，教師發(fā)布實驗任務(wù)，組織學(xué)生在課前使用仿真軟件設(shè)計、確定實驗過程中所需的元件模型和電路結(jié)構(gòu)，搭建實驗回路的仿真設(shè)計圖。教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上發(fā)布與實驗相關(guān)的知識介紹、設(shè)計理念指導(dǎo)、講解等資源，實施課前實驗預(yù)習(xí)，形成開放式自助、協(xié)作學(xué)習(xí)的新實驗?zāi)Ｊ健嶒炿娐返姆抡嬖O(shè)計、參數(shù)選擇和優(yōu)化過程為理論教學(xué)提供了補充支持，推動了全方位的課程改革［9］。

3 實踐效果

3.1 持續(xù)改進，個性化指導(dǎo)

合理利用信息技術(shù)，搭建基于移動終端的教學(xué)平臺。此外，還應(yīng)該利用信息技術(shù)輔助教學(xué)，突出“以學(xué)生為中心”。課后，學(xué)生可以隨時使用手機和電腦反復(fù)學(xué)習(xí)知識。虛擬仿真系統(tǒng)突破時空限制，幫助學(xué)生優(yōu)化設(shè)計，解決了元器件參數(shù)選擇和計算的教學(xué)難點。

豐富的數(shù)字資源和便捷的網(wǎng)絡(luò)手段的使用，既實現(xiàn)了系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，又滿足了碎片化學(xué)習(xí)的需求，提升了教學(xué)效果，如圖2所示。

圖2 教學(xué)效果提升數(shù)據(jù)

通過探究式學(xué)習(xí)、項目化實踐、方案設(shè)計的教學(xué)設(shè)計、虛擬仿真實驗調(diào)試，結(jié)合仿真軟件的糾錯和反饋功能，巧妙地設(shè)計了小組內(nèi)和小組間互助的教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生在反復(fù)討論、研究和分析中內(nèi)化知識，鍛煉分析和解決問題的能力，提高自學(xué)能力、安全文明操作意識、團隊合作精神和工匠精神。

學(xué)生以項目負責(zé)人、設(shè)計工程師和安裝技術(shù)員的角色，團結(jié)合作，有效溝通，培養(yǎng)了敬業(yè)、奉獻、執(zhí)著的職業(yè)精神，以及精益求精、開拓創(chuàng)新的工匠精神。通過本課程，學(xué)生完成了教學(xué)任務(wù)的要求，提高了專業(yè)技能和素質(zhì)。

3.2 整合教學(xué)內(nèi)容，服務(wù)專業(yè)發(fā)展

突出實驗方案的工程性，實驗內(nèi)容和形式體現(xiàn)真實的產(chǎn)品應(yīng)用和工程背景。“機電控制”課程升級實驗方案主要來自國內(nèi)外的成熟產(chǎn)品或教師科研項目，精簡抽象，難度適中，層次性好；經(jīng)過功能組合、參數(shù)優(yōu)化、工程背景整合等環(huán)節(jié)，逐步形成內(nèi)容豐富、易于推廣的特點，讓學(xué)生在實驗前感興趣、在實驗中有樂趣、在實驗后有想法。

探索實施漸進式實驗方案，穩(wěn)步提高實驗難度和知識含量。在實驗方案背景基本相同的情況下，逐漸增加課程涉及的知識點，以有效激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲。

4 結(jié)語

經(jīng)過實踐檢驗，采用基于在線仿真的“機電控制”課程“雙實一虛”實踐教學(xué)模式能有效解決各種問題。校企合作開發(fā)的機電控制仿真軟件可以實現(xiàn)對在軟件上開發(fā)的大量教學(xué)資源的有效管理，包括分類、保存、查閱、刪除、備份、發(fā)布等服務(wù)，所構(gòu)建的控制系統(tǒng)可以通過插件方便地插入IE瀏覽器中，教師可以通過開發(fā)教學(xué)資源實現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)的在線計劃，使學(xué)生能夠靈活安排學(xué)習(xí)，不受時間和空間的限制，從而更好地掌握必要的專業(yè)知識和技能。豐富的元件庫可以給學(xué)生提供創(chuàng)新的空間。當(dāng)特殊時期需要開展線上教學(xué)時，也可以通過在線仿真滿足實踐課程的動手技能訓(xùn)練，幫助學(xué)生理解工作原理，提高學(xué)習(xí)興趣。

基于東莞本地智能制造企業(yè)的實際案例提煉出的實訓(xùn)項目，結(jié)合在線仿真的“機電控制”課程“雙實一虛”實踐教學(xué)模式開發(fā)配套的項目化課程，方便教學(xué)，可提高教育服務(wù)質(zhì)量，支撐“一核一帶一區(qū)”建設(shè)，擴大輻射范圍，有利于先進教學(xué)理念的實施與推廣。