基于在线仿真的“机电控制”课程实践教学研究

周 晶 陈永刚 刘云志

（东莞职业技术学院，广东 东莞 523808）

作为机械类专业重要的专业课，“机电控制”课程需要做很多实验，以帮助学生掌握理论知识，提高学习兴趣，而传统“机电控制”课程中大多数为验证性实验，创新性不足，实验内容也受到场地、设备、学时等因素的制约。针对这些问题，上海交通大学付庄等提出了一种结合直播教学、教学管理和在线模拟的多维互动在线教学方法，除优化教学互动方式与充分利用教学要素外，增设“云讨论、云作业、云仿真和云答辩”的考核评价体系［1］。宁波大学季林丹等结合疫情期间课程团队在医学遗传学虚拟模拟实验项目建设和教学应用中的经验，阐述了医学虚拟模拟实验建设的必要性及其广泛应用的可行性［2］。暨南大学印尤强等为应对疫情对高校实验教学的影响，依托“实验空间”虚拟模拟实验项目和教学资源，积极开展生物学实验在线教学探索和实践，确保实验课程内容和质量［3］。

1 传统实验分析

在传统的“机电控制”课程中使用的实训平台占地大、价格高、维护不易，而且学生在动手操作的过程中需进行电气连线，存在安全隐患，主要表现在以下几个方面：

第一，测试台内的插孔与可编程控制器接口之间的连接脱落后，很容易断路。测试台内部的电源或信号源若存在故障，无法通过外表进行检查，需要拆下测试台的面板，以检查内部电路是否损坏。工作过程很复杂，需要很长时间。

第二，实验操作模式单一，连接工作量小且枯燥。当在机电控制实训平台上操作时，学生根据实验指南中提供的实验步骤，使用专用电线插头连接实验面板上的相应节点。最终的实验工作与实际设备的外观和性能有很大的不同；此外，插头的相对位置是固定的，留给学生自行设计布局的操作空间有限，限制了学生的创新意识，其无法自由发挥。

第三，在特殊情况下，比如疫情期间，开展线上教学，学生不能回校参加动手操作的实践练习，仅仅依靠线上直播学习理论知识，难以理解实际的机电控制设备运行状况，原有的仿真软件需要加密锁，只适合在机房内使用，不适合线上教学，效果不理想［4］。

2 “双实一虚”实验改革内容

虚拟仿真实验教学项目是教育部近几年推出的五类“金课”之一，是为了在真实实验条件涉及高危环境、成本高、消耗大的综合性训练时，为学生提供安全性高、可靠性好、成本合适的实训项目。之前虚拟仿真技术在高职院校中的应用多见于上课时的辅助教学工具，在2020年初新冠疫情严重影响教学的时候，虚拟仿真实验教学为高校教学计划的顺利完成提供了重要支撑。提升线上教学质量对于实践操作较多的高职工科课程是一个极大的挑战［5］。

2.1 构建多元化学习环境

精简升级实验项目，突出工程背景，跨界携手协同育人。真实、开放、多元化的学习环境更有利于解放和发展人的创造力，摒弃单纯的验证及枯燥、落伍的实验内容，每次课的实验学时根据实验内容有所调整，从1学时到3学时。利用已经开发的网络教学资源，以及虚拟仿真软件，采用从理论到实践、从虚拟到现实的线上+线下的方式同步开展实验，提高学生的学习兴趣，提升实验效率［6］。

“双实一虚”的实验内容对接课程，融合创新理论知识。实验指导书体现知识性、新颖性和灵活性，按照班级学生的实际知识与技能水平确定实验难易程度，开发拓展项目，实施分层教学。

采用来自企业的真实机电设备案例，突出工程性。于实践案例中融入课本上的理论知识，并通过优化参数、组合功能使案例更适合教学使用，加强内涵建设，进一步扩大使用范围，激发学生的学习兴趣，使其乐于动手操作，创新活跃思维。探索开展层次递进型实验方案，稳步提升实验难度。在设计实验方案时，包含的课程知识点逐步增多、难度递增，能够充分引起学生自主探究的求知欲。

“双实”包括实验和实训两种实践教学形式，“一虚”是指虚拟模拟。通过相关知识和技能的交叉互补，形成了“电路设计与仿真”“元件连接与调试”“动手操作与参数测试”的有效融合。实验过程如图1所示［7］。

图1 “机电控制”课程的“双实一虚”实验流程

教师在上课前首先明确实验任务及工程背景，在学习平台上发布任务，学生观看实验指导视频，开展预习。上课时，学生上实训平台运行仿真软件，确定器件参数和控制程序，开展设备装调，进行实验测试、预设故障分析及排除，遇到不懂的问题，再次查看故障现象和分析的辅助教学视频。课后，学生整理实验测试、过程记录，撰写并提交实验报告；教师针对实验报告中出现的问题，反馈指导学生，改进实验方法。

2.2 多维立体教学模式

课程的教学强调关注学生的进步和发展，并坚持以“以学生为中心、以结果为导向”的教学理念来设计每个单元的教学。课程内容以充分性和适用性为原则，突出实践应用，注重培养学生分析和解决问题的能力，加强学生的实践能力。根据机械设备检查、维护、销售和技术服务的需要，在阅读和分析电路图、组装和调试机电设备等典型工作任务后，总结针对机械设备生产、组装、调试、测试和维护所需能力要求设置的学习领域，按学习领域进行知识和技能的整合，以项目为导向，用任务驱动的教学模式，力求体现“做中学”“学中做”的教学理念，强调学生的主体性学习。整个教学过程与信息技术相结合，缩短了教学时间，整合了更多的实践练习，从而提高了教学效果和效率。

在互动活动流程中以学生为中心，多角度、多层次地实现学生与学生互动、学生与教师互动。教师在实践性课程的线上教学过程中，需要重点思考优化教学互动的方式和与学习有关的教学要素，这些将直接影响到能否产生教学共振和线上教学的效果。

课程以成果导向教学为基础，每个学习项目都要求学生完成元件选择、电路设计、安装和调试等各项工作，每个工作任务都对应于工作岗位上的典型工作任务。在完成相应的工作任务的同时，学生可以达到知识、技能和素质目标。通过对工程作品的创新设计和对控制过程的持续优化，学生可以进一步理解创新和精益求精等精神内涵。

选择合适的虚拟仿真软件，结合东莞职业技术学院实际应用的实验平台，用信息技术改造传统的教学模式，结合企业的工程实际项目，整合优化教学资源、技术资源和教学实施流程，开发应用型虚拟实训项目，提升专业内涵，提高教学质量，让每一个学生充分发挥创造力和想象力，成长为具有探索新知能力的新型人才。虚拟实训室的开发成果和经验，有相当一部分可用于其他课程的实训建设，有着十分广泛的应用前景，项目研究具有深远的现实意义和历史意义［8］。

2.3 在线仿真实训平台的开发

全方位建设立体、开放的在线机电控制实验辅助教学资源，包括实验指导课件、实验操作视频等，以便组织学生开展课前预习，并且能够开展自主创新实验，在线仿真实训平台内容如表1所示。

表1 在线虚拟仿真实训平台内容

在线仿真实训平台分为四个模块：机床电气模块、液压气动模块、可编程序控制器（PLC）应用模块、电气控制模块。每个模块包含多个实训内容，比如机床电气模块，包含CA6140、X62W、M7130等多种不同型号的机床电气控制线路安装调试模块，学生可以在仿真实训平台上，按照实训要求选择合适的元器件，虚拟安装所需的电气元件，通过电气连接，实现机床功能，调试排除故障。每个元器件都是真实元件的数字孪生体，在外形和性能方面对应匹配，并且配有万用表、钳表等测试工具，帮助学生搭建电气回路。

在机电控制实验中增加故障分析、综合系统功能调试等训练操作，以减少训练时间，提高教学效果，强调启发式教学。逐步增加专业针对性强、智能化程度高的新型专用仪器，在传统的机电控制实训平台上增加实时在线监控装置、网络云存储与提交实验结果功能，校企合作进行新型智能机电控制实验教学系统的研发，在实践中丰富完善仪器的功能。

在实验前进行独立的预习、回路模拟和设计。在上“机电控制”课程实验课之前，教师发布实验任务，组织学生在课前使用仿真软件设计、确定实验过程中所需的元件模型和电路结构，搭建实验回路的仿真设计图。教师在网络教学平台上发布与实验相关的知识介绍、设计理念指导、讲解等资源，实施课前实验预习，形成开放式自助、协作学习的新实验模式。实验电路的仿真设计、参数选择和优化过程为理论教学提供了补充支持，推动了全方位的课程改革［9］。

3 实践效果

3.1 持续改进，个性化指导

合理利用信息技术，搭建基于移动终端的教学平台。此外，还应该利用信息技术辅助教学，突出“以学生为中心”。课后，学生可以随时使用手机和电脑反复学习知识。虚拟仿真系统突破时空限制，帮助学生优化设计，解决了元器件参数选择和计算的教学难点。

丰富的数字资源和便捷的网络手段的使用，既实现了系统化学习，又满足了碎片化学习的需求，提升了教学效果，如图2所示。

图2 教学效果提升数据

通过探究式学习、项目化实践、方案设计的教学设计、虚拟仿真实验调试，结合仿真软件的纠错和反馈功能，巧妙地设计了小组内和小组间互助的教学环节，使学生在反复讨论、研究和分析中内化知识，锻炼分析和解决问题的能力，提高自学能力、安全文明操作意识、团队合作精神和工匠精神。

学生以项目负责人、设计工程师和安装技术员的角色，团结合作，有效沟通，培养了敬业、奉献、执着的职业精神，以及精益求精、开拓创新的工匠精神。通过本课程，学生完成了教学任务的要求，提高了专业技能和素质。

3.2 整合教学内容，服务专业发展

突出实验方案的工程性，实验内容和形式体现真实的产品应用和工程背景。“机电控制”课程升级实验方案主要来自国内外的成熟产品或教师科研项目，精简抽象，难度适中，层次性好；经过功能组合、参数优化、工程背景整合等环节，逐步形成内容丰富、易于推广的特点，让学生在实验前感兴趣、在实验中有乐趣、在实验后有想法。

探索实施渐进式实验方案，稳步提高实验难度和知识含量。在实验方案背景基本相同的情况下，逐渐增加课程涉及的知识点，以有效激发学生的好奇心和求知欲。

4 结语

经过实践检验，采用基于在线仿真的“机电控制”课程“双实一虚”实践教学模式能有效解决各种问题。校企合作开发的机电控制仿真软件可以实现对在软件上开发的大量教学资源的有效管理，包括分类、保存、查阅、删除、备份、发布等服务，所构建的控制系统可以通过插件方便地插入IE浏览器中，教师可以通过开发教学资源实现数字化教学的在线计划，使学生能够灵活安排学习，不受时间和空间的限制，从而更好地掌握必要的专业知识和技能。丰富的元件库可以给学生提供创新的空间。当特殊时期需要开展线上教学时，也可以通过在线仿真满足实践课程的动手技能训练，帮助学生理解工作原理，提高学习兴趣。

基于东莞本地智能制造企业的实际案例提炼出的实训项目，结合在线仿真的“机电控制”课程“双实一虚”实践教学模式开发配套的项目化课程，方便教学，可提高教育服务质量，支撑“一核一带一区”建设，扩大辐射范围，有利于先进教学理念的实施与推广。