虛擬技術在設備電氣安裝與調試課程教學中的應用

寧夏職業技術學院 李獻智

虛擬技術在設備電氣安裝與調試課程教學中的應用

寧夏職業技術學院 李獻智

設備電氣安裝與調試是一門培養學生專業技能、操作能力和實踐應用能力的課程，要求有大量的實踐性教學環節。受經費、場地、設備及人員等諸多因素影響，學生實際操作能力的提高受到了很大限制。筆者認為，可以利用虛擬技術解決該課程教學中學生實際操作難的問題，“虛”“實”結合，進一步提高教學效率。

一、虛擬技術

虛擬技術是一種綜合計算機圖形技術、多媒體技術、傳感器技術、人機交換技術、網絡技術、仿真技術等多種技術支持的新技術。它充分利用計算機硬件與軟件資源，生成一個實時、三維的虛擬環境，從而實現對現實世界的虛擬再現。人們可以利用虛擬技術營造虛擬環境，通過操作、控制環境來實現特殊的目的。虛擬技術的本質是人與計算機的通信技術，它幾乎可以支持任何人類活動，適用于任何領域。

二、設備電氣安裝與調試課程教學中存在的問題

設備電氣安裝與調試課程是機電一體化等相關專業的主干課程。該課程是將設備電氣控制和可編程序控制器原理及應用兩門課程內容有機糅合后，完全采用工作任務項目化教學的模式，重在培養學生專業技能的操作能力和實踐應用能力。這也是學生取得中（高）級維修電工職業資格證書、PLC程序設計師資格證書的核心課程。因此，加大該課程的實踐性教學環節勢在必行。但是，由于受諸多因素影響，該課程在實踐教學中出現了一系列問題。

1.實驗教師不足，專業教師工作量大，積極性不高。筆者所在的院系屬工科類專業，電氣類課程實驗量非常大，實驗室使用率極高。雖然學校擁有8個電氣實驗實訓室，但只配備了1個非專業實驗員。在高峰時期，實驗員根本沒精力也沒能力為專業教師準備實驗工作。所有實驗實訓的準備、指導及實驗驗收工作都由專業教師一人完成，導致專業教師工作量加大，影響了實驗的積極性。

2.學生多，實驗場地少，實驗時間縮水。自2008年以來，筆者所在的院系每年都有10個專業教學班，每個班將近50名學生，且該課程又是所有工科類專業的必修課之一，因此，實驗場地明顯不足。在日常的設備電氣安裝與調試的教學中，學生只能使用電氣綜合實訓室和PLC實驗室。盡管學校將幾個專業的課程分在兩個學期內完成，但每學期仍有5個教學班的實驗任務。為了完成這些實驗任務，學校把學生分組，每組2～3人，共用一個實驗臺。每次實驗4 h，只要到時間，不管實驗內容是否完成，必須結束實驗以供其他班級使用。所以，學生人均實驗時間嚴重縮水。

3.投入少，損耗大，實驗效果不明顯。由于學校實行經費包干制，為了節省開支，每個班每學期只能領取3卷導線。為了完成實驗，學生只能將使用過的導線接起來再次使用，或者干脆導線不進槽架空胡拉。這樣不但影響美觀，而且在實際工作中是不允許的。另外，實驗中電器損耗量較大、沒有足夠的電器備件和專業人員的檢修。即使知道器件損壞也無法及時更換，達不到預期效果。

三、虛擬技術在設備電氣安裝與調試課程教學中的應用

通過應用虛擬技術，可以解決設備電氣安裝與調試課程實踐性教學環節中出現的一些問題。但在具體實踐操作中，首先要注意強化虛擬技術與多媒體技術的有機結合；其次，要根據不同實驗的不同特點，確定虛擬仿真工具，再根據具體的實驗需求加以側重。

1.器件拆裝與維修的實驗。此類實驗的側重點在于使學生了解器件的結構、工作原理和動作過程。由于一些器件（如熱繼電器和低壓斷路器）必須通電而且要具備一定條件后才能運作，所以教師在課堂上傳授相關內容時，無法提供其運作條件和演示過程，只能通過語言描述，使學生感覺抽象而無法理解。另外，也有一些體積較小的器件（如組合開關），教師可以在課堂上演示，但其演示過程只能使一部分學生看清楚，大部分學生無法近距離觀看，從而影響教學效果。筆者認為，此類實驗可以借助于制作Flash動畫或3D動畫解決，不僅可以使學生清楚了解器件的工作原理，甚至可以仿真器件的拆裝。

2.控制電路安裝的實驗。此類實驗的側重點在于使學生了解控制電路的工件原理分析和安裝過程的實施。當學生剛接觸控制電路工作原理分析時，由于其動作過程非常短暫，無法正確理解和分析動作過程。對此，最有效、最簡單的辦法就是制作PPT課件。

在實物接線演示中，先將器件拍照，然后用PHOTOSHOP軟件將其摳出，將每個器件導入到VISIO中制成元件庫。實驗前只需把所需器件拖出，按其實際的位置布置，然后再將其復制黏貼到POWERPOINT中播放。這種方法簡單可行，畫面與實物不僅相符，也不局限于導線的連接順序，學生容易掌握。但是唯一的缺點是連線錯誤時沒有相應提示，交互性差。

3.PLC程序驗證的實驗。此類實驗是一種驗證性實驗，結果是否正確上機一試便知，但前提條件必須是配備PLC。雖然PLC實驗室并不是全天開放，但是只要在全天開放的機房里的計算機上安裝相關軟件，就可以方便學生驗證實驗結果。

目前，筆者所在的院系主要是通過三菱PLC向學生傳授可編程控制器知識，為學生提供3種仿真方法，分別是安裝GX Developer8.86編程軟件+GX-Simulator6仿真軟件，安裝FXTRN-BEG-C學習軟件，安裝GT Simulator2 Version 1仿真軟件。這3種安裝方法都收到了良好的教學效果。