“電氣控制與可編程控制器”課程實驗教學系統的開發

黃 瓊

(安徽職業技術學院 電氣工程系，安徽 合肥 230051)

0 引 言

實驗教學作為專業課程教學環節的一個重要組成部分，其教學手段的信息化、網絡化已是大勢所趨。利用多媒體技術開發輔助實驗教學軟件，將實驗教學內容生動、形象、直觀地進行模擬，不僅有利于激發學生的學習興趣，提高學生的觀察能力，而且也解決了當前實驗室硬件設備普遍存在的落后、偏少等問題，可極大地提高實驗教學質量[1-4]。

“電氣控制與可編程控制器”是電氣工程及其自動化專業一門理論性和實踐性都較強的專業基礎課程，僅靠書本知識和一般的上課聽講，很難達到良好的學習效果，因此實驗教學環節成為該課程教學中的重點。課程的實驗教學目的是要求學生在充分理解課堂教學內容和已有的基本實驗操作技能的基礎上，通過實驗進一步加深對常用低壓電路元件、交直流電動機、可編程控制器的結構和功能的認識，熟悉各種電氣器件的工作原理和工作過程，掌握對異步電動機等控制對象實施控制應用程序編程等實際操作技能。由于涉及到的電氣器件種類多，器件內部工作過程及協作關系不易觀察，使得實驗教學時老師講解不清，學生聽之乏味，這種傳統的實驗教學方法很難做到讓學生能清楚掌握各種不同電氣器件的基本結構和工作原理。此外，在實驗教學中常常需要大量的電氣器件實物及配套測試設備，要求操作者有較高的實踐經驗，實驗的困難及較大的損耗造成當大批學生進行實驗時，無法讓每個學生都能有充足的設備和時間親自動手進行實驗。因此造成了傳統實驗條件下實驗教學效果不理想，離教學目標和要求存在較大差距的現象，如何提高該課程的實驗教學效果成為亟待解決的問題。為此，我們作了一些新的嘗試，通過充分利用多媒體技術，以功能強大的可視化集成開發軟件Delphi作為主要開發平臺，并借助SolidWorks、3DS Max、Flash等二維和三維主流圖像處理軟件，研制開發了功能完善、內容豐富、界面友好的“電氣控制與可編程控制器”課程多媒體輔助實驗教學動態演示系統[5-8]。

1 系統的設計、制作方案與整體架構

1.1 整體設計和制作方案

輔助實驗教學系統是在一定專業理論知識的指導下，依據實驗教學目標而設計的能直接或間接反映實驗教學內容的計算機軟件系統，因此整體方案設計在整個系統開發過程中起到非常重要的作用[3]。輔助實驗教學系統在整體設計和制作過程中需經過以下幾個步驟：①應依據課程教學大綱和實驗大綱，明確實驗教學軟件系統需要實現的目的和要求；②在分析實驗教學任務的基礎上，確定合理的教學方案，并選擇確定可實現方案中各功能的開發工具和運行平臺；③需從實驗教材和實驗內容出發，提煉出軟件系統將展示的主要教學內容；④需做好實驗教學相關素材的制作和整理等材料準備工作；⑤在選好開發平臺的基礎上，進行軟件的總體程序流程框架設計、文本和腳本設計和程序的調試工作[9-12]。

依據課程實驗教學的總體要求，“電氣控制與可編程控制器”動態演示輔助實驗教學系統主要包含了實驗項目、實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗步驟、實驗過程演示及實驗思考等內容，在各個實驗項目中能將各種電氣控制與可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)相關儀器設備的內外部結構、工作過程以及操作方法等以圖片、動畫、視頻等多媒體形式真實展現出來。軟件系統可在單機、局域網中安裝使用，也可鏈接在校園網網絡平臺中，實現學生網上在線預習、復習[13-14]。軟件系統整體設計和制作流程如圖1所示。

1.2 系統整體框架

系統的整體架構為樹形結構見圖2。整個實驗輔助教學系統由啟動頁、實驗項目分類頁、實驗內容頁等三級頁面組成。用戶通過啟動頁面上設置的功能按鈕進入具體課程實驗項目分類頁，其中有兩個實驗內容分支，每個分支下分別將交、直流電動機的結構與控制實驗和PLC控制實驗各自所屬的具體實驗項目進行了動態演示，并且在每個實驗項目演示界面中又提供了該項目實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗要求、實驗難點以及實驗思考作業等內容齊全的實驗教學展示，學生可通過選擇相應的功能按鈕，在學習實驗具體操作視頻的過程中同時也可隨時調看相應實驗項目詳盡的內容文字說明[15]。系統界面設計合理、界面友好，充分利用了Delphi強大的可視化的集成功能，軟件系統管理員可自由添加和修改相應內容，系統通用性和功能拓展性較強。

2 動態演示系統的制作

2.1 開發工具

本演示系統采用Delphi7.0作為系統開發平臺， Delphi是基于面向對象的可視化開發工具，設計方便，功能強大，其具有強大的數據庫及網絡應用開發支持功能[12]。通過設計具有交互功能的媒體播放器界面，將實驗中的各類電機拆裝過程、交通信號PLC控制等通過實例動態地展示給學生。

2.2 動態演示系統的實現

2.2.1系統的主要界面

界面的主要功能是完成系統的啟動、數據的載入和調用，對后續相關操作進行引導，實現人機交互。界面的制作應遵循簡便性、一致性、通用性的原則。基于這些原則，系統在設計和制作時采用了Delphi提供的設計工作臺進行設計，各界面中根據需要設置了文本窗口、視頻窗口、相關按鈕和必備的菜單項等部件，確保整個界面的簡潔和容易操作。

本系統中設置了三類界面形式，分別是：

(1) 系統歡迎主界面。作為系統啟動后的主頁面，設置了本輔助教學軟件所對應的課程名稱、制作單位以及進入按鈕，并配以與“電氣控制與可編程控制器”課程實驗內容相關的圖片作為整個頁面背景，如圖3所示。

圖3 系統歡迎主界面

圖4 實驗說明及演示界面

(2) 實驗內容列表界面。結合“電氣控制與可編程控制器”課程內容，將課程的實踐環節分成課程實驗項目和課程實訓項目兩大類，并分別下設了電氣控制類和PLC控制類兩個二級分項，每個分項下又分列了對應的實驗項目名稱，學生可通過該頁面中顯示的項目類別、名稱，快速進入到所選項目的實驗內容界面進行學習。

(3) 實驗說明及演示界面。作為本輔助實驗教學軟件的核心界面，該界面是由4個功能區域組成，分別是：選項按鈕區、實驗項目選擇區、文本介紹區和動態演示區(見圖4)。選擇按鈕區位于該界面的最上部，水平羅列了若干選項按鈕，通過選擇相應的按鈕，可以在界面右邊的文本框中顯示相應實驗和實訓項目的實驗目的、內容、原理、步驟、要求等具體的實驗信息；實驗項目選擇區位于文本介紹區的上部，由一個下拉選項框組成，其中含有系統所有的實驗項目列表，學生可通過點擊相應的實驗項目，快速的轉到不同的實驗項目演示界面；界面的左邊大部分區域為動態演示窗口，該窗口中既能展示二維、三維圖像和動畫，也能通過下方的播放按鈕實現實驗和實訓視頻文件的瀏覽；文本介紹區內主要展示所有相關的文字信息，可通過下拉滾動條瀏覽所有的文字內容。通過與課程內容相關的圖像、動畫、視頻等多媒體信息動靜結合的全面展示，既能使學生學習到在傳統實驗中無法操作的知識內容，也提高了學生濃厚的學習興趣。

2.2.2素材的制作和處理

(1) 二維素材的制作。為了能全面展示PLC控制電路的控制過程與設備的操作步驟，本系統采用Flash動畫制作軟件制作出了與實際PLC控制實驗設備全貌一致的模擬操作面板，學生可以通過鼠標在模擬操作面板上完成相應操作，即可控制開展相應的實驗操作訓練，當出現錯誤操作時會有相應的文字提示，使學生在實際開展實驗和實訓前就可通過模擬練習熟悉掌握PLC控制實驗操作過程和工作步驟。

(2) 三維素材的制作。交、直流電動機的拆裝實驗是課程實驗項目中的重點，使用三維實體造型及動畫制作技術能將實驗中各種電動機的內部結構、外部特征清清楚楚的展現出來，并實現了抽象物體形象化。本系統中我們分別使用了3DS Max、SolidWorks等三維造型軟件實現了8種典型型號的電動機組成部件結構動態展示以及電機裝配、拆卸全過程模擬，通過使用Delphi環境下提供的多媒體對象鏈接與嵌入技術，以視頻文件的格式實現了實訓內容的詳盡展示。

3 實驗輔助教學軟件系統的應用

在近2年的“電氣控制與可編程控制器”課程實驗和實訓實際教學中，該系統得到了進一步的完善和豐富，功能和效果也得以明顯體現，主要表現在以下三個方面。

3.1 實驗實訓教學手段實現改革，教學效果顯著提升

采用文字、圖像、動畫等多媒體形式為學生提供了全新的實驗實訓學習和訓練方法，通過將該系統與本課程網絡課件進行鏈接，可使學生實現實驗實訓前的充分預習，特別是對于部分需要學生實際操作的實驗實訓項目，通過提前熟悉實驗實訓內容和具體操作方法，大大減少了實驗教師的實驗實訓輔導時間，提高了實驗實訓教學效果。

3.2 學生學習興趣提高，專業技能訓練能力增強

通過圖像、動畫、視頻等多種直觀表達方式，更加方便學生細致觀察各種電氣器件的內部結構和外部特征，增強了實驗實訓教學內容的生動性、趣味性和吸引力，激發學生強烈的求知欲。同時，通過相關實驗設備的實物模擬，使學生可以在實驗室外方便地開展相關操作技能學習和訓練，對于高職院校電氣自動化專業技能型人才的培養提供了新的途徑。

3.3 實驗實訓教學時間得以延展，有效緩解實踐教學資源不足

學生可通過校園網，隨時學習和了解整個課程實驗和實訓的教學內容和過程，起到了延展實驗實訓教學時間的作用。通過實驗和實訓過程的模擬演示和動畫演練，有效解決了當前由于部分實驗設備數量上的相對缺乏，無法滿足每個學生都能動手開展技能訓練的難題。

4 結 語

“電氣控制與可編程控制器”課程動態演示實驗教學系統的研制和開發是開展該課程實驗教學體系改革的一個重要組成部分。作為實驗實訓輔助教學手段，通過運用逼真的二維和三維動畫、視頻進行實驗過程的演示和模擬訓練學習，使學生能夠在實驗實訓前提前掌握實驗內容、實驗步驟和實驗操作過程，熟悉實驗實訓教學內容的全過程，并可以有針對性的觀察實驗現象，有效激發了學生的學習興趣，從而加深了學生對課程理論知識的理解。由于時間和技術條件等因素的限制，軟件系統仍有許多方面需要改進和完善，諸如在本系統的現有基礎上，充分發揮Delphi在數據庫方面的優勢，在系統中添加相關電氣器件模型庫模塊，從而能將更多更全的電氣控制相關技術信息展現出來。

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