MOOC環境下電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設的探索

王亞東

（江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226000）

MOOC環境下電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設的探索

王亞東

（江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226000）

實驗實踐教學是理工科類課程教學體系中的關鍵組成部分，文章對比電機與電氣控制課程傳統教學模式中仿真技術的運用，講述了MOOC環境下的虛擬實驗室建設，使該課程在MOOC環境下的教學達到“開放、共享、互通”的設計理念，為教學提供真實、可交互的網絡實驗環境，構建理論學習與實踐環節一體化的教學新體系。

MOOC；實驗實踐教學；虛擬

隨著信息技術的持續發展，為推進我國教育事業的發展，實現教育大國到教育強國的轉變，國家教育部頒布了一系列教學質量與教學改革工程、高職院校共享型專業教學資源庫建設等建設項目，精品視頻公開課、精品資源共享課也分別于2011年和2012年啟動，各院校以信息技術為支撐的網絡課程建設得到迅猛發展。2003年4月，國家教育部啟動和實施了國家精品課程建設計劃項目，我國高校的課程建設與課程改革工作進入了發展的黃金期，在經歷了精品課程以及精品開放課程兩個重要階段后，已經全面進入了高校精品開放在線課程建設的新時期。大規模開放在線課程（MOOC）產生于以開放、共享為理念的麻省理工學院，2003年9月30日麻省理工大學開放課件（MITOCW）項目網站發布500門課程，標志著開放課件項目正式啟動，開創了互聯網時代開放共享的教育理念和教育行動。2012年，MOOC（慕課）被廣為傳播，2012年甚至為稱為MOOC年。2015年教育部對于大規模在線開放課課程（MOOC）的興起，推出了新的建設應用與管理意見。

1 MOOC環境下實驗教學網絡化的必要性

MOOC與傳統網絡課程如精品課程不同之處在于除了提供視頻資源、PPT、動畫、文本材料外，還為學習者建立交互參與機制，不同于精品課程的互動交流或答疑模塊，在每個視頻或知識點旁邊提供各種用戶交互性社區或討論區，提倡師生互動、生生討論，是一種雙向的教育模式，其核心理念是開放共享知識，在這一理念的指導下，成功、高效地實現優質教育資源共享，是學習方式和方法的突破性創新。在這一背景下，除了開展理論課程的MOOC教學，實驗實踐性課程也應該適應這一發展趨勢，通過MOOC的形式，使學生對實驗實踐類課程的學習進入一種全新的教學模式當中。經調查研究表明，通過MOOC學習文科類及計算機類課程相對容易，而對于理工科而言，由于實驗實踐環節的缺失，在僅提供課程理論學習的情況下，學生往往因過于單調、枯燥、抽象等原因而中途放棄，僅有少部分學習習慣好、目的明確的學生才能堅持完課程的學習，造成學生的大量流失，與“共享”知識的初衷不符。因此研究MOOC環境下實踐教學是非常必要的，不僅對于實驗實踐教學本身，對于輔助在線理論課程的教學也有著非常重要的作用。

2 電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設的探索

（1）課程性質。電機與電氣控制課程是應用電子技術專業及電氣自動化等專業的重要技術專業課，是在電工基礎、機械與電氣制圖課程基礎上，開設的一門理論和實踐相結合的專業核心課程，目的是讓學生熟悉和掌握電機控制電路的基本環節及PLC控制系統設計，培養學生對電機及電氣、典型機床控制電路進行維修、改造和設計的能力，是培養電子類專業自動控制方面技能的核心精品課程，是學生參加國家職業資格技能鑒定維修電工（中級）的必備課程，同時也是參加維修電工（高級）技能鑒定的基礎課程，是一門注意實踐教學的課程，該課程的MOOC化也面臨著特殊問題，即如何突破實踐教學的網絡化。一般而言，演示類型的實驗內容其MOOC化技術相對容易實驗，可通過實驗視頻、動畫、游戲軟件等可以實現，在實驗內容本身的設計上通過方法的不同不斷推陳出新。而技能操作型、實驗實踐型為主的實驗則應該結合實驗或操作環節的部分或全部虛擬化來實現。

（2）課程傳統教學模式中應用的虛擬仿真技術。在傳統的電機與電氣控制課程的教學中，為了能夠滿足職業需求，培養學生實踐能力，幫助學生理解器件結構、電路工作原理等，在課程教學中，應用了不同的電氣仿真軟件來幫助教學。①CADe_SIMU是一款設計電路的繪圖仿真軟件，可以快捷繪制電路原理圖，并實現電路仿真，該軟件入手簡單，學生零基礎也可以根據需求，選擇元器件，完成原理圖的繪制并實現仿真，有助于學生理解電路構成、工作原理等。②V-ELEQ（Virtual-Electric Equipment）是一種實現電路設計、檢測的模擬仿真軟件。它與CADe_SIMU軟件不同的是不僅可以完成電氣控制原理圖的繪制仿真，還可以進行接線圖的繪制和仿真。學生應用該軟件可以根據原理圖完成各電器元件的布局、連線和測試排故，其功能強大的同時，對學生繪圖知識基礎的要求較高，同時它的元器件圖形符號與我國的標準不同，進一步加大了學生入手的難度。③PLC仿真軟件，西門子PLC軟件仿真功能較強，三菱PLC需要軟件仿真時，在安裝編程軟件GX Developer的同時，還需安裝GX Simulator，或者直接使用三菱GXWorks2進行程序仿真，但其界面簡單，無法看到形象的輸出動作。三菱還有一款模擬仿真軟件GX-TRN-BEG-CL軟件，在同一界面上，可以進行程序編寫、仿真，并可以直接看到控制設備的動作情況，形象而直接，但可實現的仿真控制程序較少，無法自主的完成控制系統的搭建。這一類型的軟件通過虛擬儀器技術、仿真技術，使在日常的教學變得更為方便而形象，在操作真實的硬件設備之前，學生已經有了接近于真實的操作體驗，保證了實踐教學的質量。但這種實現，依然停留在物理實體層面的開放，經以計算機技術來輔助實驗環節，還沒有突破到網絡層面。

（3）MOOC環境下的電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設。電機與電氣控制精品在線開放課程的建設，在實現理論教學的同時，應該構建完善的虛擬實驗室，虛擬實驗室應是虛擬技術、仿真技術和基于WEB遠程控制的融合，用戶在精品在線開放課程的平臺上，就可以完成上述的虛擬仿真操作。目前已有部分高校初步建立了類似的虛擬實驗室，如清華大學建立的汽車發動機檢測系統等，但相關系統并沒有獲得大規模的普及，其最大障礙是目前許多技術與MOOC或其他技術相聯系，也沒有得到整合和統一。電機與電氣控制的虛擬實驗室應與eDX平臺上Websim的軟件虛擬類似，用戶在學習《電路與電子學》時，只要用鼠標將電阻與電源連接，立刻會有虛擬的電流模擬出來，形象而直接，有助于學生理解。大連理工大學軟件工程虛擬仿真實驗教學中心以及北京郵電大學虛擬仿真教學中心也有類似的應用。

電機與電氣控制精品在線開放課程的虛擬實驗室應能完成該課程所有的實驗實訓操作，包括虛擬工作臺和虛擬器材庫，可以完成電機繼電器控制的原理圖繪制、仿真接線、通電調試及排故，電機PLC控制的程序編寫、接線、下載調試以及控制對象的仿真。①原理圖的繪制及仿真，該部分有助于學生理解電路結構、工作原理及動作過程等，其元件庫應該包含現有電機繼電器控制的所有器件如電源、開關、主令電器、接觸器、繼電器及電機等，可實現電機的起動控制、速度控制、制動控制等，仿真效果與CADe_SIMU類似（CADe_SIMU無法實現反接制動控制），文字符號與圖形符號應與國家標準一致。②電機繼電器控制仿真接線與調試排故。該部分的仿真與原理圖仿真類似，但器材庫內容更多，比如接觸器，其系列較多，如CJ、CJX等，各系列接線又有細微的差別，所以器材庫涵蓋內容更多，至少應與自己學校實際一致，盡量減少虛擬與實際之間的差別。學生在這一部分實訓時，根據原理圖，選擇合適的元器件，完成元器件的布局，元器件之間的接線，通電調試，除了接線工藝外的實訓內容，如布局的合理性，接線的經濟性等都應得到體現。③電機PLC控制虛擬仿真。目前PLC的仿真平臺或軟件較少，功能單一，不夠形象，如三菱GX-Simulator等。該部分的仿真實訓應與GX-TRN-BEG-CL軟件類似，首先根據控制對象的不同，如位置控制、速度控制、方向控制等選擇輸出對象，其次完成PLC的選型及程序編寫，第三步完成PLC的I/O接線，最終下載調試，在其界面上可同時觀察到程序運行情況及輸出對象的變化。這里的PLC仿真有兩種情況，一種是把控制信號和被控制對象虛擬仿真，通過接口電路傳送至PLC，經PLC處理后的信號，經接口電路驅動被控對象模型實現相應的控制動作，學生可以在仿真界面觀察PLC程序及被控對象的運行情況，實現PLC控制程序的調試，簡單點說，就是實驗平臺需要PLC硬件，其核心也是PLC，輸出設備是虛擬的；另一種是完全的虛擬PLC技術，這種技術平臺需要將虛擬PLC仿真、，虛擬通信、工業組態軟件以及網絡技術有機結合，用戶在無任何硬件設備的前提下，就可以完成器件選型、程序編寫、I/O連線、下載調試等一系列實驗，滿足學生自主學習和自我學習的要求。以上三種形式均要求元器件庫全面，控制對象多種多樣，這是因為一般在實驗過程中，實驗內容一般分為基礎驗證型、綜合應用型、創新研究型三類，學生根據課程的需求以及自身的特點，在完成基礎驗證、綜合應用的基礎上，還可以通過創新研究型的實驗獲得拓展提高，有利于培養其產品開發和科學研究方面的能力。

此外，學生在實驗實踐的同時，虛擬實驗室可通過人工智能軟件或學生之間的相互評分系統對學生的學習效果進行評測，比如實驗室可對每個學生完成項目的質量、時間或完成度進行評分和排名，充分調動學生的學習積極性，學生也可以通過相互間的觀摩、互動等形式獲得進一步的提高，而實驗管理者和教師也可以通過虛擬實驗室所記錄的學生實驗數據進行統計和分析，及時發現實驗教學過程中的共性問題，為進一步改進和提高實驗教學提供參考依據，充分體現了MOOC發展的開放性和交互性。

3 結語

慕課發展到現在，在線開放課程數量正在急劇增加，但其目前各在線課程主要還是以文科類為主，就算是理工科，其提供的學習內容也是以教學視頻、PPT以及各種文字資料為主，仍然維系著傳統的課堂教學模式，與MOOC的提出者所倡導的“開放、共享、互通”這一核心理念相距甚遠，實驗教學環節本就就是工科類專業學習過程中必不可少的一部分，其本身又具有典型的互動特性，因此在慕課盛行的今天，如何將學生實踐技能納入網絡教學環節，推進實踐教學網絡化改革是非常必要的。要利用各種先進的網絡技術和教學理念，抓住機遇，建立虛擬實訓中心、實踐教學網絡化平臺，為課程教學提供真實的、可交互的網絡實驗環境，構建理論學習與實踐環節一體化的教學新體系。

［1］鄧紅濤，查志華，田敏.“慕課”推動下的實踐教學網絡化改革［J］.中國電力教育，2014，（33）：114-115.

［2］孫青，艾明晶.MOOC環境下開放共享的實驗教學研究［J］.實驗技術與管理，2014，31（8）：192-195.

［3］張亞東，王見之.慕課時代功能學實驗教學改革探索［J］.基礎醫學教育，2015，17（8）：723-725.

［4］周天沛，代洪.虛擬PLC仿真實驗平臺的設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2016，（2）：77-79.

Exploration of Virtual Laboratory Construction of Motor and Electrical Control Course in MOOC Environment

WANG Ya-dong
（Jiangsu Business College，Nantong，Jiangsu 226000，China）

The experimental practice teaching is the key part of the teaching system of science and engineering course.The comparison of the simulation technology in the traditional teaching mode of the motor and electrical control course describes the construction of the virtual laboratory in the MOOC environment，so that the course in the MOOC environment under the teaching to achieve“open，shared，inter-operable”design concept for teaching，which provides a real，interactive network experimental environmentto build a theoretical learning and practice integration of the new teaching system.

MOOC；experimental practice teaching；virtual

G434

A

2095-980X（2017）02-0188-02

2017-02-07

江蘇商貿職業學院校級課題［SY20161207-14］

王亞東（1980-），男，江蘇南通人，大學本科，講師，主要研究方向：自動控制。