虛擬儀器技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用研究

張 奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

虛擬儀器技術(shù)在PLC教學(xué)中的應(yīng)用研究

張 奇

(馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243031)

在PLC課程的教學(xué)過程中引入虛擬儀器技術(shù)，采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)出實(shí)訓(xùn)平臺。通過對三個(gè)班級學(xué)生分別采用不同的教學(xué)法施教，利用問卷分析的形式對教學(xué)效果進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明新技術(shù)的引入更能有效吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教師教學(xué)效果。

虛擬儀器；職業(yè)教育；組態(tài)技術(shù)；PLC

0 引言

當(dāng)今數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的學(xué)習(xí)方式逐漸盛行，但學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并沒有實(shí)質(zhì)性提高[1]。數(shù)字化學(xué)習(xí)所伴隨的碎片化、多任務(wù)與淺層讀圖現(xiàn)象，給學(xué)習(xí)帶來多樣性和便利性的同時(shí)，容易導(dǎo)致學(xué)習(xí)深度欠缺。因此，信息技術(shù)在實(shí)體教學(xué)中的應(yīng)用應(yīng)逐漸走向內(nèi)核式，要把邁向深度學(xué)習(xí)視為信息化教學(xué)的主要目標(biāo)。

VI虛擬儀器(Virtual Instruments)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測試(CAT)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)[2]。通過組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)出虛擬儀器并實(shí)現(xiàn)仿真式教學(xué)是改善教學(xué)效果的有效途徑。由于技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)全程可控，在仿真過程中更容易引導(dǎo)學(xué)生真正理解學(xué)習(xí)過程，甚至為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。通過計(jì)算機(jī)屏幕錄制軟件將課程內(nèi)容制作成為微視頻資源，可提供給學(xué)生線下自學(xué)，也可與其他資源如學(xué)習(xí)資料、訓(xùn)練與測驗(yàn)、機(jī)器自動(dòng)評分、站內(nèi)論壇等應(yīng)用到小規(guī)模的實(shí)體校園網(wǎng)站(局域網(wǎng)精品課程網(wǎng)站或MOODLE)中，實(shí)現(xiàn)資源共享[3]。從經(jīng)驗(yàn)學(xué)角度，與傳統(tǒng)學(xué)科式教學(xué)相比，虛擬儀器的引入更直觀，更接近現(xiàn)場。因此對虛擬儀器引入課堂提升教學(xué)效果的實(shí)證研究顯得十分必要。

1 課程研究

1.1 研究問題

目前國內(nèi)普通高校在教學(xué)過程中采用學(xué)科本位的課程體系和教學(xué)方法居多。能力本位的課程模式基本還停留在概念層面，忽視學(xué)習(xí)者未來崗位的需要，忽視對學(xué)生應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。特別是實(shí)踐性課程中采用傳統(tǒng)教學(xué)法往往起不到良好的教學(xué)效果。實(shí)訓(xùn)教學(xué)法雖然可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)技能的興趣與熱情，但是也會(huì)因?yàn)榉N種原因無法做到面面俱到。因此，虛擬儀器技術(shù)引入課堂教學(xué)后能否有效提升教學(xué)效果是本文研究的關(guān)鍵問題。

1.2 研究對象

選擇某學(xué)院三個(gè)平行班學(xué)生作為教學(xué)對象，選擇多種工作模式下機(jī)械手搬運(yùn)實(shí)訓(xùn)作為授課內(nèi)容。授課方式分別為：1班采用虛擬儀器技術(shù)仿真式教學(xué)、2班采用普通實(shí)訓(xùn)演示法教學(xué)、3班采用傳統(tǒng)課堂講授式教學(xué)。三個(gè)班級為相同年級相同專業(yè)，學(xué)生水平相當(dāng)，且之前一直采用實(shí)訓(xùn)演示法教學(xué)。

通過對三個(gè)水平層次相近的平行班級分別采用不同的教學(xué)法施教，包括傳統(tǒng)教學(xué)法、實(shí)踐教學(xué)法以及虛擬儀器仿真教學(xué)法，再通過問卷、評測等多種形式獲得學(xué)生滿意度、授課效果以及學(xué)生完成度等數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法調(diào)研結(jié)果的分析與研究，進(jìn)而對課程內(nèi)容以及授課模式進(jìn)行改革。研究目的在于驗(yàn)證虛擬儀器的引入可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其主觀能動(dòng)性，提高學(xué)習(xí)效率以及信心，最終達(dá)到提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力的目標(biāo)。

1.3 研究工具

PLC的控制功能只憑理論分析效果不佳，要想將抽象技術(shù)知識形象生動(dòng)地傳授給學(xué)生，則需要在教學(xué)過程中借助于實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)應(yīng)用實(shí)例，并給予學(xué)生充分的訓(xùn)練[4]。但是普通實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)教學(xué)對較復(fù)雜PLC程序的教學(xué)效果并不理想，因?yàn)槟壳皩?shí)驗(yàn)方式都采用PC+PLC+對象的方式，控制效果由對象模塊來體現(xiàn)。但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中的各個(gè)控制對象多采用教學(xué)儀器廠(或自制)的模擬模塊來代替，一般只用指示燈來指示通斷狀態(tài)，缺少運(yùn)動(dòng)部分，直觀性差[5]；而純粹的課堂式理論教學(xué)，講解典型實(shí)例時(shí)無法現(xiàn)場加以演示，學(xué)生更難以對控制系統(tǒng)要求和控制性能有較好的感性認(rèn)識，另外存在學(xué)生多、設(shè)備少現(xiàn)象，現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)裝置難以給學(xué)生提供足夠的操作時(shí)間[6]。

本設(shè)計(jì)挑選多種工作模式機(jī)械手課題進(jìn)行教學(xué)，屬于典型較復(fù)雜順序控制系統(tǒng)。利用組態(tài)軟件可以模擬PLC控制對象與實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，并以動(dòng)畫形式在PC機(jī)上展現(xiàn)。

授課地點(diǎn)可以設(shè)置在工控實(shí)訓(xùn)室，也可以在機(jī)房。利用Intouch 10.0軟件為核心設(shè)計(jì)虛擬儀器教學(xué)平臺，圖1為平臺構(gòu)架：

圖1 平臺構(gòu)架圖

平臺采用上位機(jī)+下位機(jī)的構(gòu)成方式。上位機(jī)與學(xué)生機(jī)通過局域網(wǎng)通信。上位機(jī)為普通的PC機(jī)，安裝HMI軟件Intouch 10.0，同時(shí)為了方便通信，在PC機(jī)內(nèi)建立OPC服務(wù)器，采用三菱的OPCMX，下位機(jī)PLC選擇三菱FX3U-MR，通過串行232方式與教師機(jī)連接。PLC程序(程序略)事先下載至下位機(jī)，亦可在PC機(jī)中仿真PLC運(yùn)行。教師通過電子教室對學(xué)生機(jī)開通權(quán)限后，可以選擇讓任何一位學(xué)生在學(xué)生機(jī)中運(yùn)行仿真PLC，通過局域網(wǎng)，控制教師機(jī)中HMI，驗(yàn)證學(xué)生編程結(jié)果。

利用Intouch 10.0對多種工作模式下機(jī)械手控制進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，虛擬儀器平臺如圖2所示。

圖2虛擬儀器平臺

機(jī)械手與限位開關(guān)在動(dòng)作的時(shí)候會(huì)高亮顯示，程序運(yùn)行時(shí)會(huì)在左側(cè)顯示區(qū)顯示實(shí)時(shí)程序語句。右側(cè)控制面板實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制以及手動(dòng)與自動(dòng)的切換，此外還可以對機(jī)械手的模擬移動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便學(xué)生學(xué)習(xí)每一個(gè)控制細(xì)節(jié)。

為了讓機(jī)械手按照控制要求合理運(yùn)動(dòng)，利用Intouch 10.0制作動(dòng)畫腳本并對腳本優(yōu)化，運(yùn)行腳本語言如下：

IF y2=1 THEN

m001=m001+m005;

IF m001>=200 THEN

m001=200;

ENDIF;

ENDIF;

IF y1=1THEN

m001= m001-m005;

IF m001<=0 THEN

m001=0;

ENDIF;

ENDIF;

IF y4 =1 THEN

m002=m002+m005;

IF m002>=270 THEN

m002=270;

ENDIF;

ENDIF;

IF y3=1 THEN

m002=m002-m005;

IF m002<=0 THEN

m002=0;

ENDIF;

ENDIF;

IF m001<>0 THEN

x3=0;

ELSE

x3=1;

ENDIF;

IF m001<>200 THEN

x4=0;

ELSE

x4=1；

ENDIF;

IF m002<>0 THEN

x5=0;

ELSE

x5=1;

ENDIF;

IF m002<>270 THEN

x6=0;

ELSE

x6=1;

ENDIF;

IF(y0=0 AND y1=1) OR (y0=0 AND x6=1)THEN

m004=m001;

ENDIF;

1.4 數(shù)據(jù)收集與分析

調(diào)查問卷對學(xué)生在比較各種教學(xué)法后進(jìn)行滿意度調(diào)查評分；李克特(Likert)量表是評分加統(tǒng)式量表的一種，用該五級量表對三種授課方法教學(xué)成效的相關(guān)陳述予以主觀反饋。該量表由一系列陳述組成，每一陳述有“非常同意”“同意”“不一定”“不同意”“非常不同意”等五種回答，分別記數(shù)值 5、4、3、2、1，不同數(shù)值代表滿意度的不同，數(shù)值越大滿意度越高。

研究過程如下：首先對教師完成一個(gè)講解任務(wù)所需的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)；在完成講解之后，對一個(gè)課時(shí)內(nèi)完成規(guī)定測試調(diào)試任務(wù)的學(xué)生數(shù)統(tǒng)計(jì)。最后根據(jù)授課數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)對授課效果進(jìn)行比較分析。

表1 參加授課學(xué)生列表

本研究面向參與三種教學(xué)方法的大二學(xué)生(見表1)，共發(fā)放調(diào)查問卷 147 份，收回有效問卷141份。分組描述統(tǒng)計(jì)量表如表2所示。

表2 統(tǒng)計(jì)量表

2 結(jié)果與討論

在表2中量表均值處于3.21～4.76之間，即在“3=不一定”與“4=同意”附近浮動(dòng)，顯然通過對采用不同教學(xué)法的學(xué)生對其滿意度的基本情況比較，能看出仿真式教學(xué)相對其他兩種形式教學(xué)法滿意度最高，傳統(tǒng)授課式教學(xué)在實(shí)踐類課程中已經(jīng)不太受學(xué)生認(rèn)可。

通過分析可知單因素方差分析顯著,方差齊性不顯著，表3即為通過Tamhane′s T2(M)方法來檢驗(yàn)學(xué)生針對三種不同的教學(xué)法的滿意度狀況。

表3 Tamhane′s T2(M)檢驗(yàn)

*注：*均值差的顯著性水平為0.05

這是各組兩兩之間的均值比較結(jié)果，相應(yīng)顯著性概率皆為0.000，可以看出：教學(xué)方法的不同對學(xué)生滿意度的影響非常明顯，其中虛擬儀器仿真教學(xué)法最優(yōu)，實(shí)訓(xùn)法次之，普通授課式教學(xué)法最差。

此外，通過對教師完成一個(gè)授課講解任務(wù)所需時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：

仿真法教學(xué)耗時(shí)14分鐘，實(shí)訓(xùn)室演示法教學(xué)耗時(shí)18分鐘，而普通授課式教學(xué)耗時(shí)為25分鐘。

由于利用仿真法授課，畫面直觀，指令可以實(shí)時(shí)顯示，機(jī)械手在任何時(shí)候的動(dòng)作與程序都能一一對應(yīng)，加上仿真無需硬件外部接線，所以節(jié)省了教師的大量時(shí)間，效果與效率最高。

實(shí)訓(xùn)室演示法教學(xué)，教學(xué)直觀，但是較遠(yuǎn)處學(xué)生不易看清楚程序與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，此外教師需要一定時(shí)間進(jìn)行外部接線，調(diào)試的時(shí)候，指示燈對機(jī)械手的位置描述不直觀，學(xué)生容易發(fā)生混淆，效果與效率次之。

普通授課式教學(xué)，在教室通過板書和幻燈片對程序進(jìn)行講解，耗時(shí)長，學(xué)生感到聽得吃力，由于沒有直觀看到實(shí)訓(xùn)的全部過程，只能在幻燈片上看到最終實(shí)訓(xùn)結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果差，教師上課耗時(shí)大，效率低下。

最后，在完成講解之后，讓學(xué)生到實(shí)訓(xùn)室在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定測試調(diào)試任務(wù)的學(xué)生數(shù)統(tǒng)計(jì)如下：

仿真組完成人數(shù)最多為41人，實(shí)訓(xùn)組34人完成，而教學(xué)組只有23人完成任務(wù)。

顯然，仿真組獲得最好的教學(xué)效果，而實(shí)訓(xùn)組次之，教學(xué)組的效果欠佳。

測評的結(jié)論體現(xiàn)出新技術(shù)引入的教學(xué)模式對于學(xué)生對順序控制過程的思考能力起著積極促進(jìn)作用，極大增強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)場的認(rèn)識，提高對指令的理解力與復(fù)雜系統(tǒng)的編程能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)綜合工控課程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

通過在PLC課程授課過程中引入新技術(shù)，并與其他授課方式進(jìn)行實(shí)證對比研究，對該教學(xué)方法的成效進(jìn)行分析。結(jié)果表明，學(xué)生對虛擬儀器引入課程教學(xué)的認(rèn)可度普遍較高，授課效率高，授課效果最好。采用該種方法，學(xué)生對授課方式的滿意度、對知識點(diǎn)的掌握度及綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力都有不同程度的提升。工控課程教學(xué)未來的發(fā)展前景是與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，通過身臨其境的交互式視景的仿真，獲得更好的教學(xué)效果[7]。

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[責(zé)任編輯、校對：梁春燕]

Abstract：This study evaluates the effect of introducing virtual instrument technology into real classes of the PLC course,and designs the training platform through configuration software.Through the three classes of students were used to teach different teaching methods,the use of questionnaire analysis of teaching effects were compared.The results show that the introduction of new technology is more effective to attract students′attention, improve students′interest in learning and enhance teachers′teaching effect.

Keywords：Virtual Instrument;vocational education;Configuration technology;PLC

AnAppliedStudyofVirtualInstrumentTechnologyinPLCCourses

ZHANGQi

(Department of Electrical Engineering,Maanshan Technical College,Maanshan 243031,China)

G434

A

1008-9233(2017)05-0085-04

2017-08-20

安徽省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究項(xiàng)目(KJ2017A893)；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015zjjh047)

張奇(1973-)，男，安徽六安人，副教授，主要從事工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)研究。