仿真技術在高職院校鐵道供電專業教學中的應用研究

四川管理職業學院 龍 雄 劉玉寶 顏 偉 周小紅 鄭 丹

1 引言

仿真技術是一門多學科的綜合性技術，它以控制論、系統論、相似原理和信息技術為基礎，以計算機和專用設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗。仿真通過仿真工具實現，仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機以及一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。仿真軟件包括為仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數據庫為核心的仿真軟件系統。仿真教學也稱為模擬教學，就是用計算機來模擬真實自然現象或社會現象，學生模擬扮演某一角色進行技能訓練的一種教學方法。仿真教學能在很大程度上彌補客觀條件的不足，為學生提供近似真實的訓練環境，提高學生職業技能。

2 仿真技術在教學中應用的特點

將仿真技術引入高職教育的某些教學環節，模擬真實的實驗、實習過程，生動展現實驗設備的構造、工作原理、工藝流程，讓學生在虛擬但逼真的環境中進行操作實踐，可以驗證原理定理、觀察實驗現象，在模擬真現場中操作，達到訓練技能的目的。學生置身于仿真環境中，可以充分調動感覺、運動和思維，極大地提高學習效率。曾經有教育心理學家對采用仿真教學和傳統教學進行比較，試驗結果表明：仿真教學模式下，學生可以記憶約70%的內容，而傳統的“教師講，學生聽”教學模式下，學生只能記憶約30%的內容。仿真教學具有如下特點：

1）形象直觀性。仿真遵循相似原理的基本原則，利用仿真技術可以模擬出與真實環境近乎相同的特性環境。在仿真軟件中可以靈活地設置各種參數、模擬條件，就可以自如地模擬真實世界中的各種情況，并且逼真地呈現在學生面前，對調動學生的學習積極性，突破教學重點、難點，培養學生實踐動手能力都能起到積極的作用。

2）安全可靠性和全面性。一方面，與真實實驗相比，在仿真過程中所涉及到的設備、元件、儀器儀表等都是虛擬的，即使在操作過程中出現錯誤或失誤也能有效防止對設備和人員帶來的安全隱患。另一方面，隨著仿真技術研究的深入，各種仿真軟件在設計時已能充分考慮各種實際因素對實際研究的影響及作用形式，充分考慮到虛擬實驗設備的運行特性、負載變化、環境影響等各種因素，在操作過程中能設定各種事故及極限運行狀態。通過仿真，可以了解真實世界中無法實現的危險性操作，或者臨界條件。

3）良好的交互性。在仿真教學中，真正體現了學生為主體教師為主導的教學模式，學生在教學過程中扮演主要角色。仿真軟件強大的交互性能使學生可以置身于各種復雜環境中，自己動手設置各種實驗參數，并及時地得到結果，更好地認識和解決所遇到的問題，進而激發學生的求知欲望，引導學生主動學習。

4）提高學生學習能動性。仿真軟件一般都是獨立操作，獨立完成，學生必須開動腦筋認真分析問題，從而才能準確地解決問題。仿真軟件的操作不存在限制，學生可以海闊天空地想象，進行各種各樣的設計，并迅速地通過仿真看到結果。學生們主觀能動性的提高，就意味著教師可以騰出手來做更多的教學工作，或進行有針對性的指導工作。通過仿真訓練，學生們充分了解自己所學的知識，應用領域，應用前景等，將理論與實踐相結合，增強了對專業技術的認識，從而激發敬業精神。通過計算機仿真，在虛擬環境中由于錯誤的操作而產生的安全事故，學生能提高警覺，分析故障原因，掌握排除故障的技巧。總之仿真教學作為一種教學手段，能更好的提高學生學習能動性。

5）卓越的經濟性。在鐵道供電專業教學資源中，相比動輒上千萬的變電所等硬件教學資源，仿真教學資源屬于“軟投入”，重點在仿真軟件的建設，且仿真軟件隨著技術的能發展不斷地升級，能較好地適應教學需求的波動，從而大大節約了實驗設備、儀器儀表等教學資源的資金投入，提高了教育資金的使用效率。

3 仿真技術在教學中的技術應用分析

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》指出：職業教育要把提高質量作為重點，以服務為宗旨，以就業為導向，推進教育教學改革，實行工學結合、校企合作、頂崗實習的人才培養模式。在職業教育教學各環節中應強化實踐教學，突出實踐動手能力、專業能力、職業能力培養。然而許多行業領域對應的專業教學引入大型且價格昂貴的教學設備不現實，運用仿真工具培養學生的職業技能成為一種有效的途徑。

1）仿真教學環境的操作流程與規則立足于實際業務操作規范，虛擬操作環境與真實操作體驗基本一致，以牽引變電所運行與維護課程為例，若利用仿真實現牽引變電所實訓教學，學生可以利用計算機模擬變電所值班員崗位，在仿真環境中進行對設備控制、監測等實際操作，與真實的業務環境進行交互，實現雙向良性互動。

2）借助仿真技術，可以模擬故障與不正常運行狀態的發生，將學生置于各種復雜、突發業務環境中，進行有針對性的聯系，提高自身動手解決問題的能力。

3）仿真工具安裝投入運行后，學生可將仿真軟件安裝在個人計算機內，結合任課教師上課的演示，便可在課余時間自主學習，受教室、師資等條件約束大大減小，具有極大靈活性。

4）仿真平臺提供虛擬的業務環境，避免對真實系統的影響。在牽引變電所實訓中，學生模擬扮演變電所值班員的身份，可以嘗試各種日常及極端操作演練，提高職業技能水平。另外，仿真平臺能提供創新的考核方式，能準確量化評估學生業務操作能力，實現自動化考核，從而激勵學生認真學習掌握操作技能。

4 仿真技術在高職鐵道供電專業應用的現狀

目前，在高職鐵道供電專業各門課程的教學環節中，部分專業基礎課程在實驗教學環節引入了仿真技術。

1）仿真技術在電工電子技術課程教學中的應用。目前比較常用的電工電子技術仿真的常用仿真軟件有：PSpice 仿真軟件，模擬及混合信號saber仿真軟件，PLECS仿真軟件，PSIM仿真軟件，CASPOC仿真軟件，基于Matlab的Simulink仿真軟件，EWB仿真軟件等。如EWB仿真軟件是一種專門用于電子電路設計與仿真的軟件，它提供了幾千種電子元件與虛擬設備（示波器、萬用表、函數發生器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等），在集成的開發環境中進行電路設計、分析與仿真，可由老師上課演示，課后學生能根據課堂所講內容進行無障礙性實驗，不用擔心安全問題，也排除了元器件損耗和儀器損壞，非常適合教學及實驗。

2）仿真技術在PLC課程中的應用。PLC相關課程常用的仿真軟件有三菱公司的GX simulator和西門子公司的STEP 7 V11 —TIA Portal仿真軟件等。如三菱公司的GX軟件的使用：創建一個“新工程”---編寫梯形圖---啟動仿真---軟元件調試---梯形圖的監視執行---軟元件狀態監控和時序圖監控---PLC運行和退出。學生在個人計算機中安裝該軟件，便可利用自己的課余時間編寫不同功能的程序，并且能夠通過軟元件調試和監控，不斷的修正和完善自己的作品。以該軟件為核心，也可進行更深層次的仿真教學軟件開發，使得仿真情景更接近真實的業務環境。

3）多媒體智能考核維修電工仿真教學軟件的應用。利用生動的動畫演示，配合語音對電路工作原理進行講解；可通過半透明的原理圖上的提示進行相關操作；具有與設備一致的實驗項目和實物元件介紹；具有實驗目的的描述、實驗器材的展示、典型電路的分析、電路原理聲動同步的解說、元件布局模擬操作、電路原理的模擬接線，模擬現場的工業仿真等功能。所有圖標及器件均采用3D建模，通過美工處理，整體畫面美觀大方。通過軟件的教學及仿真，能激發學員的思維、增強學員的感性認識，更好地剖析教學的重點、難點。軟件中的項目內容都和實訓設備相關，學生在去實驗室之前，就可以對實操項目在理論和感觀上有個初步的認識。

5 基于仿真技術的高職鐵道供電專業教學改革

以PLC課程教學中應用GX simulator為例，從教材建設、教學方法、師資培訓、考核方式等方面進行基于仿真技術的教學改革探討。

1）建設與教學內容配套的仿真實驗和實驗教材。開發與教學內容配套的仿真實驗，研究能利用仿真技術的教學內容整合方式，加強利用仿真技術的本專業教材建設。如PLC課程可根據教學內容從易到難設計“基本定時器程序”、“基本計數器程序”、“簡易呼叫系統”、“傳動帶控制”“電機控制”“電梯控制”“全自動洗衣機控制”等項目實驗內容。通過程序的調試及運行結果的測試，進而加強學生對梯形圖、指令語句的掌握。在實際教學過程中，教師可以根據學生實際情況，提出不同功能的項目要求，讓學生在實驗過程中不斷的提高發現問題、解決問題的能力。目前鐵道供電類專業仿真實驗的教材較少，多數使用教學設備廠家提供的設備使用指導手冊，建設含有仿真項目的道供電類專業教材非常必要。

2）基于仿真技術的教學方法、手段改革。仿真技術可用于課堂演示、學生實驗，也可以用于學生課后作業、復習、自學等，可以改進教學方法、豐富教學手段、拓展知識技能。在課堂教學中進行仿真演示、操作，能使抽象的知識點變得直觀、形象、容易理解，可以將規律、原理有傳統的灌輸式教學，變成學生探索式、研究式學習。仿真實驗與真實實驗相結合，可使學生的操作能力和理論結合實際的能力得到提高。如PLC課程中“全自動洗衣機控制”項目既可以在仿真軟件中實現，也可用電機代替洗衣機，用真實的PLC去控制電機的轉動，進而呈現真實的實驗結果。

3）考核方式改革。傳統的課程考核成績由平時成績和期末筆試成績兩部分構成，平時成績由學生平時出勤、課堂表現、作業完成情況等決定，期末考試內容多為記憶性的知識原理考查，這種考核方式往往造成死記硬背就能得高分的現象。引入仿真教學，可將課程考核成績改為由平時成績、仿真操作成績和期末筆試成績三部分，且仿真操作成績權重不小于30%，這樣的考核方式更能體現學生對所學知識的掌握情況，也體現了重學習過程的考核創新。

6 結束語

職業教育的發展與行業的發展息息相關，依托行業培養出高素質的技能型人才，培養的畢業生才能滿足市場和企業的職業要求。而以鐵路行業為代表的許多行業領域對應的相關專業教學無法引入大型且價格昂貴的教學設備，那么在現代職業教育應用仿真平臺培養學生的職業技能將成為一種有效的辦法。

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