虛擬仿真實驗在工程能力教學中的應用

劉霞 李小斌

摘? 要：虛擬仿真實驗是對課堂理論及硬件實驗教學的補充和延展，文章以“電氣控制及PLC”課程改革為背景，通過一個工程實例介紹Automation Studio 仿真軟件的使用方法，闡明在項目教學法的驅動下通過虛擬仿真實驗，既能充分調動學生學習積極性，又能克服學生在學習時間和地域上局限性，同時有效的利用教學軟、硬件資源。通過實踐證明虛擬仿真實驗教學效果良好，對提高工科學生的工程設計能力有較好的輔助作用。

關鍵詞：電氣控制;項目教學法;仿真;在線學習

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）05-0115-03

Abstract： Virtual simulation experiment is a supplement and extension of theory and hardware experiment teaching. Based on the reform of "Electrical Control and PLC"， this paper introduces the method of Automation Studio simulation software and illustrates that not only the students' learning enthusiasm can be mobilized， but also the limitations in learning time and region can be overcome by virtual simulation experiment， and teaching software and hardware resources be effectively utilized. It has been proved through practice that the teaching effect of virtual simulation experiment is good， and it has a good auxiliary effect on improving the engineering design ability of engineering students.

Keywords： electrical control; project teaching method; simulation; online learning

引言

根據電氣工程及其自動化專業與《普通高等院校本課專業類教學質量國家標準》和《中國工程教育認證標準》對接后修訂的本科人才培養方案，“電氣控制及PLC”課程是在完成“高等數學”、“大學物理”、“電路分析”、“電機拖動”等工程基礎課程之后開設的專業基礎課程，是本專業的核心課程之一，扎實掌握本課程知識點可以為學習后續的“自動控制系統”、“電力系統分析基礎”等課程以及提高工程設計能力打下堅實的基礎。課程首先要求掌握各種常用電器工作原理、結構和性能，其次在系統中能分析各種工作狀態并做簡單的設計應用。為了進一步提高教學質量，在傳統理論教學和實體實驗基礎上，采用基于仿真的項目教學方法，訓練學生達到快速分析項目目標、完成項目，學習過程中能夠選擇適當的仿真工具進行問題分析、設計/開發解決方案并進一步研究的要求，能初步掌握繪制電氣控制圖等相關職業規范，要求學生具有終身學習的意識，通過自主學習發展自身能力，達到《普通高等院校本課專業類教學質量國家標準》和《中國工程教育認證標準》中相應畢業要求。

《標準》中提出“適當增加實踐性教學環節學分比重，引導學生自主學習，為學生全面發展和個性發展提供充分的自主空間?！北卷椖拷虒W法以此為核心思想，以微課形式引導學生利用更多的課余時間學習，同時引入適當的仿真軟件作為學習過程的應用工具，該軟件具有分時段授權使用功能，只要服務器在線，學生在固定實驗室固定時間學習之余，都可以“將仿真實驗室帶回宿舍”， 充分利用自己的時間和空間自主學習，再回到實驗室尋求指導教師幫助解決疑難問題，實現以“學生為主導”的角色轉換。

一、“虛”“實”結合的必要性

項目指導教師利用網絡發布項目題目以及預備知識授課視頻并給出仿真實驗要求，學生利用課余時間分組在線學習探討，充分利用課余時間，將課堂理論知識有效的延展[2]。在學習過程中，學生可以感受到實驗室的“虛”“實”結合有著重要的意義。一方面，Famic虛擬仿真實驗彌補了硬件實驗室時間限定的缺陷，在有限的時間內學生不一定完全理解實驗過程和被測數據的物理意義。在仿真過程中通過掌握虛擬測量儀表的使用，學生對數據反復測量，多次比較，將多參數曲線進行分析，才能夠更深刻地了解各個知識點和參數的物理意義，使學習更輕松、更直觀，大大地激發了學生的學習興趣，另一方面，《中國工程教育認證標準》中畢業要求5中提出“學生能夠應用仿真軟件預測和模擬電氣工程中的實際問題”的同時強調了“能夠理解仿真結果的局限性”，通過與實體硬件實驗室的數據做對比，學生明白了因受到應用環境以及儀器精度和測量準確度的影響，在實驗過程中的仿真數據作為設計參考時，還要不斷地進行調試才能達到控制要求，實驗只有“虛”“實”結合、深度分析，才能得出科學的結論。虛擬仿真實驗為工科學生擁有一定的工程設計能力和設計技能提供了強大的支撐作用。

二、仿真軟件介紹

Automation Studio是一款由加拿大Famic公司開發的綜合仿真軟件，該軟件能進行多領域建模仿真，系統可由電氣、氣動、液壓之類的單一技術構成，也可由多種技術綜合構成。軟件通用性強，已成為控制領域設計人員進行系統設計與仿真優化的一項重要工具。該軟件界面簡單、易學易用的特點使其在電氣控制的輔助教學方面發揮了重要作用。學生可以通過建模、編程、仿真等一系列實踐活動以直觀的方式完成電氣控制系統的學習[1]。

三、具體應用

現以控制運料小車項目為例進行仿真軟件應用說明。

（一）項目分析

首先布置項目，對項目任務要求進行分析，找出涉及的知識點做實驗前期預習準備工作。

1. 控制要求

要求控制一輛運料小車，由一臺三相異步電動機驅動，到指定地點A裝料，5分鐘后返回到B點卸料，3分鐘后再裝料。在任何時間任何地點小車都可以人工手動停車，再進行裝料或者卸料的運行操作。

2. 項目控制硬件配置

（1）總?？刂崎_關SB，前進開關SB1，后退開關SB2。

（2）A、B點安裝行程開關SQA、SQB作為自動返回信號。

（3）時間控制選用具有定時功能的控制設備時間繼電器A、B。[4]

（二）發布微課視頻——課外知識點學習

本項目控制任務簡單，涉及的知識點有：①三相異步電動機的正反轉;②基本電氣控制元件的使用;③電氣主線路圖和輔助線路圖的繪制。其中，知識點①在“電氣控制及PLC”課程中已經講授并做了相應的硬件實驗鞏固其工作原理。知識點②和③屬于工廠常用電器設備領域，要求學生首先通過教師提供的資料學習接觸器、繼電器的工作原理，了解主回路、簡單控制回路的控制邏輯關系，運用基本的觸點串、并聯連接、定時器等實現控制功能[5]。教師在實驗前將相關內容做成微課視頻發布，便于學生在線學習。

（三）仿真模型搭建

在網絡平臺上布置完項目任務后，由學生利用業余時間相互進行討論，完成設計并手繪電氣控制圖，教師在大家討論的基礎上進行點評。隨后利用開放實驗的固定時間，在實驗室集中指導在Famic Automation Studio中搭建模型，訓練學生對于項目所需元器件的選擇與應用，以對整個系統有整體的把握，學生將各自的模型搭建完后，教師給出參考模型如圖1所示。

（四）仿真調試

在Automation Studio中進行仿真，觀察模型工作情況，并根據仿真情況對錯誤或不合規范的繪圖進行修改。在此階段，可通過運用虛擬儀表測試系統運行數據了解電機運行特性，實時對應顯示每一仿真步驟的模型運行情況，也可以設計預定故障，觀察數據變化，進一步掌握系統運行的實際情況。將數據、波型或曲線記錄下來如圖2所示，撰寫實驗報告[3]。

（五）項目延伸

項目設計仿真結束后，對學生布置升級任務訓練拓展能力，要求應用順序功能圖SFC中的結構化文本實現二維動畫制作，生動再現符合控制要求的動態演示如圖3所示，更直觀地理解控制過程;有能力的學生可以通過自學S7-1200PLC應用技術[5]完成相應的控制任務。結構化文本如下：

（六）綜合評價

以上步驟學生獨立完成后，將仿真過程錄制成視頻，在演示過程中解釋說明控制原理，參數變化的意義，撰寫2000字左右的實驗報告，包括實驗涉及的知識點，實驗中掌握了哪些虛擬儀器的使用方法，實驗現象說明，以及對實驗過程的感受，通過郵件發給教師。教師對學生的任務設計情況進行點評，指出存在問題，幫助找到解決的方法。

通過以上步驟，實現由布置項目到目的性學習，再到利用所學知識逐步完成任務的探索，有利于學生對整個電機的控制系統有初步了解，對控制邏輯關系能以一種更直接明了的方式來驗證，Automation Studio軟件平臺對控制結果以一種非常直觀的方式進行了仿真;學生在掌握使用了該軟件后，亦可直接在工作中用此軟件進行相關的設計仿真，且在機電一體化、液壓、氣動如圖4等領域課程的自主學習中，能拓展自身的專業技能。

四、結束語

在項目實施過程中混合使用了利用網絡進行的互動式教學、微課的移動學習模式、基于Automation Studio軟件的在線學習模式，優勢在于：（1）學生能針對個人學習情況反復觀看微課視頻，根據個人進度安排學習時間，使得時間的安排相對自由化。（2）在固定實驗室未完成的任務，可以在線學習的方式繼續完成項目，克服了地域上的困難，充分共享資源。在線學習模式得以實現的關鍵是Automation Studio軟件的分時段授權使用功能的使用，解決了硬件實驗設施不足和受時間限制的難題。虛擬仿真實驗室的建設有效地提高實踐教學的比例，是工科學生更好地走進生產、面向工程的一種值得推廣的方法。

參考文獻：

[1]曹賀.Automation Studio 在液壓系統設計中的應用[J].廣州：機床與液壓，2010（9）：53-55.

[2]李現友.Automation Studio 軟件在電液比例控制系統課程教學中的應用[J].北京：液壓氣動與密封，2013（9）：48-50.

[3]李華.基于Automation+Studio TM的PLC任務型在線學習模式構建研究[J].北京：科技創新導報，2014（20）：20-21.

[4]周潤景.基于Automation Studio的PLC系統設計、仿真及應用[M].北京：電子工業出版社，2012：67-78.

[5]王淑芳.電氣控制與S7-1200 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2016：23-30.