虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在工程能力教學(xué)中的應(yīng)用

劉霞 李小斌

摘? 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對課堂理論及硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充和延展，文章以“電氣控制及PLC”課程改革為背景，通過一個(gè)工程實(shí)例介紹Automation Studio 仿真軟件的使用方法，闡明在項(xiàng)目教學(xué)法的驅(qū)動(dòng)下通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，既能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，又能克服學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)間和地域上局限性，同時(shí)有效的利用教學(xué)軟、硬件資源。通過實(shí)踐證明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，對提高工科學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力有較好的輔助作用。

關(guān)鍵詞：電氣控制;項(xiàng)目教學(xué)法;仿真;在線學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(jù)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)與《普通高等院校本課專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》和《中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》對接后修訂的本科人才培養(yǎng)方案，“電氣控制及PLC”課程是在完成“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”、“電路分析”、“電機(jī)拖動(dòng)”等工程基礎(chǔ)課程之后開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是本專業(yè)的核心課程之一，扎實(shí)掌握本課程知識(shí)點(diǎn)可以為學(xué)習(xí)后續(xù)的“自動(dòng)控制系統(tǒng)”、“電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)”等課程以及提高工程設(shè)計(jì)能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。課程首先要求掌握各種常用電器工作原理、結(jié)構(gòu)和性能，其次在系統(tǒng)中能分析各種工作狀態(tài)并做簡單的設(shè)計(jì)應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，在傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用基于仿真的項(xiàng)目教學(xué)方法，訓(xùn)練學(xué)生達(dá)到快速分析項(xiàng)目目標(biāo)、完成項(xiàng)目，學(xué)習(xí)過程中能夠選擇適當(dāng)?shù)姆抡婀ぞ哌M(jìn)行問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案并進(jìn)一步研究的要求，能初步掌握繪制電氣控制圖等相關(guān)職業(yè)規(guī)范，要求學(xué)生具有終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，通過自主學(xué)習(xí)發(fā)展自身能力，達(dá)到《普通高等院校本課專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》和《中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)畢業(yè)要求。

《標(biāo)準(zhǔn)》中提出“適當(dāng)增加實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分比重，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生全面發(fā)展和個(gè)性發(fā)展提供充分的自主空間。”本項(xiàng)目教學(xué)法以此為核心思想，以微課形式引導(dǎo)學(xué)生利用更多的課余時(shí)間學(xué)習(xí)，同時(shí)引入適當(dāng)?shù)姆抡孳浖鳛閷W(xué)習(xí)過程的應(yīng)用工具，該軟件具有分時(shí)段授權(quán)使用功能，只要服務(wù)器在線，學(xué)生在固定實(shí)驗(yàn)室固定時(shí)間學(xué)習(xí)之余，都可以“將仿真實(shí)驗(yàn)室?guī)Щ厮奚帷保?充分利用自己的時(shí)間和空間自主學(xué)習(xí)，再回到實(shí)驗(yàn)室尋求指導(dǎo)教師幫助解決疑難問題，實(shí)現(xiàn)以“學(xué)生為主導(dǎo)”的角色轉(zhuǎn)換。

一、“虛”“實(shí)”結(jié)合的必要性

項(xiàng)目指導(dǎo)教師利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布項(xiàng)目題目以及預(yù)備知識(shí)授課視頻并給出仿真實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生利用課余時(shí)間分組在線學(xué)習(xí)探討，充分利用課余時(shí)間，將課堂理論知識(shí)有效的延展[2]。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以感受到實(shí)驗(yàn)室的“虛”“實(shí)”結(jié)合有著重要的意義。一方面，F(xiàn)amic虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)室時(shí)間限定的缺陷，在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)生不一定完全理解實(shí)驗(yàn)過程和被測數(shù)據(jù)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(xué)生對數(shù)據(jù)反復(fù)測量，多次比較，將多參數(shù)曲線進(jìn)行分析，才能夠更深刻地了解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)和參數(shù)的物理意義，使學(xué)習(xí)更輕松、更直觀，大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面，《中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中畢業(yè)要求5中提出“學(xué)生能夠應(yīng)用仿真軟件預(yù)測和模擬電氣工程中的實(shí)際問題”的同時(shí)強(qiáng)調(diào)了“能夠理解仿真結(jié)果的局限性”，通過與實(shí)體硬件實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)做對比，學(xué)生明白了因受到應(yīng)用環(huán)境以及儀器精度和測量準(zhǔn)確度的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中的仿真數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)參考時(shí)，還要不斷地進(jìn)行調(diào)試才能達(dá)到控制要求，實(shí)驗(yàn)只有“虛”“實(shí)”結(jié)合、深度分析，才能得出科學(xué)的結(jié)論。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為工科學(xué)生擁有一定的工程設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)技能提供了強(qiáng)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(fā)的綜合仿真軟件，該軟件能進(jìn)行多領(lǐng)域建模仿真，系統(tǒng)可由電氣、氣動(dòng)、液壓之類的單一技術(shù)構(gòu)成，也可由多種技術(shù)綜合構(gòu)成。軟件通用性強(qiáng)，已成為控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化的一項(xiàng)重要工具。該軟件界面簡單、易學(xué)易用的特點(diǎn)使其在電氣控制的輔助教學(xué)方面發(fā)揮了重要作用。學(xué)生可以通過建模、編程、仿真等一系列實(shí)踐活動(dòng)以直觀的方式完成電氣控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)[1]。

三、具體應(yīng)用

現(xiàn)以控制運(yùn)料小車項(xiàng)目為例進(jìn)行仿真軟件應(yīng)用說明。

（一）項(xiàng)目分析

首先布置項(xiàng)目，對項(xiàng)目任務(wù)要求進(jìn)行分析，找出涉及的知識(shí)點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)前期預(yù)習(xí)準(zhǔn)備工作。

1. 控制要求

要求控制一輛運(yùn)料小車，由一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，到指定地點(diǎn)A裝料，5分鐘后返回到B點(diǎn)卸料，3分鐘后再裝料。在任何時(shí)間任何地點(diǎn)小車都可以人工手動(dòng)停車，再進(jìn)行裝料或者卸料的運(yùn)行操作。

2. 項(xiàng)目控制硬件配置

（1）總停控制開關(guān)SB，前進(jìn)開關(guān)SB1，后退開關(guān)SB2。

（2）A、B點(diǎn)安裝行程開關(guān)SQA、SQB作為自動(dòng)返回信號。

（3）時(shí)間控制選用具有定時(shí)功能的控制設(shè)備時(shí)間繼電器A、B。[4]

（二）發(fā)布微課視頻——課外知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

本項(xiàng)目控制任務(wù)簡單，涉及的知識(shí)點(diǎn)有：①三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn);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(shí)點(diǎn)①在“電氣控制及PLC”課程中已經(jīng)講授并做了相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)鞏固其工作原理。知識(shí)點(diǎn)②和③屬于工廠常用電器設(shè)備領(lǐng)域，要求學(xué)生首先通過教師提供的資料學(xué)習(xí)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(guān)系，運(yùn)用基本的觸點(diǎn)串、并聯(lián)連接、定時(shí)器等實(shí)現(xiàn)控制功能[5]。教師在實(shí)驗(yàn)前將相關(guān)內(nèi)容做成微課視頻發(fā)布，便于學(xué)生在線學(xué)習(xí)。

（三）仿真模型搭建

在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上布置完項(xiàng)目任務(wù)后，由學(xué)生利用業(yè)余時(shí)間相互進(jìn)行討論，完成設(shè)計(jì)并手繪電氣控制圖，教師在大家討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)評。隨后利用開放實(shí)驗(yàn)的固定時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室集中指導(dǎo)在Famic Automation Studio中搭建模型，訓(xùn)練學(xué)生對于項(xiàng)目所需元器件的選擇與應(yīng)用，以對整個(gè)系統(tǒng)有整體的把握，學(xué)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(diào)試

在Automation Studio中進(jìn)行仿真，觀察模型工作情況，并根據(jù)仿真情況對錯(cuò)誤或不合規(guī)范的繪圖進(jìn)行修改。在此階段，可通過運(yùn)用虛擬儀表測試系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)了解電機(jī)運(yùn)行特性，實(shí)時(shí)對應(yīng)顯示每一仿真步驟的模型運(yùn)行情況，也可以設(shè)計(jì)預(yù)定故障，觀察數(shù)據(jù)變化，進(jìn)一步掌握系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況。將數(shù)據(jù)、波型或曲線記錄下來如圖2所示，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告[3]。

（五）項(xiàng)目延伸

項(xiàng)目設(shè)計(jì)仿真結(jié)束后，對學(xué)生布置升級任務(wù)訓(xùn)練拓展能力，要求應(yīng)用順序功能圖SFC中的結(jié)構(gòu)化文本實(shí)現(xiàn)二維動(dòng)畫制作，生動(dòng)再現(xiàn)符合控制要求的動(dòng)態(tài)演示如圖3所示，更直觀地理解控制過程;有能力的學(xué)生可以通過自學(xué)S7-1200PLC應(yīng)用技術(shù)[5]完成相應(yīng)的控制任務(wù)。結(jié)構(gòu)化文本如下：

（六）綜合評價(jià)

以上步驟學(xué)生獨(dú)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(shù)變化的意義，撰寫2000字左右的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中掌握了哪些虛擬儀器的使用方法，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，以及對實(shí)驗(yàn)過程的感受，通過郵件發(fā)給教師。教師對學(xué)生的任務(wù)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行點(diǎn)評，指出存在問題，幫助找到解決的方法。

通過以上步驟，實(shí)現(xiàn)由布置項(xiàng)目到目的性學(xué)習(xí)，再到利用所學(xué)知識(shí)逐步完成任務(wù)的探索，有利于學(xué)生對整個(gè)電機(jī)的控制系統(tǒng)有初步了解，對控制邏輯關(guān)系能以一種更直接明了的方式來驗(yàn)證，Automation Studio軟件平臺(tái)對控制結(jié)果以一種非常直觀的方式進(jìn)行了仿真;學(xué)生在掌握使用了該軟件后，亦可直接在工作中用此軟件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)仿真，且在機(jī)電一體化、液壓、氣動(dòng)如圖4等領(lǐng)域課程的自主學(xué)習(xí)中，能拓展自身的專業(yè)技能。

四、結(jié)束語

在項(xiàng)目實(shí)施過程中混合使用了利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的互動(dòng)式教學(xué)、微課的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式、基于Automation Studio軟件的在線學(xué)習(xí)模式，優(yōu)勢在于：（1）學(xué)生能針對個(gè)人學(xué)習(xí)情況反復(fù)觀看微課視頻，根據(jù)個(gè)人進(jìn)度安排學(xué)習(xí)時(shí)間，使得時(shí)間的安排相對自由化。（2）在固定實(shí)驗(yàn)室未完成的任務(wù)，可以在線學(xué)習(xí)的方式繼續(xù)完成項(xiàng)目，克服了地域上的困難，充分共享資源。在線學(xué)習(xí)模式得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是Automation Studio軟件的分時(shí)段授權(quán)使用功能的使用，解決了硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足和受時(shí)間限制的難題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有效地提高實(shí)踐教學(xué)的比例，是工科學(xué)生更好地走進(jìn)生產(chǎn)、面向工程的一種值得推廣的方法。

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