虛擬仿真技術在電氣控制線路安裝與檢修教學中的應用研究

王慧云?李海勇

摘 要：針對電氣控制線路安裝與檢修課程應用仿真軟件存在的問題，相關課題組成員創建所需的數字教育資源并進行教學實踐，尋求解決問題的方法，提出應用仿真教學軟件助力實訓教學的策略。

關鍵詞：仿真技術 電氣控制 教學應用

課 題：本文系山東省技工教育和職業培訓科研課題立項課題“虛擬仿真技術在《電氣控制線路安裝與檢修》教學中的應用研究”（課題編號：RSJY2022-Y040）的研究成果。

2022年2月，教育部相關負責人在介紹推動現代職業教育高質量發展有關工作情況時表示，將持續推動職業教育數字化升級，促進職業教育提高質量、提升形象。教育部將持續開發優質數字教學資源，構建國家、省、校三級資源庫互為補充，使用廣泛的資源庫應用體系，繼續推動建設數字化融媒體教材，加快虛擬仿真實訓基地建設。新冠肺炎疫情防控期間，學生通過線上平臺學習知識和技能，技工院校實訓教學遇到了挑戰。濟南市技師學院（以下簡稱學院）課題組（以下簡稱課題組）申請山東省技工教育和職業培訓科研課題“虛擬仿真技術在電氣控制線路安裝與檢修教學中的應用研究”，探索提高實訓教學效率、提升教學效果的途徑和方法。

一、虛擬仿真技術在國內外教育領域應用的現狀

虛擬仿真技術又稱VR技術，起源于20世紀60年代末，20世紀70年代，日本游戲公司推出Virtual Boy電子游戲交互設備，使VR設備和計算機設備交互實現無縫銜接，從而令VR技術在更多領域廣泛應用。21世紀初期，VR技術逐步融入軍事、教育及醫療等相關領域。2017年7月，教育部辦公廳下發《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》；2018年6月，教育部開放了“實驗空間”的實驗平臺，以VR技術輔助高等教育。

虛擬仿真是用虛擬搭建出的場景模擬類似真實場景的技術，操控虛擬的對象在虛擬的環境交互使用，對真實世界的特征進行模擬。許多高校開展了虛擬仿真技術相關研究工作。仿真技術在職業院校電氣類課程應用較多。學院使用Proteus、Multisim、PLC、MATLAB、Keil等仿真軟件輔助專業課教學；使用“電工技能與實訓仿真教學系統”仿真軟件輔助電氣控制線路安裝與檢修課程教學。

利用虛擬仿真技術輔助實驗教學有以下三個優點：一是提高實驗教學的實踐安全性；二是將知識概念立體化呈現，提高理論教學與實驗教學課程的連貫性；三是強化專業課教學實驗多元化教育能力。教師若能掌握計算機技術及數字建模技術應用方法，可以調整實驗內容，使虛擬仿真實驗教學適用于不同環境。

二、電氣控制線路安裝與檢修課程應用仿真軟件存在的問題

仿真軟件“電工技能與實訓仿真教學系統”應用于電氣控制線路安裝與檢修課程教學，提供電氣控制線路的原理、布局、連線和運行、排故等選項，可實現操作者和模型之間的交互，幫助學生直觀學習，受到很多專業課教師的歡迎。

有教師在使用過程中發現，軟件中選用的3種機床電氣控制線路和教材中的內容不一致。線上和線下教學需要使用中職電工專業教材《電氣控制線路安裝與檢修》模塊三項目一、二、三的數字教育資源。在“實驗空間”平臺，沒有找到適應技工院校電氣控制線路安裝與檢修課程的仿真實驗項目。

在新冠肺炎疫情防控時期，開展線上教學需要應用計算機仿真技術達成專業課實訓教學目標或輔助現場實訓教學。針對電氣控制線路安裝與檢修課程中應用仿真軟件存在的問題，課題組成員創建所需的數字教育資源并進行教學實踐，尋求解決問題的方法。

三、課題研究內容和研究方法

（一）課題研究內容

1.錄制和教材內容一致的3種機床電氣控制線路的工作原理微課

教材模塊三“常用生產機械電氣控制線路的識讀及故障檢修”，重點是CA6140型普通車床電氣線路、M7130型平面磨床電氣線路、Z3040型搖臂鉆床電氣線路3種機床電氣控制線路。課題組成員積極學習新技能，錄制此3種機床電氣控制線路的工作原理微課。

2.創建與實訓裝置相適宜的仿真軟件

學院設備“DLJCS-G4智能型四合一機床電氣技能實訓考核鑒定系統”用于實訓教學，創建仿真軟件的三維場景來源于實訓裝置DL-CA6140型普通車床電氣線路元器件布線區、DL-M7130型平面磨床電氣線路元器件布線區、DL-Z3040型搖臂鉆床電氣線路元件布線區。

創建仿真軟件的流程如下。

（1）應用Autodesk Inventor Professional 2019軟件，建立3種機床電氣控制線路所需元器件三維仿真模型。

（2）研發基于Unity3D平臺的3種機床電氣線路布局模擬操作程序。把三維仿真模型轉換成元器件主體模型，用Unity3D平臺搭建布局場景，結合C++語言制作腳本，控制元件移動和安裝位置判定。

（3）程序封裝成應用，使其支持PC平臺或手機客戶端。

3.應用創建的數字教育資源進行教學實踐

教師在電氣控制線路安裝與檢修教學中應用微課和仿真軟件進行教學，指導學生使用仿真軟件，在虛擬環境中，進行元器件布局安裝操作訓練。

4.調研仿真軟件應用案例和分析教學效果

以任課教師、在校學生作為訪談對象，調查教學中應用數字教育資源后學生學習興趣、學習態度的變化；學生在理論聯系實踐、知識應用能力、學習主動性方面產生的變化以及學生考試成績的變化。對照傳統教學模式，分析教學效果的差異。

（二）研究方法

1.文獻研究法

第一階段采用文獻研究法，選擇研究課題。文獻研究法是對文獻進行查閱、分析、整理，從而找出事物本質屬性的方法。文獻包括文字資料、圖形資料、符號資料、聲像資料等。

2.行動研究法

第二階段采用行動研究法，創建《電氣控制線路安裝與檢修》實訓教學數字教育資源。行動研究法是指在自然真實的教育環境中，教育實際工作者按照一定的操作程序，綜合運用多種研究方法與技術，以解決教育實際問題為首要目標的一種研究模式。行動研究法的一般步驟是：計劃—行動—考察—反思。

3.實驗研究法

第三階段采用實驗研究法，在教學中應用創建的數字教育資源進行教學實踐。實驗研究法是應用研究手段，根據一定的假設創造一定的條件、開展教育實踐活動，揭示教育活動中的因果關系的方法。實驗法的采用是建立在假設某一種教學方法和模式會對學生學習產生促進作用的基礎上，采用分組比對實驗的方法進行研究。

4.調查研究法

第四階段采用調查研究法，通過教學案例分析應用仿真軟件的教學效果。調查研究法是深入了解教育實際情況，發現存在的實際問題，尋求解決問題并探索教育規律的方法。研究過程中用到訪談法、問卷調查法、個案觀察法等。

四、在電氣控制線路安裝與檢修課程教學中應用仿真教學軟件助力實訓教學的策略

（一）基于虛擬仿真技術的課程改革

傳統的專業課教學，以教師為中心，教學活動圍繞理論知識的傳授和相關技能的實訓。當前推行以學生為中心的理實一體化教學。2020年，我國出現新冠肺炎疫情以后，微課、虛擬仿真軟件在線上教學中的應用越來越廣泛。學生可以登錄微課教學平臺學習專業課，觀看實驗操作，可以在線上教學過程中實現師生互動、生生互動，也可以使用仿真軟件參與虛擬實訓。

通過虛擬仿真軟件的使用，激發了學生的學習興趣，促進了理實一體化教學發展，提升了教師的信息技術應用能力。

（二）創建與實際場景相適宜的仿真軟件補充數字教育資源

近年來，Android系統得到了成熟的發展。Unity又稱Unity3D，具有許多優點，用戶可以通過Unity引擎實現各種游戲創意和三維互動開發，近年來在游戲開發領域中的使用率不斷提高。技工院校通過利用該引擎開發專業課實訓仿真軟件，可以提高學生的學習主動性，提高學生的專業實踐能力和理論理解能力。

五、小結

將虛擬仿真教學應用到實訓教學，可以提供和現實操作相似的實訓環境，具有非常強的交互性。這種應用提高了技工院校學生的課堂參與度，取得良好的實訓教學效果，同時，在完善線上實踐課程、輔助線下實訓教學、加強教師隊伍的建設等方面具有重要的實踐意義。

三維仿真軟件常用的有3ds Max、MaYa等，適用于許多應用領域，希望能夠開發出適合技工院校教育的3D虛擬仿真制作軟件。根據工學一體化技能人才培養模式的新要求，如果校企合作共建虛擬仿真資源，教學和工作場景統一，技工教育就可成為有源之水。目前，虛擬仿真技術僅僅輔助某些專業課的教學，如果建設成立體化教學資源庫，把虛擬仿真技術推廣到教學領域的各個環節，虛擬仿真技術應用就能夠大力助推教學改革的發展。

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（作者單位：濟南市技師學院）