職業(yè)院校電氣類課程教學數(shù)字化技術應用初探

莫懷訓 劉曉瑞

職業(yè)教育與信息技術的融合，不僅要關注學校的教學過程，還應該關注行業(yè)發(fā)展與信息技術的結合方式。本文從電氣類課程教學入手，研究在制造業(yè)數(shù)字化轉型的背景下，通過信息技術與課程教學的深度融合，促進相關專業(yè)緊貼國家“十四五”期間數(shù)字化轉型的要求，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

一、升級信息化教學理念，構建數(shù)字教學工具箱

1 .教學理念需從“信息化”升級到“數(shù)字化”

面向制造業(yè)的相關專業(yè)，如機電、電氣、數(shù)控、機器人等，應該在專業(yè)發(fā)展中主動轉向數(shù)字化改造，相關專業(yè)課程教學與信息技術的結合方式必須與時俱進，升級轉型。與信息技術結合的傳統(tǒng)思路主要服務于“利教助學”，但是對于專業(yè)所對應的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展需要考慮較少。例如，市面上已陸續(xù)出現(xiàn)了多種電氣仿真軟件，但教師在實際授課中并不太愿意使用，認為仿真軟件對教學“幫助有限”，不如直接根據(jù)實物開展相關知識技能教學。這種思維在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的時代已然落后，某種程度上已成為專業(yè)緊貼時代發(fā)展的障礙。

針對制造業(yè)相關專業(yè)的電氣類課程教學，我們應該及時升級到數(shù)字化融合理念，引入合適的電氣設計與仿真軟件，構建數(shù)字工具箱，合理設計教學方案，既充分發(fā)揮信息技術的傳統(tǒng)功能——利教助學、優(yōu)化過程，也將數(shù)字化制造理念——優(yōu)化設計、輔助制造、數(shù)據(jù)監(jiān)測等根據(jù)實際情況引入到教學中，并付諸教學實踐，從而培養(yǎng)學生成為具有數(shù)字化制造理念的新時代制造業(yè)人才。

2 .數(shù)字化教學工具箱構建原則

要實踐數(shù)字化教學，必須依賴合適的數(shù)字化工具，但目前并不存在包羅萬象、適合各方面需求的單個數(shù)字化工具，因此，必須構建合適的數(shù)字化工具箱。構建數(shù)字化工具箱時，選擇軟件的原則主要有以下幾點：其一是易于與信息技術相結合，達到利教助學的目標；其二是便于將制造全鏈（……設計繪圖→仿真優(yōu)化→選型制造……）數(shù)字化的理念引入，為培養(yǎng)數(shù)字化制造人才奠定基礎；其三是成本具有可行性，目前市面上面向企業(yè)、行業(yè)的電氣類設計、仿真及制造軟件大都是專用設計，費用昂貴，在一般職業(yè)院校中推廣成本很高，也未必適合教學使用。

在目前職業(yè)教育電氣類課程中可以應用的相關數(shù)字化工具比較多。我們選取幾個常用的經(jīng)典工具，針對其突出特點、教學應用、數(shù)字化能力培養(yǎng)以及成本等方面進行簡單對比分析。

（1）上海宇龍機電控制仿真軟件

①突出特點：支持原理圖、安裝圖、實物圖繪圖設計，元器件和控制對象豐富，可仿真演示；不支持輔助制造；不可自定義。②教學應用：支持在線教學，常用來輔助電氣課程教學。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學生數(shù)字化設計、數(shù)字化輔助制造能力。④成本較低。

（2）西門子NX MCD

①突出特點：支持數(shù)字孿生技術，可自定義控制對象，但開發(fā)難度較大。②教學應用：可作為電氣控制的對象來仿真聯(lián)調(diào)。③可培養(yǎng)學生對于電氣系統(tǒng)的整體設計能力。④成本較高。

（3）CADe_simu

①突出特點：支持繪圖設計、常用元器件，可仿真演示；部分支持輔助制造；PLC主要支持西門子；不可自定義。②教學應用：電氣類課程的原理圖、安裝圖繪制及仿真。利教助學能力較好。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學生數(shù)字化設計、數(shù)字化輔助制造能力。④成本較低。

（4）Factory IO

①突出特點：支持數(shù)字孿生技術，可部分自定義控制對象，開發(fā)難度適中。②教學應用：可對機電系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)。3D場景逼真度高，互動性好。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學生對于電氣系統(tǒng)及其控制對象的整體設計。④成本適中。

在實際使用中，還有V-ELEQ、電氣CAD、EPLAN、Matlab等工具。我們通常可以采用以上維度對其進行對比分析，從而選擇合適的工具構建數(shù)字化工具箱。另外還有一些供教育培訓使用的電氣仿真軟件工具，不過其內(nèi)容相對固定，不可根據(jù)任務需求自行設計，屬于多媒體互動演示資源，并不算真正的可以培養(yǎng)學生數(shù)字化能力的工具。

二、重構電氣課程教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生數(shù)字制造能力

1 .電氣領域的數(shù)字制造能力淺析

電氣領域的數(shù)字化制造主要是指在虛擬仿真、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術支撐下，快速實現(xiàn)產(chǎn)品性能滿足用戶需求的整個制造過程，主要包含設計數(shù)字化、裝備數(shù)字化和管理數(shù)字化等三個方面。

設計數(shù)字化主要包括原理圖繪制，參數(shù)化選型，自動化生成材料明細表、端子表、接線圖、安裝布置圖、總覽圖等內(nèi)容，以及原理仿真分析、參數(shù)優(yōu)化等。管理數(shù)字化主要包括制造計劃、模擬、質量檢查、NC編程等。裝備數(shù)字化主要是把整個制造過程涉及的裝備自動化、聯(lián)網(wǎng)化并數(shù)字化到孿生空間，方便監(jiān)控、靈活調(diào)度、數(shù)據(jù)收集等。

經(jīng)過研究，我們認為目前針對電氣課程教學來說，需要重點培養(yǎng)學生具備相應的數(shù)字能力：①原理圖繪制、仿真、分析及優(yōu)化等。本能力是最基礎的數(shù)字化能力，其他數(shù)字化能力基本都在此基礎上發(fā)展而來。②數(shù)字化制造。本能力主要是在原理圖或安裝圖的基礎上進一步輔助制造，包含參數(shù)化選型、制造材料明細表生成、端子表生成、接線圖生成等。③數(shù)字孿生技術。本能力是目前比較重要的數(shù)字化能力。在智能制造方面，數(shù)字孿生通過對產(chǎn)線或設備的仿真與驗證，對產(chǎn)品的實際運行進行模擬，可發(fā)現(xiàn)潛在故障，優(yōu)化產(chǎn)品設計等，提高產(chǎn)品質量，減少成本和風險。雖然數(shù)字化能力在不同的場景需求下可能還包含其他內(nèi)容，不過目前比較通用和基礎的能力主要是這三項。

2 .電氣課程數(shù)字化教學內(nèi)容的選擇

在制造業(yè)類專業(yè)中，電氣技術內(nèi)容不僅極其重要，而且內(nèi)容豐富，學習時間跨度大，從專業(yè)基礎到高級應用都有，同時因為概念抽象、理論豐富，導致學習難度也很大。選擇的數(shù)字化教學內(nèi)容主要應滿足以下條件：①滿足相應層次的人才培養(yǎng)需要。②易于與數(shù)字化技術相結合，市面上有合適的數(shù)字化工具。③便于將制造全鏈（……設計繪圖→仿真優(yōu)化→選型制造……）數(shù)字化以及數(shù)字孿生的理念引入，為培養(yǎng)數(shù)字化制造人才奠定基礎。

經(jīng)過團隊綜合研究，電子技術、電氣控制、電氣制圖、可編程控制器技術應用、工業(yè)機器人技術應用、檢測技術應用、氣動技術應用等課程內(nèi)容均符合以上要求。其中電子技術相關知識技能模塊相對獨立性較強，在智能制造類專業(yè)群中也非專業(yè)核心內(nèi)容，所以可以暫時不開展相關研究。而其他電氣類內(nèi)容可以可編程控制器技術、生產(chǎn)線數(shù)字化改造或數(shù)字孿生等課程為核心、以項目為抓手整體有機結合起來。

針對智能制造領域，一般的項目內(nèi)容涉及控制器、人機交互系統(tǒng)、執(zhí)行機構、工藝流程、數(shù)字仿真、自動檢測等方面。因此，我們選取的內(nèi)容應該符合項目整體構建的需求，在內(nèi)容組織上也盡量遵循項目生命周期的順序。

3 .融合方案的設計

在前面的研究內(nèi)容基礎之上，采用一一映射式的設計方法，設計出合理的深度融合方案。

方案設計基本方法：課程教學內(nèi)容的單元模塊、數(shù)字化工具的各基礎應用、數(shù)字化設計及制造的流程環(huán)節(jié)以及實訓項目盡量做到一一對應。

設計融合方案時，需解決的關鍵問題主要有兩個：其一是加入軟件工具應用之后，課時如何調(diào)配才能滿足人才培養(yǎng)需要；其二是各類環(huán)節(jié)之間映射在實踐中難以做到一一對應，有些環(huán)節(jié)根據(jù)實際情況需要壓縮到一起，那么如何構造真實的映射關系，既能基本體現(xiàn)數(shù)字化制造的特點，傳達出數(shù)字化制造的優(yōu)點，還能契合學校專業(yè)特色和軟件系統(tǒng)實際功能，是需要考慮的問題。

責任編輯 ?魏家堅