基于“元世界”平臺的電氣控制虛擬仿真課程開發新模式*

任偉

河南建筑職業技術學院 河南 鄭州 450064

引言

職業院校智能制造虛擬仿真實訓課程建設順應職業教育發展，滿足了高水平復合型智能制造人才培養的需要，通過深化產教融合，資源整合集聚，助推了“三教”改革。但目前建設過程中，大多只進行了立體化教材資源、二維動畫、在線開放課程、MOOC公開課等形式的資源開發，仍存在信息技術與職業教育教學融合不夠、虛擬仿真技術在實踐教學中應用水平不高，同時受制于師資、場地、安全等因素，目前實訓條件存在著碎片化、簡單化、分散化和失真化等缺陷[1]。另外隨著技術的快速發展，學生訴求逐步從單純的知識受眾轉向技術能力掌握、獨立思考培養和綜合素質提升。創新實訓教學模式，吸引學生興趣、提高實訓教學效果、改進教學過程體驗也是我們當前進行教學創新改革的迫切需要。

傳統的“可編程控制技術”“電氣控制技術”“變頻控制技術”等實訓課程采用實訓箱、實訓臺、實訓柜等純硬件方式，可以滿足正常的理論與實訓演示教學，但實訓室建設過程中存在“高投入、高耗材、高管理、難實操、難再現、難升級、難在線、難售后”等痛點。

1 技術方案

世界是由物質和物質的運動組成，物質可以用有限的屬性被描述，可以通過借鑒以方塊為基礎元素構建的《我的世界》這個游戲的開發思路，以元件為基礎構建虛擬仿真課程開發“元世界”平臺，用“元件”來表述物質，可以是場景、角色（人）、工具、設備等，虛擬仿真實驗可以表述為控制節點約束下的元件的屬性變化和行為調用[2]。通過應用數字孿生理念，創新應用三維數字技術，按照以虛帶實、以虛助實、虛實結合原則，構建一個電氣控制系統虛擬仿真課程實訓平臺。該平臺依托大數據、人機交互、三維建模、虛擬現實等數字化技術手段，系統的應用解決了傳統實訓教學手段不足，二維動畫效果不強等因素制約的困境。該方案技術路線如下：①系統采用C/S（客戶端/服務器）架構，客戶端采用基于.NET平臺的Win Form程序，一方面起到調用并定位Unity3D虛擬仿真程序的功能，又兼具Web容器功能，靈活擴展更多互聯網平臺的業務功能。另一方面客戶端通過與服務器的數據通信，減少Unity3D虛擬仿真程序本地運行壓力，增加虛擬仿真程序運行穩定性和安全性。②服務端使用的開發語言為Java，使用JavaBean+JDBC架構，數據庫使用MySQL。③虛擬仿真實訓終端系統軟件作為協議轉換中間件，以插件形式內置于虛擬仿真程序中，隨主程序一起啟動，用于配置IO點位進行協議轉換，支持與西門子博途、三菱GXWorks2、Matlab/Simulink等外部軟件進行數據通信。

仿真平臺同時滿足三種實訓模式，即軟件仿真實訓模式、軟硬件虛實結合仿真實訓模式、硬件工藝實訓模式，按知識目標培養到技術能力目標培養的教學順序，創新地實現了接線方式從二維到三維的轉變，達到國內先進水平。通過“交互式、體驗式”的過程操作貫穿教學全周期，符合教學周期的自然規律。注重“教學內容”和“崗位場景”相結合，突出專業對職業的適應性。軟件平臺架構如圖所示。

圖1 軟硬件構架

2 功能與應用

通過以上技術方案開發的電氣控制虛擬仿真可同時滿足三種實訓模式，即軟件仿真實訓模式、軟硬件虛實結合仿真實訓模式、硬件工藝實訓模式。三種實訓模式，按順序依次展開教學，符合教學周期的自然規律[3]。

2.1 軟件仿真實訓模式

以在線3D資源學習、原理認知、仿真訓練等資源學習與原理仿真為主，針對學生進行的理論知識目標培養。該模式集3D資源學習、電氣控制柜虛擬仿真接線訓練、過程評價、增值性評價考核于一體。

2.2 軟硬件虛實結合仿真實訓模式

由軟件仿真與硬件工藝接線共同組成，兼顧理論學習與技能訓練，并以功能性驗證仿真與點位接線為主，是針對學生進行的功能性驗證與設計思維培養；該模式下支持25個PLC應用場景與真實PLC、觸摸屏等設備進行虛實交互，支持I/O點位分配、PLC編程與Wincc組態監控。

2.3 硬件工藝實訓模式

以學生的真實設備認知、動手實訓實操等硬件工藝訓練為主，是針對學生進行的專業技術能力培養；滿足設備認知、系統設計、線纜敷設、設備安裝、工藝接線、變頻控制、伺服控制、步進控制、觸摸屏調試、PLC編程、Wincc組態監控等內容。

3 方案應用效果

通過仿真設備認知與仿真場景訓練，系統地訓練學生的專業技術、實際動手、設計規劃、交流溝通、團隊協作、效率意識及創新思維等能力，同時培養了其嚴謹的工作作風和良好的職業素養。解決了多方面教學問題[4]：

3.1 “交互式、體驗式”的過程操作貫穿教學全周期

將“硬件實訓實操、工藝訓練”“軟件虛擬仿真學習與訓練”“軟硬件虛實結合仿真訓練”等教學項目相結合，同時滿足了理論教學、虛擬仿真功能性驗證、硬件實訓實操等教學全周期的需求，創新地實現了接線方式從二維到三維的轉變，如圖2所示，該模式為國內先進水平。

圖2 接線方式從二維轉到三維轉變

3.2 “教學內容”和“行業應用”相結合，突出專業對職業的適應性

通過情景化的教學，解決了教學過程中場景資源少，教學體驗差的問題。虛實訓練相結合，解決了實訓室只有硬件難以啟用，或啟用后難以恢復還原的教學現狀。解決了教學過程中設備耗材成本較高、設備損壞，重復利用率低的問題。虛擬仿真環境中可以反復訓練，可同步安全注意事項，人員安全得到保障。

3.3 依托學習數據，實施多維評價

解決了教學過程中只有少數人動手操作的問題，滿足更多人次同時進行實訓。解決了教學評價難的問題，系統自動監測學員的學習狀態，收集仿真訓練過程中完成的關鍵技能信息，自動上傳至平臺，并生成成績信息，為過程評價和增值性評價提供數據支持。

4 結束語

教學平臺與資源的更新是動態的和不斷完善的，后期還應進一步豐富虛擬仿真設備的數量和功能，緊跟新技術、新產品的發展，完善系統的學習功能，方便學生進行獨立自主學習，如開發職業資格證書對應實踐考核模塊，為技能鑒定提供教學和訓練支撐。還可以開發更多場景，結合院校特色，重點開發土木建筑領域的電氣控制場景，為建筑業升級改造提供支撐。