基于在線虛擬仿真實訓平臺的PLC在線實訓教學探究

孟佳

摘 要：如何進行在線實訓教學是線上教學中需要解決的難點之一。各類在線虛擬仿真教學平臺的逐步上線、虛擬仿真教學資源的開發與建設無疑為這一問題找到了很好的解決方案。文章以PLC課程為例，介紹了利用在線實訓平臺進行虛擬仿真實訓教學的實施過程，在一定程度上解決了當前在線實訓教學中存在的問題，最后給出在線虛擬仿真實訓教學的實施建議。

關鍵詞：PLC課程；在線虛擬仿真實訓教學；在線實訓教學平臺

Research on PLC Online Training based on online virtual simulation platform

Meng Jia

（Mechanical Engineering Department，Baotou Vocational & Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：How to carry out online practical training has become one of problems that need to be solved in online teaching.The gradual launching of various online virtual simulation teaching platforms and the development and construction of virtual simulation teaching resources，can undoubtedly provide a good solution to this problem.Taking the PLC course as an example，this paper briefly introduces the implementation process of online virtual simulation practical training by using a online training platform.To a certain extent，it solves the problems existing in the current online teaching and gives some suggestions for the implement of online virtual simulation practical training.

Key words：PLC course;online virtual simulation practical training;online practical teaching platform

PLC課程是機電一體化專業中的核心課程之一，主要解決機電設備智能控制的問題，并且對學生的動手實踐技能要求較高，因此實驗教學是PLC課程教學中的重要環節。

隨著計算機軟件技術、信息技術的發展，PLC課程的線下實訓教學大多用虛擬仿真實驗教學軟件為載體開展。例如王曉燕運用某機電控制仿真軟件對PLC進行了仿真研究，［1］朱紅娟基于Factory IO軟件對PLC虛擬仿真控制系統進行了研究。［2］然而，新冠疫情打破了線下實驗教學的慣常秩序，PLC課程也開啟了線上教學探索，例如趙洋、胡亞偉借助TIA Portal軟件和某公司推出的PLCSIM仿真軟件實現并完成了PLC線上實驗教學。［3］

在近幾年的線上教學實踐與探索中，我們發現：如何有效開展在線實訓（實驗）教學成為目前理實一體化課程線上教學急需突破的難點，PLC課程也不例外。為解決此難點，一些在線實訓互動平臺應運而生，例如國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺、國家智慧教育公共服務平臺等官方平臺，以及諸多工程類、教育類軟件公司開發的針對目標行業及領域的在線教育平臺。本文選用了上海某軟件公司的在線虛擬仿真實訓平臺進行PLC課程的線上交互式實訓教學。

一、教學實施

以PLC課程基礎案例——三相異步電動機點動控制項目為例，介紹基于虛擬仿真教學平臺的教學實施過程，包括理論教學、電路接線與安裝、PLC程序編寫、在線考核評價等四個方面，詳見流程圖（如圖1）。

1.點動控制的理論教學

學生可通過軟件平臺進入“在線課程”模塊自主學習，在線完成同步測試，平臺自動打分，作為理論考核成績。平臺的理論考核內容已將工程思維融入同步測試的題目中，比如成本和可選元器件在實際工程中很大程度上決定了工程方案的選擇與實施，因此，在同步測試中，較以往的“仿真實操”和“知識小測”，又增加了“實物測量”“成本測算”兩類問題，引導學生要注重工程應用中的元件選型和成本問題。

2.電氣控制線路的接線與安裝

以三相異步電動機點動電氣控制線路為例，包含四項在線仿真免安裝實驗項目，分別為：試運行實訓項目和實驗報告、現場接線、電氣接線圖繪制、點動控制綜合實驗等。該軟件平臺電氣控制部分的實訓構建了從選取電氣元器件、進行電氣圖設計到線路連接、檢測、運行的全過程實訓項目，彌補了線下實訓資源和場地的不足，做到了“人手一套虛擬實訓設備”。

3.PLC程序編寫

PLC程序編寫實訓任務中，通過“任務要求”“技術資料”“仿真操作”“填寫報告”四部分將電氣控制場景與PLC程序運行結果關聯，幫助學生參考“技術資料”中的PLC接線地址進行編程，將編寫好的程序下載到虛擬PLC中，對電機進行“仿真操作”，驗證程序設計是否滿足“任務要求”。該過程與線下實訓步驟和實訓效果相同。

PLC編程需要建立編程邏輯思維，并掌握編程方法，對于目前高職學生來講有一定難度。在線實訓項目案例將動作細化、分解為單獨的工作任務，如自動卷簾門控制案例包括三個工作任務：開門程序、關門程序、完整的開關門控制程序。極大程度上將學習內容分步、分塊，學習難度降低，符合學生認知和學習習慣，有助于提高學生的學習獲得感，并從中獲得自我激勵。

使用在線教學仿真實訓平臺為學生提供了更加開放的自主學習機會。學生可隨時隨地用電腦或手機登錄平臺，進行在線學習；且平臺資源豐富，包括與實訓教學配套的理論資源、實訓過程的人機交互實時反饋、實訓環節的示教視頻等，方便學生進行課前預習、課中跟學、課后測驗和復習。學生通過自主探索、實訓操作，大幅提高了學習興趣和學習積極性，課程的教學效果也隨之有明顯提升。

4.在線考核評價

針對在線實訓項目，如何進行全面、客觀的考核并由系統自動生成考核成績，是考核評價的重點。該平臺對每個項目設置了分階段任務和總任務，例如自動卷簾門程序控制項目中，分別設置了開門程序、關門程序、總程序三個任務，學生需要逐一完成仿真操作、實驗報告填寫等。平臺可通過對學生的實訓操作過程和完成情況進行自動考核評分，評分結果可直接用作虛擬仿真實訓模塊的成績，再結合線上理論測試成績、線下實訓操作的考評成績及“理、虛、實”各模塊所占的權重比，即可對學生本門課程的學習效果進行綜合評價。

二、目前在線實訓教學平臺已解決的問題

以往在虛擬仿真實訓教學中，大多采用在電腦上安裝虛擬仿真軟件的方法，老師在課堂上在線示教（屏幕共享）軟件的下載、安裝、使用、編程、仿真、監控調試等實訓步驟。一旦學生注意力不集中或出現網絡故障，部分操作環節則可能被遺漏。另外，如果教師示教的實訓環節操作步驟較多或較復雜，也不便于學生課上記憶。雖然在線課程通常可以錄制并回放，但實質上，回放對于教學效果的補充與提高收效甚微。現在運用在線實訓教學平臺進行在線實訓教學，能夠解決以往存在的四個問題：

1.解決了在線實訓教學受限于軟硬件的問題

對于很多自然科學類課程的實訓教學，電腦等基礎硬件都是必要的。而在很多經濟欠發達地區，全班學生的電腦人均擁有量低于50%，比如我校平均每班有電腦的同學不超過20%——但使用手機的同學幾乎是100%。這就造成了在線教學期間，大部分學生只能用手機觀看老師操作，而無法參與實訓互動，導致課程的在線實訓教學效果不佳。而很多在線實訓教學平臺用手機即可登錄，且操作方法和呈現效果均與電腦端相同，方便所有學生在手機端邊聽邊練。很多實訓軟件安裝流程較復雜，即便在線下實訓教學中，學生通常都無法獨立完成安裝，需要老師現場指導。線上教學環境下，老師對此的指導更是難以開展。大部分在線實訓教學平臺已將實訓軟件內嵌到平臺內，無需單獨安裝，學生點擊登錄后即可直接打開，為線上實訓教學節省了很多時間。

為解決以上問題，可考慮由教育供給方（學校、老師、教育平臺等）提供的技術支持保障多一點，對學生的客觀條件要求少一點。只有學校與軟件企業聯手，打破教育技術壁壘、降低課程教學的硬件條件門檻，才能從開課第一步化解學生對課程學習的無力感，給予所有學生公平學習的機會。

2.解決了在線實訓教學受限于平臺可用的問題

相較于線上理論教學成熟的網絡平臺和技術手段，要想實現線上實訓教學，在線交互式實訓平臺必不可少。教育類軟件公司瞄準這一教育轉型需求，已根據各自的行業領域或優勢特色，開發出行業定位明確的虛擬仿真實訓項目或建設在線虛擬仿真實訓平臺。截至2022年9月初，國家職業教育智慧教育平臺虛擬仿真實訓中心共建有704條虛擬仿真類素材，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺共建有3257個實驗中心。

關于仿真資源與平臺的對接問題，教育部平臺和企業平臺的不同點在于：國家級平臺是為推動智慧教育而搭建的開放式大平臺，主要通過平臺接口技術鏈接到資源所在的具體平臺。通常，這些具體平臺都需要單獨的賬號密碼才能進入并使用，因此，目前國家級虛擬仿真平臺的賬戶在真正意義上并非“一路暢通”。而企業平臺通常為自主開發，不存在與外部資源對接的接口問題，登陸后可以在該平臺內 “一通到底”。

3.解決了在線實訓教學受限于資源適用的問題

目前，很多課程平臺上在線精品開放課的課程資源形式集中在文檔、動畫、微課、視頻等，其中，與實訓教學有關的資源大多以文檔形式給出實訓教程、任務工單、實訓報告和測評題，以ppt、動畫、微課、視頻等形式呈現實訓操作原理，以現場實訓示教視頻（拍攝錄制）為主講解實操步驟。總體來講，目前平臺上的在線課資源類型仍以教學輸出為主，僅能滿足學生的自主線上理論學習需求，而無法真正落實到在線交互實訓。

要實現在線交互實訓或建設線上實訓課程，平臺上必須有可用的虛擬仿真類型的實訓資源。以國家職業教育智慧教育平臺的虛擬仿真類素材為例，16.76%為3D實訓軟件、81%為3D模型、2.4%為3D場景，其中3D模型和3D場景基本上是用于支撐前面3D實訓軟件的素材，而3D實訓軟件大部分為VR/MR虛擬仿真實訓軟件。經了解，國家級平臺上大部分VR/MR虛擬仿真實訓軟件需要VR配套硬件才能呈現。某些實訓教學平臺雖僅有二維虛擬仿真實訓項目，但其仿真項目任務設計合理、內容完整，可滿足在線交互式虛擬仿真實訓教學這一基本要求；關鍵是對硬件設備的要求門檻較低，在教學推廣性、普適性、實用性上反而更占優勢。在資源層面上，目前亟需解決的是“有沒有”的問題，后續才能談“好不好”的問題。

4.解決了在線實訓教學受限于考核評價的問題

教學評價一直是教育改革閉環的重點內容，在線實訓教學也不例外。現有的在線虛擬仿真實訓平臺中大部分實訓項目均涵蓋該模塊。

三、在線虛擬仿真實訓教學的實施建議

1.校企合作開發典型教學案例

從職業教育發展來看，首先需要加快產教融合、校企合作的步伐，從技術發展和教學規律兩個維度，共同開發出既符合行業企業生產技術發展、又符合職業教育規律的典型教學案例。

2.借助軟件平臺開發在線互動實訓教學項目

除了與生產企業合作，還要積極尋找、對接教育服務類企業，充分運用軟件技術開發在線實訓項目，將典型教學案例以虛擬仿真實訓項目的形式在教學平臺上呈現，滿足學生能夠進行在線交互實訓、實操過程得到實時反饋的需求。

3.依托線上教學資源建設在線理實一體化課程

針對在線互動虛擬仿真實訓項目，還要建設配套的數字圖書館、教學資源庫和必要的實操步驟引導、測評系統等互動資源體系，這樣，才能建設一門資源完備的、可實現在線學習、在線實訓、在線測評的“理實一體化”課程。為學生提供更多的學習資源，鼓勵學生進行個性化自主學習。

四、結語

在線教育是教育信息化發展的必然產物，信息化教學水平和教育技術的提升也是諸位老師要面臨的時代大考。我們要跟隨國家教育改革政策的引導，主動轉變傳統教學思路和模式，嘗試探索新的教育技術、教學平臺和實現方式，不斷了解信息化教育市場的發展與變化，才能切實找到適合本專業的在線教學解決方案。

參考文獻：

［1］王曉燕.基于洗衣機的PLC仿真研究［J］.科學技術創新，2018（35）：77-78.

［2］朱紅娟.基于Factory IO的PLC虛擬仿真控制系統研究［J］.信息與電腦（理論版），2020（14）：224-226.

［3］趙洋，胡亞偉.基于工業軟件的“PLC原理及應用”線上實驗教學實踐［J］.實驗技術與管理，2021，38（1）：175-178.

（責任編輯 陳潤梅）