基于虛擬仿真技術的中職PLC教學研究與實踐研討

摘要：《中國教育現代化2035》提出了“教學信息化”，《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》提出將虛擬仿真技術作為在線實踐教學的新方式。在此背景下，中職PLC教學應嘗試與虛擬仿真技術相融合，一方面提升教學的現代化與智能化水平，另一方面借助虛擬仿真技術解決教學資源不足、教學條件不理想等現實問題，進一步提高中職PLC教學質量。本文首先分析PLC教學現狀與虛擬仿真技術在PLC教學中的應用優勢，其次探討了基于虛擬仿真技術的PLC教學模式與具體實踐策略，最后提出虛擬仿真技術在PLC教學中的應用解決了哪些問題及今后應用建議。

關鍵詞：虛擬仿真技術；PLC教學；研究與實踐

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是數字運算操作電子系統，主要用于工業環境，具有可靠性高、靈活性強、易于擴展、通用性強、使用方便等優勢。隨著PLC在工業領域的應用越來越廣泛，機電一體化專業學生需要掌握扎實的PLC知識以及積累豐富的PLC操作經驗。因此，實踐教學是PLC課程教學中的重要環節，但隨著實踐教學的開展，教師發現有限的教學資源難以支持學生實現高效學習，為解決這一現狀，PLC課程開啟了線上教學探索，發現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、泛雅平臺等能夠為PLC課程教學提供良好的支撐，切實提高PLC課程教學的實效性。

一、PLC教學現狀

PLC教學一般采用教師講授、學生聽課的傳統方式，對此教學模式進行分析發現，其在保證課堂秩序、完成教學任務方面有著明顯優勢，但同時其也有著較為顯著的不足。以教師講授、學生聽課為主的教學方式難以取得理想的教學效果，其普遍存在三大弊端，一是學生普遍會在兩周后出現明顯的知識遺忘現象；二是學生在課堂上的參與感與體驗感較差，學習積極性與主動性不強；三是忽視了學生的主動性和創造性，不能有效地培養學生的動手能力和實踐能力。而PLC教學對學生自學能力、思維能力、實踐能力、創造能力要求較高，由此可見，傳統的教學模式無法滿足PLC教學要求。為打破傳統教學模式給PLC教學帶來的桎梏，有效提高PLC教學效率與質量。將虛擬仿真技術融入教學中，倡導利用虛擬仿真技術使學生能夠模擬PLC程序設計、調試和運行，切實提高學生的實際操作能力和解決問題能力［1］。

二、虛擬仿6e2ed7258df351058939ca1b723d867d9ba4b959b84b8951679d5a447a029eb0真技術在PLC教學中的應用優勢

傳統的“PLC控制技術”課程教學模式主要是教師在為學生講授理論知識后，指導學生在實訓臺上利用所學知識來開展驗證性實驗，其目的是加強學生對所學知識的掌握深度，同時鍛煉學生的實操能力。但這種教學模式也存在較為明顯的不足，如學生在已知結果下開展實驗操作會使其思維受到桎梏，同時缺失學習興趣與積極性等。建構主義學習理論指出學生不應該是知識的被動接受者，而是學習的主人，強調知識的建構來源于學生的個人體驗。針對此，將虛擬仿真技術應用于PLC教學中，建構基于虛擬仿真技術的多元化實訓教學模式，滿足學生在不同學習階段的學習需求。為充分發揮虛擬仿真技術在PLC教學中的應用價值，教師與學生需要掌握不同虛擬仿真技術獨有的優勢，以便根據教學需求選擇最恰當的虛擬仿真技術。仿真動畫技術、電工技能與實訓仿真教學系統、CADe_SIMU電氣線路繪制仿真軟件、FXTRNBEGC仿真系統、GXworks軟件的鮮明特點分別為可視化與動態化、元素豐富且操作簡單、可操作性強且可用于繪制電氣原理圖、可模擬豐富的現代化生產環節、支持實際工程項目與現場調試。獨特優勢在于可將抽象化的電器元件原理結構變得直觀化簡單化，可幫助學生建立完整的知識體系，可支持單步模擬，具有很好的可操作性，可支持學生在軟件中進行PLC編程、設備安裝、接線、調試、運行、故障排除等多方面的專業技術能力訓練，可以實現程序的虛擬仿真與調試，因為其有簡單工程和結構工程兩種編程方式，支持梯形圖、指令表、SFC、ST、結構化梯形圖等編程語言［2］。

三、基于虛擬仿真技術的PLC教學模式構建

（一）教學目標

為了更好地實現人才培養目標，助力學生職業發展，構建了基于正確價值觀引領的專業知識和專業技能培養體系，并最終實現崗位適任的教學總目標。具體教學目標主要從專業知識、專業技能、崗位要求和課程思政四個方面展開，通過理論與仿真技術相結合的教學，使學生了解PLC的基本結構、工作原理、發展趨勢和應用領域；了解PLC的主要性能指標、工作方式、安裝布線等技術要求；熟練掌握典型PLC的編程指令，使用編程軟件編制與修改一般PLC控制程序。通過仿真與實踐操作，使學生初步具備分析實際PLC控制系統的能力，能合作完成簡單控制系統的設計、安裝、編程和調試工作。通過課程學習，使學生具備PLC開發所必需的基本知識與技能。培養學生規范意識、質量意識、創造意識，使學生初步具備工藝員、技術員和設計員等應用崗位所需的職業道德，提升職業素養，為最終成為一個具有家國情懷的技術技能型人才奠定基礎。

結合崗位能力需求，基于虛擬仿真技術的PLC教學要尊重學生的主體地位，指導學生充分利用仿真動畫技術、電工技能與實訓仿真教學系統、CADeSIMU電氣線路繪制仿真軟件、FXTRNBEGC仿真系統、GXworks軟件開展深層次的自主思考、合作探究、實操練習，實現理論知識與實操技能提升［3］。

（二）課程內容

傳統PLC課程的銜接不夠理想且存在知識點分散、細碎等問題，為提高基于虛擬仿真技術的PLC教學質量，幫助學生構建系統化的知識體系，為學生今后遷移應用PLC知識奠定良好基礎，需要對課程內容進行重構。

基于綜合化、模塊化和項目化的設計思路，以實踐活動為主線，將理論知識和技能訓練有機結合，對PLC課程內容進行梳理整合后確定了三大模塊、六個項目。三大模塊為基本邏輯指令模塊、步進指令模塊和功能指令模塊，項目具體為三相交流異步電動機的控制、電動門運行控制、物料分揀控制系統、交通信號燈的控制、小車多工位運料控制、霓虹燈系統控制。六個項目分別為24課時、8課時、8課時、4課時、8課時、8課時，共計60課時。采用任務驅動教學模式，將每個項目又拆分為若干個小任務，在每個任務中融入了PLC的基礎知識、程序設計、電氣連接等方面的專業知識和技能。通過系統化的課程教學，學生可熟練掌握各種基本命令、熟練繪制系統線路圖與安裝線路、了解FX系列編程器等其他軟件轉換接口、掌握梯形圖與指令表等編程方式［4］。

（三）思政元素

為了實現產教融合、德技并修的育人目標，深入挖掘基于虛擬仿真技術的PLC教學中的思政元素，在教學各個環節融入課程思政點。在課程導入環節，可以通過大國工匠、技能大師教學案例，將民族精神、科技力量、制造強國、國家擔當等思政點融入教學過程。在課程實施環節，例如程序設計部分，利用仿真技術，訓練科學思維方法，培育學生勇于探索的精神。

同時整個教學環節將規范意識、責任意識、精益求精的工匠精神潛移默化地傳遞給學生，旨在將職業道德、職業素養、愛國情懷、工匠精神等元素融入課程教學內容中，做到德育為先，人文立課。

（四）仿真系統的選擇

上文已經梳理總結了不同虛擬仿真技術獨有的優勢，教師在實際教學過程中需要結合每個模塊的內容特點和學生表現，對比各個仿真軟件的優勢，采用最合適的虛擬仿真技術，以加強虛擬仿真技術在PLC教學中的應用價值，切實提高PLC教學的實效性。

四、基于虛擬仿真技術的PLC教學實踐

（一）課前預習

教師在課前通過信息化平臺推送與任務相關的視頻資源，讓學生初步對需要學習的知識點有一定的了解，并完成相關的練習。例如，教師在基本指令模塊教學時為學生布置理論知識自學任務，引導其利用泛雅平臺上的在線課程開展學習并要求學生在學習結束后完成平臺上的小測試。

（二）課堂教學

課堂教學強調操作規范，培養工匠精神，可分解成以下幾步來完成學習目標。

1.任務引入與分析

任務的引入可以采用創設情境的方式，將學生帶入一個具體的場景中，引導學生思考并發現需bf619569e253099767b9828f8eda5f85b96923825f4fc4e45d1728b58dc37fda要學習的知識和技能；也可以提出一個或多個問題，激發學生的好奇心和探究欲望，促進他們的主動學習和思考；還可以通過具體的案例，讓學生分析和討論案例中的問題和解決方案，進而引出教學內容和任務。

2.知識儲備與問題探究

以步進指令模塊的教學實踐為例，教師利用網絡平臺和FXTRNBEGC仿真系統為學生提供豐富的學習資源。學生在課前利用教學視頻、課件、文獻資料等了解狀態轉移圖的概念、狀態編程法以及電動門操作系統的運行原理等基礎知識。

分析課前預習的檢測結果，在課堂上對學生自學有困難或較難理解的知識點進行重點講解，如SFC編程中STL與RET的使用、SFC與梯形圖的轉換。同時引導學生思考步進順控程序應用場合，探究自動門任務中的控制要求和解決方法。

3.總結與評價

總結梳理任務中的知識點、重點難點以及遇到的問題和解決方法，鍛煉學生溝通交流的能力。同時也可以在總結過程中融入思政元素，進一步進行課程思政。

采用多元化評價方法，課前預習情況、課中任務實踐、課后作業拓展，學習平臺自我評價、組內互評、組間互評、教師評價相結合。實施過程式評價，評價學生在學習過程中的具體表現，在實訓過程中對知識的運用情況，考查學生學習態度、學習能力、協作能力。

（三）課后拓展

課后拓展采用線上討論、線下作業相結合的方式進行，達到夯實基礎、拓展技能的目標。以順序功能圖的應用教學實踐為例，先要求學生在線上結合所學知識與“匠心制造智慧車庫，合力共創文明城市”相關新聞，討論“智慧車庫與城市發展的關系？智慧車庫是如何實現的”等問題，要求學生嘗試用仿真軟件設計完成智慧車庫程序，幫助學生進一步鞏固課堂所學，鍛煉學生運用所學知識解決實際問題的能力。

五、虛擬仿真技術在PLC教學中的優勢及應用建議

（一）解決了哪些問題

首先，解決了在線實訓教學受限于軟硬件的問題。學生之間的家庭條件不同、學校之間的教學條件不同，部分學生會因缺失軟硬件設備而無法開展高效學習等情況。將虛擬仿真技術應用于PLC教學中能夠讓學生在虛擬空間進行學習，使現實生活中的軟硬件設備不再是學習的必備品，切實化解了學生對課程學習的無力感。其次，解決了在線實訓教學受限于平臺可用的問題。基于在線教學需求不斷增加，越來越多的線上學習平臺出現，但這類平臺往往難以滿足在線模擬學習等需求。而虛擬仿真技術的有效應用，使學生真正擁有了可滿足自身學習需求的在線交互式實訓平臺。最后，解決了在線實訓教學受限于資源使用的問題。在傳統教學模式下，學生的主要學習陣地是課堂，學生用于實踐的資源多為現實材料，這就導致學生被“困”于課堂上，同時也面臨著教學資源缺失而無法開展實踐的情況，但將虛擬仿真技術融入PLC課程，學生能夠隨時隨地進行學習，甚至可以根據自身需求開展個性化學習［7］。

（二）應用建議

首先，加強校企合作，以開發更多的典型教學案例。PLC課程教學的目的是提高學生實際應用可編程邏輯控制器的能力，而這不僅需要學生開展實踐操作，也需要學生接觸到豐富的、多元的真實案例，以幫助學生積累有用的經驗?；诖艘?，中職學校需要進一步加強校企合作，借助企業的力量開發更多的典型教學案例，為學生綜合能力提升提供助力。其次，借助軟件平臺開發在線互動實訓教學項目。通過校企合作獲取典型教學案例后，需要將其以虛擬仿真實訓項目的形式在教學平臺上呈現，讓學生能夠真正通過案例獲取到有效的信息。最后，依托線上教學資源建設在線理實一體化課程。數字圖書館、教學資源庫、測評系統等均是建設在線理實一體化課程的重要內容，中職學校需要在今后發展中對此類內容加以重視，以搭建起完善的線上學習體系，讓學生通過在線學習、在線實訓、在線測評，不斷實現綜合能力提升［8］。

結語

綜上所述，開展基于虛擬仿真技術的PLC教學研究與實踐研討具有重要作用，基于研究可知傳統教學模式無法滿足PLC教學要求，導致PLC教學效果與預期不符，而虛擬仿真技術在PLC教學中的應用解決了在線實訓教學受限于軟硬件、受限于平臺可用、受限于資源適用等問題，對提高PLC教學效率與質量有著重要意義。在今后PLC教學過程中，中職學校需要充分認識到，在線教育是教育信息化發展的必然產物，因此為進一步加強虛擬仿真技術的應用價值，可從加強校企合作、開發在線互動實訓教學項目以及建設在線理實一體化課程等角度入手，這也是學者今后的研究方向。

參考文獻：

［1］劉起漢.基于仿真技術的電氣控制與PLC技術教學研究［J］.木工機床，2023（4）：3739+48.

［2］尤向陽，劉志強，嚴風，等.基于TIAPortal和FactoryIO聯合仿真的PLC教學研究［J］.三門峽職業技術學院學報，2023，22（4）：4447.

［3］崔健，喻向天，張賽昆，等.基于Blender建模和Unity3D場景構建的PLC虛擬仿真實驗教學平臺［J］.中國設備工程，2023（23）：266270.

［4］王有新，蔡玉奎，辛倩倩，等.基于NXMCD的數字孿生虛擬仿真系統實驗教學研究與實踐［J］.裝備制造技術，2023（10）：8085.

［5］移康英.基于TIAPotal軟件的PLCSIM虛擬仿真在PLC線上教學中的設計與實踐［J］.時代汽車，2023（14）：7274.

［6］何志勇，余雷.PLC控制對象的虛擬仿真及教學應用實踐［J］.科教導刊（電子版），2023（13）：5658.

［7］孟佳.基于在線虛擬仿真實訓平臺的PLC在線實訓教學探究［J］.包頭職業技術學院學報，2023，24（1）：5861.

［8］尤向陽.虛擬仿真軟件FactoryIO在PLC實踐教學中的應用［J］.安徽電子信息職業技術學院學報，2022，21（6）：5256.

作者簡介：顧佳茗（1986—），女，漢族，江蘇靖江人，研究生，講師，研究方向：電子電工。