虛擬仿真技術在實訓教學改革中的應用

摘" 要" 傳統實訓教學模式存在一些難以解決的問題，而虛擬仿真技術作為近年來逐漸應用到各類教學過程中的新興技術，能夠模擬生產線的真實場景。分析電氣自動化技術專業實訓教學中存在的問題，以1+X可編程控制器為例，引入該實訓的虛擬仿真內容，分析其相對于實際設備的優勢和不足，探討該技術對于改進實訓教學水平、提高人才培養質量的重要意義。

關鍵詞" 實訓教學；電氣自動化；虛擬仿真技術；1+X可編程控制器

中圖分類號：G712" "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）23-0-03

0" 引言

電氣自動化專業在工程技術教育中占據重要的地位，而實訓教學作為該專業的重要組成部分，其質量直接關系學生的實際應用能力和未來的職業發展。在新工科建設背景下，只有持續推動實訓教學改革，才能確保培養的人才能夠符合行業需求，更好地建立起產學研用相結合的人才培養體系[1]。然而，傳統的實訓教學方式存在諸多問題，如設備昂貴、占地面積大、維護成本高以及受環境和資源限制等[2]。同時，由于傳統實訓設備的局限性，使其很難適應日新月異的實際工程控制需求，導致實訓內容滯后、缺乏靈活性。

在這樣的背景下，虛擬仿真技術作為一種創新的教學手段被引入實訓教學[3-4]。虛擬仿真技術可以通過模擬現實情景，提供高度仿真的學習環境，讓學生能夠在虛擬場景中進行實際操作，從而解決了傳統實訓教學所面臨的諸多問題。近年來，教育管理部門先后認定了多批與虛擬仿真技術相關的項目，這些舉措有力促進了虛擬仿真技術在高職教學中的應用[5]。此外，虛擬仿真技術還能夠顯著降低教學成本，實現資源的節約，同時可以實現實訓內容的動態更新，為教學改革提供助力[6]。

本研究以1+X可編程控制器為例，探討虛擬仿真技術在電氣自動化專業實訓教學改革中的應用，深入剖析虛擬仿真技術對學生技能培養、實際控制能力提升和創新能力與問題解決能力培養等方面的影響，從而為該專業的實訓教學改革提供可行的建議和方向。

1" 目前電氣自動化專業實訓教學存在的問題

首先，傳統實訓設備通常具有較高的購置費用，占地面積大，而且需要專門維護和保養，這給學校和教學實訓中心帶來了不小的經濟壓力。以1+X可編程控制器為例，一間實訓室配備5套設備，60臺電腦，購買設備費用高，實訓室維護和保養成本也不低，給學校帶來一定的經濟壓力。

其次，傳統實訓設備的使用受到了環境和資源的限制。以1+X可編程控制器為例，真實地模擬生產線的實訓通常面臨場地、設備、原材料等方面的困難，難以靈活改變，所能完成的實訓任務比較固定，同時5套設備難以滿足1個教學班的實訓教學。

再次，由于現實生產環境中控制系統的復雜性和多樣性，傳統實訓設備往往無法涵蓋所有實際應用場景，導致學生在掌握實際操作技能和解決實際問題的能力方面存在欠缺。

最后，傳統實訓教學通常難以及時跟進和更新實訓內容，難以適應行業技術發展的要求，使得學生的實際操作技能難以與行業需求保持同步。以1+X可編程控制器為例，視覺系統受限于硬件條件，只能使用提供的視覺處理平臺，并且視覺處理的對象也受限于生產線的設置任務，不能及時靈活地調整。

2" 虛擬仿真技術的使用案例分析

2.1" 虛擬仿真軟件的內容

本研究涉及的虛擬仿真系統通過NX軟件創建1+X可編程控制器平臺的三維數字模型，在NX軟件的機電概念設計模塊中，根據1+X實際設備的布局進行裝配，搭建生產線的虛擬環境，1+X平臺各單元布局如圖1所示。根據實際設備的功能需求定義剛體、運動副等，根據實際設備設置傳感器，設置龍門的位置控制和傳輸面等執行器，搭建出1∶1的仿真學習場景。學生可以通過虛擬界面進行設備的啟停、參數設置、信號采集等操作，觀察系統響應和效果，并進行系統性的參數調整，提高控制系統性能，通過對智能產線的工藝流程、設備布置、生產技術等方面進行實訓，可以鞏固理論知識，增強工程設計能力，達到更好的教學效果[7]。

在教學過程中，學生可以利用軟件完成設備的裝配、定義機電屬性，然后通過軟件進行軟在環調試，這有效地解決了實訓設備不足和學生練習受設備和場地限制的問題。例如：立體倉庫模塊、倉儲模塊、分揀模塊等單站虛擬手動調試；對系統單元模型分別進行單站虛擬自動調試。在完成單元模塊手動、自動調試的基礎上，按照工藝系統設計，逐級實現前后單元模塊的連接，虛擬調試通過后，執行硬件在環虛擬同步聯調。

2.2" 虛擬仿真軟件相較于實際1+X設備的優勢

2.2.1" 降低教學過程成本

采用虛擬仿真技術進行教學，只需要購買少量的實際硬件設備，再配備機房就能夠實現虛擬仿真的實訓需求。實際硬件設備少，日常硬件設備的維護成本也相對較低，減少了長期運營的成本壓力。虛擬仿真教學不需要大量的實訓場地，在已開發資源的基礎上稍作調整即可滿足多個專業、多個班級的實訓需求，進一步降低了成本，使教學資源得到更有效的利用，也為各個專業提供了更為靈活和實用的教學環境。

2.2.2" 良好的操作安全性

因為學生只需要在計算機前進行操作，可以避免學生在實訓過程中因操作不熟練等而出現安全問題。盡管1+X可編程控制器生產過程中并沒有復雜的工藝，但是380 V的強電、龍門架的移動等環節仍存在一定的風險。此外，采用虛擬仿真技術學習也避免了誤操作導致儀器設備損壞或原材料浪費等問題。

2.2.3" 及時地更新新技術

生產線的改造成本極高，重新采購新產線成本則更高，因此，生產線通常不會主動進行即時更新或升級，這也可能帶來產品質量不穩定的風險。與此不同的是，虛擬仿真技術可以根據教學需求隨時進行調整，學生可以進行多次調試驗證。從參數優化到設備更新，所有這些都可以在相對較短的時間內完成，從而提高學習效率和操作技能。這些新技術的應用使教學目標更貼近社會需求。

2.2.4" 提高學習效率

使用虛擬仿真軟件進行學習，可以避免因實訓室有課無法驗證調試或因設備恢復、設備損壞等耽擱的時間。學生可以隨時開始學習，不受場地和時間限制，從而保證學習時間，也可以進行反復多次學習。關鍵設備也可以拆解內部結構，指明設備細節，更直觀地展示和還原設備。

2.3" 虛擬仿真軟件相較于實際1+X設備的不足

2.3.1" 設備操作缺乏真實感

盡管虛擬仿真軟件能夠1∶1還原實際設備的外觀、布局，以及加工生產流程，但仍有不足之處，學生達不到操作真實設備的效果，無法提供對物理設備的真實感受和操作技巧的訓練，缺乏鍛煉動手能力的機會。比如設備的安裝、調試，在虛擬仿真軟件中只需要通過軟件添加裝配約束就可以完成設備的裝配，但是在真實環境中需要先定基準、測量、安裝、接線、調試等一系列的動作才可能安裝正確。軟件中只需要點擊幾個按鈕，即可完成物料的運輸、分揀、入庫等設置，在實際生產中，為了實現產品的生產，仍需要進行一些細節操作步驟。虛擬仿真環境無法完全還原實際生產線的真實情境，學生可能會面臨從虛擬環境到實際生產線的轉換難題。

2.3.2" 軟件設計有待優化完善

該軟件在邏輯控制、運行動作等方面的仿真能實現虛實聯調，但是在某些方面并不能做到完美。比如伺服控制、步進控制，還不能用虛擬仿真進行模擬，在虛實聯調中需要借助中間變量轉換。比如控制器有西門子、信捷多個品牌，都需要對接NX MCD時，就需要引入第三方軟件建立通信進行橋接，才能完成虛實聯調，這使得虛實聯調過程較為復雜，實訓過程中如果一個環節出現問題，則整個流程可能就進行不下去。虛擬仿真技術在某些極為復雜的實際生產線場景中的模擬和應用可能存在一定的局限性，無法完全滿足所有實訓需求。

3" 虛擬仿真技術對電氣自動化專業實訓教

學的重要意義

近年來，虛擬仿真技術在高職教學體系中得到了廣泛應用，尤其是在實訓教學方面，成為提升教學水平的重要技術手段。該技術與傳統的實訓教學模式有所不同，它能夠讓學生自行安排時間并進行自主學習，體現了實訓教學的多樣化。本研究涉及的虛擬仿真軟件解決了由于設備數量不足，導致學生實訓時長不足、實訓訓練不充分的問題，實現了與真實設備1∶1的仿真學習環境，學生可以更安全、更全面地了解1+X實訓內容，無須受場地和時間等因素的限制。他們可以隨時自行下載軟件，并結合講解功能進行操作，同時可以進行多次學習來解決不懂的問題，這在很大程度上減輕了實訓指導教師的負擔。此外，由于部分生產環節需要較長的恢復，即使學生有設備訓練，恢復設備也需要浪費大量的時間。使用虛擬仿真軟件進行實訓教學不需要等待設備恢復，學生可以對每一個模塊進行手動調試，即使出錯也可以重新做一次，這樣可以節約資源并避免物料浪費。但是，虛擬仿真技術目前仍然無法完全替代傳統的實訓教學，因此，應當堅持虛實結合、能實不虛的原則，在此基礎上密切結合虛擬仿真和傳統實訓教學，充分發揮虛擬仿真技術在實際應用中的作用[8-9]。

4" 結論

本研究通過對電氣自動化專業實訓教學中虛擬仿真技術的應用進行分析，發現虛擬仿真技術在實訓教學中具有重要意義。它能夠提供高度仿真的學習環境，通過仿真訓練加深對控制系統的理解，節約資源、避免物料浪費，有助于培養學生的創新能力和問題解決能力。雖然該技術仍然存在一些局限性，無法完全替代傳統的實訓教學方法，但它操作方便、靈活，在人才技能培養過程中發揮著積極的作用。本研究受限于時間和資源，對虛擬仿真技術在電氣自動化專業實訓教學中的應用進行了初步的探討，但仍然存在一些不足，未來的研究可以深入調查學生和教師對虛擬仿真技術的認知和接受程度，以及實際應用中遇到的挑戰和問題，為實訓教學改革提供更多有益的信息和建議。

5" 參考文獻

[1] 朱力杰，劉秀英，于志鵬，等.虛擬仿真技術在實踐教學改革中的應用：以酸奶生產線為例[J].食品與發酵科技，2020，56（3）：127-130.

[2] 朱莉.以虛助實的高職信息技術實訓教學模式研究[J].船舶職業教育，2023，11（5）：54-56.

[3] 劉元華，李波，李靖.智慧物流虛擬仿真實驗教學體系構建研究[J].物流工程與管理，2021，43（9）：201-202，177.

[4] 馮翠云.“新工科+智能制造”背景下“虛擬仿真技術”的機械設計基礎課程的實踐探索[J].廣西教育學院學報，2019（6）：193-195.

[5] 教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[A/OL].（2018-12-31）[2023-12-25].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2018-12/31/content_5440531.htm.

[6] 焦紅茹，謝春梅.虛擬仿真實訓基地在高職教育中的應用探析[J].熱帶農業工程，2017，41（3）：77-80.

[7] 張偉雄，張旭寧.基于數字孿生的智能產線的設計與研究[J].電腦編程技巧與維護，2022（9）：151-153，160.

[8] 程海麗，張敬宗，王獻云，等.談虛擬仿真實驗教學中心建設中的“虛實結合”原則[J].甘肅科技，2017，33（3）：50-53.

[9] 李震彪.本科教學虛擬仿真實驗之思考[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：5-7.