機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)

劉芯彤

(1. 同濟(jì)大學(xué) 上海200092；2. 天津機(jī)電工藝學(xué)院 天津300350)

機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)

劉芯彤1,2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 上海200092；2. 天津機(jī)電工藝學(xué)院 天津300350)

職業(yè)教育的關(guān)鍵在于職業(yè)素質(zhì)和動手能力的培養(yǎng)，生產(chǎn)實習(xí)是一個必不可少的環(huán)節(jié)。闡述了目前機(jī)電職業(yè)教育中生產(chǎn)實習(xí)資源不足的現(xiàn)狀，提出了研發(fā)一款機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的架構(gòu)及優(yōu)勢特點，指出系統(tǒng)的全面性、系統(tǒng)性更利于學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識及操作技能；層級清晰、可擴(kuò)展性等特點使系統(tǒng)更利于校方、教師、學(xué)生的管理。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，創(chuàng)新點豐富，未來應(yīng)用前景廣闊。

機(jī)電控制仿真 教學(xué)系統(tǒng) 職業(yè)教育 技能 學(xué)習(xí)質(zhì)量

職業(yè)教育的關(guān)鍵在于職業(yè)素質(zhì)和動手能力的培養(yǎng)，生產(chǎn)實習(xí)是其中一個必不可少的環(huán)節(jié)。目前，由于教師和教學(xué)設(shè)備不足，學(xué)員較多，以及實習(xí)場地的限制，很多教學(xué)內(nèi)容學(xué)生無法親身實踐，只能初步了解相關(guān)的設(shè)備、簡單的操作步驟，使全面了解、掌握整個加工工藝流程變得遙不可及。這樣的結(jié)果直接導(dǎo)致學(xué)生的理論知識與實踐脫節(jié)，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)的人才在步入社會后無法具備現(xiàn)場操作技能。

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種操作系統(tǒng)層出不窮。本文基于機(jī)電類職業(yè)學(xué)校的實際需求，提出研發(fā)機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集機(jī)電理論知識學(xué)習(xí)、模擬操作系統(tǒng)、綜合題庫于一體，可實現(xiàn)學(xué)生自學(xué)與課堂教育相結(jié)合，教師授課與隨堂測試相結(jié)合，理論與實踐相結(jié)合，從而解決機(jī)電職業(yè)院校存在的學(xué)生無法全面掌握理論知識、實踐技能的問題。

1 系統(tǒng)功能

按照機(jī)電類職業(yè)院校各專業(yè)的教學(xué)需求設(shè)計系統(tǒng)功能。系統(tǒng)在滿足理論知識學(xué)習(xí)、崗位操作實訓(xùn)、各種考核的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易出現(xiàn)問題的關(guān)鍵點，幫助學(xué)生加深印象，提高教學(xué)效率。該系統(tǒng)實現(xiàn)了教師在虛擬環(huán)境下授課，學(xué)生在虛擬環(huán)境下在線學(xué)習(xí)，高效整合了教學(xué)資源，同時增加了學(xué)生的感性認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生的實際操作能力，幫助他們在未來的機(jī)電崗位上快速掌握最新的崗位技能和生產(chǎn)工藝流程。

使用該系統(tǒng)有助于學(xué)生熟練掌握機(jī)電崗位的實際工作流程和操作要點，對于學(xué)習(xí)機(jī)電行業(yè)的新技術(shù)，盡快形成實際工作能力及提高實訓(xùn)成效具有重要意義。

1.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

機(jī)電工程數(shù)字化培訓(xùn)教育系統(tǒng)分為單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版兩種，分別適用于高校校園的網(wǎng)絡(luò)或單機(jī)環(huán)境的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版的原因是基于對學(xué)生課后學(xué)習(xí)的設(shè)想：教師授課可使用單機(jī)版教學(xué)，課后學(xué)生可于網(wǎng)絡(luò)版做作業(yè)，然后提交給教師，教師審閱并給予成績后，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給學(xué)生，從而形成一個課堂教學(xué)、課后復(fù)習(xí)的有效流程。結(jié)構(gòu)框架圖見圖1。

圖1 機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the teaching system of electromechanical control system

1.2 系統(tǒng)各功能模塊簡介

1.2.1 學(xué)生培訓(xùn)

該模塊主要面向?qū)W生，主要作用為學(xué)生登記個人信息，作為教師、同學(xué)交流之用。登記的信息主要有個人信息、考試信息、模擬認(rèn)證信息等。該模塊功能便于學(xué)生的自我管理。

1.2.2 理論學(xué)習(xí)

理論學(xué)習(xí)模塊在系統(tǒng)架構(gòu)圖上雖僅顯示理論學(xué)習(xí)，但實際上內(nèi)容豐富，主要包括：基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、操作技能學(xué)習(xí)、軟件學(xué)習(xí)、崗位素質(zhì)能力提升題庫、理論考試題庫、實際操作技能考試題庫等。

其中，基礎(chǔ)知識主要是用來指導(dǎo)各大中專院校學(xué)員實習(xí)和機(jī)電企業(yè)新員工掌握基本操作知識，而機(jī)電崗位技能培訓(xùn)涉及的具體內(nèi)容包括車、鉗、銑、焊、電以及數(shù)控加工、汽車維修等幾大機(jī)電領(lǐng)域常見工種的職業(yè)技能培訓(xùn)。軟件培訓(xùn)方面，分為機(jī)械設(shè)計軟件、模具設(shè)計和分析軟件、機(jī)械仿真軟件以及一些實際應(yīng)用軟件。

1.2.3 實訓(xùn)

實訓(xùn)模塊是機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)最具特色的模塊，主要由多功能模擬裝置單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC控制器及多種參數(shù)控制模擬實訓(xùn)軟件等4大部分組成。正是該模塊的功能將學(xué)生的學(xué)習(xí)與實踐結(jié)合起來，解決了機(jī)電職業(yè)院校實際操作訓(xùn)練不足的問題。該模塊主要分為兩部分，一是看，一是做。系統(tǒng)中存儲了大量對各種機(jī)電設(shè)備使用、維修、護(hù)理的演示視頻和音頻，雖然教師在課堂中也會講解這部分知識，但通過音視頻直觀地演示會使學(xué)生學(xué)習(xí)效果更佳，更易掌握操作技能。此外，系統(tǒng)通過多媒體交互技術(shù)對機(jī)電加工現(xiàn)場進(jìn)行模擬，利用精準(zhǔn)的要求、逼真的場景使學(xué)生身臨其境地進(jìn)行學(xué)習(xí)。實訓(xùn)設(shè)備特有的模塊化、智能化、機(jī)電一體化、多媒體交互、仿真模擬、可操作等特點，提高了學(xué)生的動手能力。

1.2.4 授課管理

授課管理模塊主要面向教師使用，是教師安排課程、管理學(xué)生的重要助手。該模塊由考試管理、信息管理、課程管理功能構(gòu)成。教師可以通過課程管理功能安排學(xué)期課程總表，同時也可以通過專用的編輯工具，隨時對總表進(jìn)行修改和更新。教師編輯的課程表可發(fā)放至學(xué)生，為每個學(xué)生的學(xué)習(xí)提供可參考的規(guī)劃。同時，教師也可以將教案編輯成電子教程發(fā)送至學(xué)生。教師根據(jù)教學(xué)安排組織學(xué)生考試，在線考試、在線給出成績，并可在線答疑，實現(xiàn)了實時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)培訓(xùn)進(jìn)度和效果。

1.2.5 系統(tǒng)管理

任何系統(tǒng)都離不開系統(tǒng)管理模塊，該模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)管理通常為不同的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，但對于職業(yè)院校來說，系統(tǒng)管理功能中還必須設(shè)置院校管理、班級管理。系統(tǒng)管理員需要以學(xué)校、班級為層級劃分管理權(quán)限，以便于學(xué)校了解教師、學(xué)生動態(tài)和各班級開展學(xué)習(xí)、實訓(xùn)的情況等。

1.2.6 學(xué)習(xí)管理

學(xué)習(xí)管理包括成績管理和考試管理，由學(xué)習(xí)管理員負(fù)責(zé)。學(xué)習(xí)管理員一方面根據(jù)教師發(fā)布的教學(xué)任務(wù)和布置的考試情況在系統(tǒng)中統(tǒng)一管理、按時發(fā)布；另一方面，將學(xué)生的理論學(xué)習(xí)成績、實訓(xùn)成績等進(jìn)行分類，排出名次，實時更新。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢

2.1 全面性

機(jī)電控制仿真教學(xué)系統(tǒng)囊括了機(jī)電控制專業(yè)所有的理論知識、實訓(xùn)內(nèi)容，并對這些學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行分類管理，使學(xué)生更好地查詢、搜索、了解自己知識上的欠缺。同時，系統(tǒng)集動手、動腦于一體，在一個機(jī)器上能學(xué)到全方位的知識，全面提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.2 線上線下結(jié)合

該系統(tǒng)的虛擬仿真性能營造了一個近乎真實的操作空間，學(xué)生可以在線上學(xué)習(xí)理論知識后，即刻進(jìn)行操作實訓(xùn)，即學(xué)即用，加深了學(xué)生對知識的理解。同時，學(xué)生能力的提高為線下崗位培養(yǎng)了高素質(zhì)人才，解決了機(jī)電行業(yè)人才斷層的問題。

如前所述，該系統(tǒng)分為單機(jī)版和網(wǎng)絡(luò)版。教學(xué)一般使用單機(jī)版，學(xué)生自學(xué)采用網(wǎng)絡(luò)版。如此一來，學(xué)生可以隨時使用網(wǎng)絡(luò)版系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電知識的學(xué)習(xí)。對于課堂掌握不牢靠、不理解，實訓(xùn)過程中做錯的項目，可以通過網(wǎng)絡(luò)版進(jìn)行多次重復(fù)學(xué)習(xí)，以加深印象，提高學(xué)習(xí)效果，達(dá)到專業(yè)學(xué)習(xí)的目的。

2.3 前沿性

系統(tǒng)收錄的知識、視音頻為最新技術(shù)動態(tài)，并根據(jù)市場需求、產(chǎn)業(yè)發(fā)展隨時更新，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性，避免學(xué)生步入社會時自己所學(xué)知識均已過時的問題。此外，系統(tǒng)的本身設(shè)計就具備創(chuàng)新性，走在了機(jī)電教育的前沿。

2.4 系統(tǒng)性

知識吸收的過程無非是學(xué)、練、考、做。該系統(tǒng)設(shè)計滿足了學(xué)習(xí)全過程的要求，系統(tǒng)地梳理了學(xué)生的學(xué)習(xí)要點。此外，專業(yè)化的技能模擬考核、虛擬化的模擬仿真培訓(xùn)、流程化的課件素材制作和個性化的自我培訓(xùn)管理相互配合，將理論知識學(xué)習(xí)、操作技能訓(xùn)練和模擬仿真實訓(xùn)三者完美融合，不僅能鞏固學(xué)生對機(jī)電理論知識學(xué)習(xí)的理解，而且能加深學(xué)員對機(jī)電行業(yè)現(xiàn)場工作環(huán)境的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)員的實際動手能力，更能保證機(jī)電主要崗位職工完成相關(guān)操作技能鑒定的考核。

2.5 可擴(kuò)展性

該系統(tǒng)基于B/S系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，客戶端除IE瀏覽器外，無需安裝其他任何程序。由于數(shù)據(jù)庫強(qiáng)大的存儲功能，可以滿足教師、學(xué)生的各種學(xué)習(xí)需求。試題庫和相關(guān)課程可以配置，考試內(nèi)容自動生成。采用多層次體系結(jié)構(gòu)和模塊化技術(shù)，使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。

在實訓(xùn)模塊中，除了開發(fā)虛擬仿真功能模塊，同時開發(fā)了和實訓(xùn)設(shè)備硬件對應(yīng)兼容的仿真實訓(xùn)功能模塊以及通用接口，只要安裝相應(yīng)的仿真實訓(xùn)功能模塊，完成對實訓(xùn)設(shè)備硬件的驅(qū)動之后，學(xué)員就可以直接利用該系統(tǒng)對各種機(jī)電工程仿真設(shè)備進(jìn)行實訓(xùn)互動操作了。

2.6 管理完善

系統(tǒng)架構(gòu)中將管理分為兩個層次，一是系統(tǒng)管理，二是學(xué)習(xí)管理。層次更加明確，邏輯更加清晰。校方的管理主要針對教育資源的分配；班級的管理針對教師和學(xué)生；教師管理針對課程、考試、學(xué)生；學(xué)生的自我管理包括個人信息、考試成績、學(xué)習(xí)計劃等。

3 結(jié) 語

機(jī)電工程專業(yè)對學(xué)生和教師的要求較高，未來學(xué)生將直接接觸產(chǎn)業(yè)前沿，對崗位的適應(yīng)程度至關(guān)重要。研發(fā)一個既能滿足機(jī)電理論知識學(xué)習(xí)又能進(jìn)行實訓(xùn)的系統(tǒng)是目前的社會需求，同時，系統(tǒng)可滿足校方、教師、學(xué)生各層面的管理要求，實現(xiàn)提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的目的，相信未來該系統(tǒng)的應(yīng)用前景將十分廣闊。

［1］ 王維. 關(guān)于現(xiàn)代教育技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電教學(xué)經(jīng)驗的思考[J]. 科學(xué)中國人，2015(10Z)：209，211.

［2］ 李鐳. 機(jī)電工程數(shù)字化培訓(xùn)教育軟件系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]. 中國石油和化工，2009(8)：46-47.

［3］ 許菁. 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的高職(機(jī)電)教育資源建設(shè)與應(yīng)用研究一得[J]. 電子世界，2011(11)：47-48.

Design and Development of a Teaching System of Electromechanical Control Simulation

LIU Xintong1,2
(1.Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Tianjin Institute of Mechanical & Electrical Technology，Tianjin 300350，China)

The cultivation of professional quality and ability is the key to vocational education，and the production practice is certainly an inevitable link.In the paper，insufficient resource for practice，the current situation of electromechanical production practice in vocational education，was pointed out，and the development of a mechanical and electrical control simulation teaching system was presented.This paper analyzes the characteristics of architecture and advantages of the system and emphasizes that the comprehensiveness and systematicness of the system are more favorable for students’ learning of theoretical knowledge and skills.Besides，advantages of clear hierarchy，scalability and etc.make the system more favorable to the management of the college，teachers and students.Owing to its powerful functions and innovativeness，this system will have a broad application prospect in future.

electromechanical control simulation；teaching system；vocational education；skills；learning quality

TP37

：A

：1006-8945(2016)05-0060-03

2016-04-22