基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)例化教學(xué)模式的探索
——以“過程控制系統(tǒng)”課程為例

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

“過程控制系統(tǒng)”課程是北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院自動化專業(yè)本科學(xué)生的重要專業(yè)必修課程之一，是自動化專業(yè)中直接面向?qū)嶋H工程與工業(yè)生產(chǎn)需求，且理論聯(lián)系實(shí)際的課程。該課程注重培養(yǎng)學(xué)生掌握工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)分析與實(shí)踐能力。

在林業(yè)領(lǐng)域中，過程控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如林木采集加工、林產(chǎn)化工工藝、森林食品制造以及林產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)确矫?。對于上述不同的工業(yè)生產(chǎn)過程，被控對象的特性與控制需求各不相同，因此需要因地制宜地設(shè)計(jì)不同的控制系統(tǒng)。如何將“過程控制系統(tǒng)”課程講授的理論知識與上述實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合、如何通過實(shí)際工業(yè)過程輔助學(xué)生深入理解理論知識，是該課程發(fā)展的瓶頸，也成為培養(yǎng)學(xué)生工程性思維的主要障礙。因此，對“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)模式進(jìn)行有效地改革就顯得至關(guān)重要。該課程合理化的改革不僅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生專業(yè)認(rèn)同性，而且還可增加該課程的生動性，提高教師工作效率，保證教學(xué)質(zhì)量。

一、“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)面臨的問題

目前，“過程控制系統(tǒng)”課程主要是大三本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是“自動控制原理”“現(xiàn)代控制理論”等課程的后續(xù)課程?！斑^程控制系統(tǒng)”課程的主要教學(xué)模式包括課堂理論知識教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室教學(xué)等。就現(xiàn)行教學(xué)模式而言，其面臨著理論與實(shí)際脫節(jié)、缺少直觀性認(rèn)知、實(shí)踐單一等問題。

(一)理論與實(shí)際脫節(jié)

“過程控制系統(tǒng)”課程的理論授課內(nèi)容通常包括單多容系統(tǒng)、串級回路、延遲系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)、集散系統(tǒng)的分析和控制器設(shè)計(jì)等；實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通常由溫度控制系統(tǒng)與液位控制系統(tǒng)等組成。在工程教育認(rèn)證需求目標(biāo)下，“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)明顯缺失2個(gè)重要環(huán)節(jié)：①如何將理論知識中的數(shù)學(xué)模型、理想控制方法與真實(shí)物理系統(tǒng)相聯(lián)系；②如何將實(shí)踐環(huán)節(jié)中的單一化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)相匹配。因此，只有將該課程課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)相輔相成、形成有效的“前饋-反饋”結(jié)構(gòu)，才能有效地做到理論聯(lián)系實(shí)際，才能在工作過程中充分利用所學(xué)到的知識解決現(xiàn)實(shí)問題。該課程理論與實(shí)踐的脫節(jié)不僅導(dǎo)致教師耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)的銜接，而且還導(dǎo)致學(xué)生花費(fèi)額外的精力進(jìn)行知識與現(xiàn)實(shí)的鏈接。

(二)缺少直觀性認(rèn)知

“過程控制系統(tǒng)”課程所面向的本科生一直局限于學(xué)校課堂教學(xué)環(huán)境，尚未經(jīng)歷實(shí)習(xí)過程，因此缺乏對實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程與工藝的認(rèn)知。在“過程控制系統(tǒng)”課程實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生對于工程過程的理解只能依賴于過往知識的儲備、教師的機(jī)械化講解或多媒體輔助展示，學(xué)生很難形成直觀的、長期的記憶[1]。

(三)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)單一

“過程控制系統(tǒng)”課程面向的是工業(yè)自動化生產(chǎn)過程，研究的對象通常是大型生產(chǎn)設(shè)備、工業(yè)系統(tǒng)，甚至整個(gè)生產(chǎn)車間，其控制過程通常具有大延遲、大遲滯等特性。而該課程受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)場地、安全性、設(shè)備價(jià)格等條件限制，無法開展大規(guī)模復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，只能退而求其次地選擇簡單的單變量過程控制實(shí)驗(yàn)，即溫度或液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。即使此類簡化的實(shí)驗(yàn)，也往往因價(jià)格高昂無法開設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生的理論知識向生產(chǎn)實(shí)際轉(zhuǎn)化受阻。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

在北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院的“過程控制系統(tǒng)”課程中，筆者充分調(diào)研了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，針對“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)面臨的上述問題，積極探索了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的“過程控制系統(tǒng)”新型實(shí)例化教學(xué)模式，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺Factory IO進(jìn)行了初步的實(shí)例化教學(xué)。

(一)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一類依靠計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展的虛擬化環(huán)境構(gòu)建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器、現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的深度沉浸式交互[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，并于近年來得到快速發(fā)展，尤其是在工業(yè)虛擬化仿真領(lǐng)域得到了尤為快速的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得工業(yè)過程具備測試價(jià)格低廉、故障可重復(fù)以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，深入到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如化工、航空航天、林業(yè)工程等領(lǐng)域[3]。

(二)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

許多高校都嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中，但仍然局限在部分計(jì)算機(jī)類專業(yè)的課程[4]。近年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及高性能便攜式計(jì)算設(shè)備的普及，有學(xué)者開始探索面向其他工學(xué)課程的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來輔助教學(xué)實(shí)踐工作[5]，并實(shí)現(xiàn)了部分基礎(chǔ)級仿真教學(xué)，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向著符合工程教育認(rèn)證培養(yǎng)需求方向邁進(jìn)了一大步。

單就“過程控制系統(tǒng)”課程而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決前文所述的各種問題提供了一條可行性途徑。依靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬化空間，使得“過程控制系統(tǒng)”課程的多樣化發(fā)展成為可能。目前，已有部分教學(xué)人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索[6]，但受限于當(dāng)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展情況，該探索僅能提供課堂的輔助教學(xué)，無法開展配套的操作性訓(xùn)練。

事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中具備許多待挖掘的優(yōu)勢與潛在價(jià)值。①虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可增強(qiáng)知識的直觀性感受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在理論教學(xué)環(huán)節(jié)模擬完整的、可控的工廠車間虛擬環(huán)境，這一虛擬環(huán)境帶來的直觀性感受明顯優(yōu)于當(dāng)前教學(xué)中所采用的圖片、視頻等傳統(tǒng)多媒體技術(shù)。同時(shí)，具備可控性的虛擬環(huán)境可以充分模擬工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)場在線調(diào)試、故障診斷處理等多種過程，學(xué)生通過在虛擬環(huán)境下的隨堂實(shí)踐訓(xùn)練，可以有效地培養(yǎng)工程化思維模式、訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。②虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在跨尺度層面擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容。全自動化工廠車間的工業(yè)設(shè)備通常是技術(shù)高度集成、設(shè)備高度封裝以及環(huán)境高度封閉的。所以，即使身處真實(shí)的工廠環(huán)境，也無法了解設(shè)備的運(yùn)行規(guī)則與工作狀態(tài)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻可以提供零件級別的虛擬化工廠環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從大型設(shè)備整體到基礎(chǔ)零件的跨尺度展示與分析，學(xué)生可以充分“深入”到設(shè)備之中，理解工廠生產(chǎn)中的所有控制過程。③虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使得實(shí)踐教學(xué)的定制化、多元化成為可能。虛擬工廠僅通過簡單的軟件組件替換，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)境的任意變換與升級，因此可以快速將課堂“搬入”到任意的現(xiàn)代化工廠中。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)踐教學(xué)將向著多元化、定制化方向發(fā)展。多元化、定制化的實(shí)踐教學(xué)保證了學(xué)生可以根據(jù)自身興趣或職業(yè)定位需求來選擇個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境可以無縫貼合實(shí)際工廠生產(chǎn)過程，從工程化思維層面為學(xué)生后續(xù)就業(yè)提供支撐，并增強(qiáng)就業(yè)核心競爭力。

(三)基于Factory IO虛擬平臺的實(shí)例化教學(xué)模式的探索

1.Factory IO虛擬現(xiàn)實(shí)平臺

Factory IO虛擬現(xiàn)實(shí)平臺是由美國Real Games公司開發(fā)的一款面向自動化技術(shù)教育的3D虛擬化工廠軟件。該平臺內(nèi)嵌80余種工業(yè)部件，涵蓋20多種主流工廠場景，具備快速構(gòu)建虛擬化工廠的能力。通過該平臺提供的數(shù)字化虛擬儀器，如虛擬PLC、單片機(jī)等，可以模擬工廠的全部自動化過程。該平臺目前主要被用于工廠虛擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)以及PLC教學(xué)訓(xùn)練等眾多場合。

2.基于Factory IO虛擬平臺的實(shí)例化理論教學(xué)模式

首先，筆者利用Factory IO提供的各類工業(yè)部件、接口以及預(yù)設(shè)場景，搭建了符合“過程控制系統(tǒng)”課程需求的新型虛擬化教具，涵蓋了多種工廠環(huán)境、實(shí)踐環(huán)境。其次，在“過程控制系統(tǒng)”課程課堂中，筆者使用上述虛擬化教具，通過跨尺度縮放、視場旋轉(zhuǎn)、控制過程單步調(diào)試等手段，加深了學(xué)生對“過程”與“控制”概念的理解。最后，探索了虛擬化交互式教學(xué)方法：教師依靠Factory IO所提供的網(wǎng)絡(luò)化分發(fā)功能，向?qū)W生發(fā)布定向?qū)嵺`要求；學(xué)生在虛擬環(huán)境中獨(dú)立在線完成規(guī)定操作。

下面筆者以“過程控制系統(tǒng)”課程的“單、雙容過程的控制與PID調(diào)節(jié)”一節(jié)內(nèi)容為例，對上述教學(xué)模式進(jìn)行介紹。這一節(jié)的內(nèi)容主要講授單水箱受控模型、串級水箱受控模型以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)手段是通過公式推導(dǎo)、圖像動畫展示、計(jì)算軟件數(shù)值仿真來輔助學(xué)生理解。但學(xué)生的反饋表明，該部分內(nèi)容略顯枯燥，只能機(jī)械化地記憶這些知識。因此，筆者依靠Factory IO提供的各類控件搭建了如圖1所示的虛擬化教學(xué)平臺。

圖1 “過程控制系統(tǒng)”課程虛擬化教學(xué)平臺

該平臺由兩個(gè)虛擬水箱組成，具備獨(dú)立操作與互操作功能。在課前，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獲取教師分發(fā)的仿真環(huán)境，并進(jìn)行獨(dú)立操作，如注水、放水、控制器參數(shù)整定等。學(xué)生在探索系統(tǒng)特性的過程中完成課前預(yù)習(xí)。在課程中，教師講解并同步操作虛擬設(shè)備，如修正PID控制的不同參數(shù)、觀察系統(tǒng)的被控效果等。這有助于加強(qiáng)學(xué)生直觀性記憶與抽象記憶的緊密聯(lián)系，形成體系化的知識結(jié)構(gòu)。課后，學(xué)生繼續(xù)依靠虛擬化系統(tǒng)復(fù)習(xí)鞏固課程內(nèi)容，并能夠開展教師指定的簡單科研活動，如探索系統(tǒng)非線性特征、設(shè)計(jì)先進(jìn)控制方法、分析數(shù)字與模擬系統(tǒng)的區(qū)別，等等。這種具備網(wǎng)絡(luò)化互操作能力的教具與教學(xué)模式是“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的充分實(shí)踐。

3.基于Factory IO虛擬平臺的實(shí)例化實(shí)踐教學(xué)模式

在“過程控制系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐類課程中，筆者進(jìn)一步依托Factory IO探索了新型實(shí)踐教學(xué)模式，設(shè)計(jì)了涵蓋該課程所有知識點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測試體系，具體見表1。

表1 Factory IO環(huán)境下“過程控制系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)體系

筆者所設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)模式借鑒了航空飛行員地面模擬訓(xùn)練的方法，包含常規(guī)性實(shí)驗(yàn)與故障診斷實(shí)驗(yàn)，克服了以往實(shí)踐類課程教學(xué)效果無法量化、考核手法單一等缺點(diǎn)。而學(xué)生在此實(shí)踐教學(xué)模式中除了完成常規(guī)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以外，還能夠充分學(xué)習(xí)與掌握系統(tǒng)在線調(diào)試、故障診斷等相關(guān)內(nèi)容。①常規(guī)性實(shí)驗(yàn)。通過Factory IO提供的監(jiān)控模式，學(xué)生可以完成常規(guī)性實(shí)驗(yàn)，教師可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，獲取學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定預(yù)設(shè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)成績量化與自動評定。②故障診斷實(shí)驗(yàn)?；贔actory IO提供的故障診斷模式，學(xué)生可以完成故障診斷實(shí)驗(yàn)，教師可以遠(yuǎn)程將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)對象設(shè)定為預(yù)設(shè)的故障模式，如將水箱入水閥門設(shè)定為卡死狀態(tài)等，學(xué)生需要在線診斷、調(diào)試并解決故障。故障診斷實(shí)驗(yàn)主要考察鍛煉學(xué)生在線故障辨識、分析與解決的能力，同時(shí)還能根據(jù)故障等級與解決效果量化評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)例化教學(xué)模式在“過程控制系統(tǒng)”課程教學(xué)中的實(shí)施效果

對于所提出的“過程控制系統(tǒng)”課程虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)例化教學(xué)模式，筆者在北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院對部分學(xué)生進(jìn)行了試點(diǎn)化教學(xué)探索。通過課后問卷調(diào)查與教學(xué)反饋，筆者發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)例化教學(xué)模式在吸引學(xué)生興趣、課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新程度等方面取得了一定擴(kuò)展，并極大地降低了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)例化教學(xué)模式將力圖全面服務(wù)于北京林業(yè)大學(xué)“過程控制系統(tǒng)”課程與課程設(shè)計(jì)。鑒于時(shí)間與能力所限，所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境仍然有待進(jìn)一步深入與加強(qiáng)，不過隨著探索的深入以及軟件平臺的更新發(fā)展，筆者相信虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)例化教學(xué)模式在“過程控制系統(tǒng)”課程等相關(guān)自動化專業(yè)的其他課程中將得到更廣泛的關(guān)注。

筆者相信，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將無縫地融入到自動化專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，同時(shí)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程輔助軟件和設(shè)備將會得到進(jìn)一步發(fā)展，這一潮流趨勢符合我國未來“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)發(fā)展的需求[7]。