應(yīng)用型科技大學(xué)《電氣控制自動(dòng)化》實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

喻曉莉 沈穎 黎澤倫

【摘要】《電氣控制自動(dòng)化》是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，在涉及工業(yè)控制領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用型科技大學(xué)中占據(jù)著非常重要的位置，實(shí)驗(yàn)是其中必不可少的部分。本文對(duì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了探討，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行，同時(shí)對(duì)在線課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭策M(jìn)行了探討，通過實(shí)際的應(yīng)用，取得了較好效果。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)用型科技大學(xué) ?傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) ?虛擬實(shí)驗(yàn) ?在線課程

【基金項(xiàng)目】重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：172032）。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）51-0019-02

應(yīng)用型科技大學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力，其本質(zhì)強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，主要培養(yǎng)掌握科學(xué)的方法、擅長(zhǎng)動(dòng)手解決實(shí)際問題的具有高層次的專業(yè)技術(shù)型人才，教學(xué)模式以應(yīng)用型為主，強(qiáng)調(diào)知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。

《電氣控制自動(dòng)化》是涉及工業(yè)控制領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的一門非常重要的課程，在許多應(yīng)用型科技大學(xué)中將其作為核心課程，實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)是其中尤其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它關(guān)系著學(xué)生工程實(shí)踐能力的提升，在應(yīng)用型科技大學(xué)中，教學(xué)中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降脑O(shè)計(jì)就顯得極為重要。

一、實(shí)驗(yàn)類型

實(shí)驗(yàn)按內(nèi)容分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)訓(xùn)。一般而言，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)單，主要是理論課程中基本原理的驗(yàn)證、知識(shí)的較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用;綜合實(shí)訓(xùn)則是理論知識(shí)的綜合性應(yīng)用，往往實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，涉及到多門課程的綜合應(yīng)用。

這些實(shí)驗(yàn)按實(shí)驗(yàn)方式分為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

《電氣控制自動(dòng)化》這門課程包含了兩個(gè)部分內(nèi)容，一個(gè)部分就是繼電器控制系統(tǒng)，另一個(gè)部分就是PLC控制系統(tǒng)，作為一門理論課程，這兩個(gè)部分均有相關(guān)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于繼電器-接觸器控制部分，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)就是給出或者學(xué)生自行設(shè)計(jì)出繼電器-接觸器控制系統(tǒng)圖紙，然后圖紙采用導(dǎo)線連接成控制系統(tǒng)。由于線路連接是硬連接，需要用導(dǎo)線將電氣元件連接起來，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生畢業(yè)后能很快適應(yīng)相關(guān)工作崗位。

但是這種實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的，主要在于電氣元件較多，連接繁瑣，往往一個(gè)課時(shí)結(jié)束，學(xué)生還沒有完成簡(jiǎn)單的、類似電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)難度的連接，并且連接完成的同學(xué)也不能保證接線完全正確，必須通過老師仔細(xì)檢查才能通電實(shí)驗(yàn)，而電源往往用的是工業(yè)380V交流，所以存在著極大的安全隱患。

對(duì)于PLC部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)難度一般不大，如果不存在工業(yè)用電的安全問題，完全可以采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于交通燈、水塔水位控制、電梯升降控制等較為經(jīng)典的控制系統(tǒng)，可以選擇設(shè)計(jì)2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)。但是對(duì)于較為大型的復(fù)雜控制，由于課時(shí)限制，并不適合作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，可以安排在綜合實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，是極為有利的。

但是由于場(chǎng)地與經(jīng)費(fèi)的限制，許多高校實(shí)驗(yàn)室組建的能夠進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常有限，學(xué)生接觸到的控制對(duì)象較為單一，因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)并不能夠完全滿足學(xué)生深層次的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又稱VR）等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

《電氣控制自動(dòng)化》課內(nèi)實(shí)驗(yàn)由于學(xué)時(shí)、場(chǎng)地等限制，在繼電器-接觸器控制系統(tǒng)部分采用虛擬實(shí)驗(yàn)非常合適。該部分內(nèi)容可以采用虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（平臺(tái)仿真），平臺(tái)有電機(jī)、繼電器、接觸器、開關(guān)、按鈕等虛擬低壓電器元件，并存放于庫中，每個(gè)元件均與實(shí)物外形圖片及管腳相對(duì)應(yīng)，可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接和使用，其實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。

PLC控制系統(tǒng)中，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)常常較為簡(jiǎn)單，不涉及過大的控制系統(tǒng)，并且PLC的實(shí)驗(yàn)也是由電腦編程完成，所以采用專用軟件，不連接電動(dòng)機(jī)等對(duì)象，就能夠非常直觀地呈現(xiàn)出控制狀態(tài)。

對(duì)于較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，實(shí)際控制時(shí)，要將PLC程序?qū)懭牒笈c真實(shí)的控制對(duì)象進(jìn)行連接，如傳送帶、機(jī)械手臂等，但是很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)室并不具備實(shí)物連接的條件。在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、器材等方面不足的情況下，采用虛擬實(shí)驗(yàn)不失為一個(gè)很好的解決方案。

學(xué)生可以采用inventor等軟件自行設(shè)計(jì)控制對(duì)象模型，將PLC與這些虛擬模型按規(guī)定的接口進(jìn)行連接，編制PLC程序就可以控制它們的運(yùn)行，這些運(yùn)行以動(dòng)畫方式顯示在電腦屏幕上，達(dá)到所需要的控制要求。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)方式可以完成非常復(fù)雜的PLC控制系統(tǒng)，由于控制對(duì)象可以自行設(shè)計(jì)，因此不存在控制對(duì)象的實(shí)物限制。

但是虛擬實(shí)驗(yàn)的直觀性、動(dòng)手性較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)差。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合。

對(duì)于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在繼電器-接觸器控制部分，學(xué)生必須要熟悉常用的低壓電器元件，所以應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室配備常用的低壓電器元件，如交流接觸器、繼電器、熔斷器、按鈕等等讓學(xué)生認(rèn)識(shí)，這些必須是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)項(xiàng)目。

由于學(xué)時(shí)受限，其它的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用虛擬實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行。通過學(xué)生的實(shí)際操作，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該種模式效果良好。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式由于設(shè)備及場(chǎng)地限制，不可能每位學(xué)生配備一套設(shè)備，學(xué)生常常被分組，同一組中有部分學(xué)生缺乏主動(dòng)性，同時(shí)由于設(shè)備限制，也不可能全部動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，所以往往只有部分學(xué)生參與;虛擬實(shí)驗(yàn)可以給學(xué)生每人配備一臺(tái)裝有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件的電腦，保證每位學(xué)生參與，學(xué)生的參與性增加，并且修改設(shè)計(jì)容易，同時(shí)安全性增加，非常有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

PLC控制系統(tǒng)部分，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要是原理的運(yùn)用，適用于簡(jiǎn)單的控制，在電腦上采用編程軟件就能進(jìn)行虛擬仿真，并且可以監(jiān)視線路的通斷，程序的運(yùn)行情況，非常方便。對(duì)于需要連接控制對(duì)象的實(shí)驗(yàn)，可以放在綜合實(shí)訓(xùn)中進(jìn)行，這些實(shí)驗(yàn)采用虛擬平臺(tái)，自行設(shè)計(jì)控制對(duì)象，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合實(shí)踐能力非常有益。同時(shí)還需開設(shè)一個(gè)經(jīng)典的PLC控制系統(tǒng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，目的不在于設(shè)計(jì)，而在于學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)物認(rèn)識(shí)，以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，知識(shí)在網(wǎng)上易于獲取，于是在線課程這一新型的教學(xué)模式逐漸普及起來。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，在線課程具有資源共享性，學(xué)習(xí)的自主性，學(xué)習(xí)的協(xié)作性等優(yōu)點(diǎn)，在高校教學(xué)中應(yīng)用非常廣泛。

《電氣控制自動(dòng)化》這類實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，也采用了在線課程作為傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充。

在線課程的補(bǔ)充形式常常采用是教師進(jìn)行傳統(tǒng)的理論知識(shí)講授完后，學(xué)生課后可以自行進(jìn)入在線課程，進(jìn)行理論知識(shí)的自學(xué)解惑或在該課程的在線課程平臺(tái)中進(jìn)行討論、自測(cè)、答疑等等。然而，該類課程，由于包含了大量的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)在在線課程中難以得到實(shí)際的體驗(yàn)，這時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用就顯得極為重要。對(duì)于在線課程而言，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲黄苽鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)“時(shí)、空”的限制，學(xué)生在家中、宿舍就能夠進(jìn)行學(xué)習(xí)，無論是學(xué)生還是教師，都可以自由、無顧慮地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，操作儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作為課后的復(fù)習(xí)及深入學(xué)習(xí)，虛擬實(shí)驗(yàn)在提高教學(xué)質(zhì)量方面，意義尤其重大。

五、結(jié)論

文中探討的《電氣控制自動(dòng)化》實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過實(shí)際的應(yīng)用表明，該模式可以很好地理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性。對(duì)于應(yīng)用型科技大學(xué)而言，在學(xué)時(shí)、經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等不足的情況下，虛擬實(shí)驗(yàn)方式具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)值;對(duì)于開展在線課程的學(xué)科，作為補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)也是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。文中所探討的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?duì)其它實(shí)踐性較強(qiáng)的課程具有一定的借鑒作用。

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作者簡(jiǎn)介：

喻曉莉（1971-），女，重慶人，副教授，碩士，目前從事教學(xué)科研工作，研究方向：機(jī)械電子工程。