電氣類課程線上實踐教學模式研究
——以PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護課程為例

鄭 淵

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學院，山東 青島 266404）

疫情防控常態(tài)化背景下，線上線下混合式教學模式已經(jīng)在高職教育教學中推廣普及，通過現(xiàn)代信息化技術(shù)手段，將在線教學和傳統(tǒng)“線下教學”的優(yōu)勢結(jié)合在一起，促進了知識的內(nèi)化吸收，提高了教學效率。但是對于實踐性較強的電氣類課程來講，線上實踐教學已經(jīng)成為混合式教學模式中的薄弱環(huán)節(jié)，因此如何有效提高線上實踐教學的教學效果已經(jīng)成為PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護等電氣類課程混合式教學模式改革亟待解決的問題。[1]

一、傳統(tǒng)實踐教學模式存在的問題

實踐教學是提高學生動手能力的主要途徑，傳統(tǒng)的實踐教學一般是教師在實驗實訓室示范操作后學生再分組練習，這種實踐教學方式存在以下幾個突出的問題：

（一）教師示范操作的有效性不高

學生動手實踐之前一般需要教師先示范操作，但是一方面由于空間較大導致實訓室后面部分學生難以看清教師的示范操作或者難以聽清技術(shù)要點，另一方面由于教師部分演示操作可能步驟較為繁瑣，部分學生沒有全部記住。由于以上兩方面的原因?qū)е聦W生容易在實際操作中出現(xiàn)問題，降低了教師示范操作的有效性。

（二）校內(nèi)實驗教學資源相對不足

由于同時開設(shè)PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護課程的班級較多，所以PLC實訓設(shè)備還是存在相對不足的情況，一般是2～3個人共用1個實訓臺，每學期能安排15～20次左右的實訓，每個學生的平均實踐課時比例僅占總課時的20～30%，影響了學生實踐能力的提升。實際上由于設(shè)備成本以及占地面積等原因，大部分實驗實訓室很難做到人均一臺實訓設(shè)備，從而導致學生的平均動手實操時間降低。

（三）實訓設(shè)備利用率不高

與實驗實訓課上人均動手時間相矛盾的是，受到課程開課學期等因素的影響，實訓室的總體利用率不高。例如PLC實訓室在PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護課程集中開設(shè)的上學期利用率能達到70～80%左右，而在下學期的利用率則在20～30%左右，在周末以及晚自習時間段，設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)。

（四）難以適應(yīng)疫情防控背景下的實踐教學

在疫情防控常態(tài)化背景下，必須做好不在實訓室內(nèi)開展實踐教學的準備，這是傳統(tǒng)的實踐教學模式無法達成的，必須借助虛擬仿真以及現(xiàn)代信息化技術(shù)手段才能實現(xiàn)。

基于以上原因，有必要開展基于虛擬仿真和現(xiàn)代信息化技術(shù)手段的線上實踐教學模式改革。

二、線上實踐教學模式改革

通過近兩年的實踐教學改革，探索了通過線上直播軟件、虛擬仿真軟件以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺等信息化技術(shù)手段開展實踐教學等方式，取得了良好的教學效果。

（一）利用超星學習通線上直播操作示范

教師在示范演示PLC的外部接線、變頻器參數(shù)設(shè)置以及電氣故障檢測等操作步驟時，可以打開學習通APP或者頭戴式直播設(shè)備進行線上直播，使得包括遠程居家學習在內(nèi)的全部學生都能清楚地看到和聽到教師的示范操作和技術(shù)要點。學生還可以通過學習通直播的回放功能反復觀看教師示范，看清楚每一個細節(jié)，從而提高教師示范的有效性。學生也可以通過平臺向老師請教問題或者上傳自己的操作視頻，邀請老師或其他同學評價，增加師生以及生生之間的互動，完善課程考核評價體系。

（二）利用純仿真軟件進行線上實踐教學

利用宇龍機電虛擬仿真軟件可以進行PLC控制系統(tǒng)的外部接線以及虛擬編程調(diào)試，如圖1所示。學生可以自己選擇PLC以及按鈕、開關(guān)、接觸器等各種類型的低壓電器元件然后在實際實訓臺上接線之前先進行線上模擬實物接線。該軟件還能夠設(shè)置虛擬線路故障并模擬故障現(xiàn)象，為學生提供了虛擬的萬用表以便模擬排除電氣故障。這種虛擬仿真實踐教學方式既提高了實訓的安全性也有利于實踐技能的課堂內(nèi)化吸收，提高了實訓教學的效率。該方式的優(yōu)點是無須PLC硬件即可實現(xiàn)仿真接線和編程調(diào)試，缺點是目前僅支持三菱FX、歐姆龍CPM1A和西門子S7-200三個系列的PLC，而且有點數(shù)和硬件加密狗的限制。此外，一些大品牌的PLC如西門子、歐姆龍等，它們的編程軟件一般都會有配套的離線虛擬仿真軟件用來進行PLC程序的虛擬仿真，但是不能仿真外部接線以及實際運動過程。

圖1 純虛擬仿真軟件

（三）利用PLC硬件+在線仿真軟件進行線上實踐教學

SKPIN-11型PLC仿真軟件內(nèi)部提供了虛擬的輸入輸出設(shè)備，需要配合實際的PLC硬件使用。該仿真軟件適用于所有帶以太網(wǎng)接口的PLC，例如西門子S7-200 SMART、S7-300還有S7-1200/1200等，只需要輸入該PLC的IP地址仿真軟件就可以直接連接實際的PLC硬件，然后用真實編程軟件編程并下載程序，最后通過仿真軟件內(nèi)的虛擬輸入輸出設(shè)備驗證實驗結(jié)果即可，如圖2所示。該仿真軟件現(xiàn)有電機長動、運料小車等23個虛擬場景，基本可以滿足PLC教學需要，而且后續(xù)可以繼續(xù)開發(fā)增加實訓場景且無點數(shù)和硬件加密狗的限制，這類軟件的缺點是不能仿真PLC外部輸入設(shè)備，即仿真軟件中的虛擬按鈕、開關(guān)和限位不能直接控制輸入點的通斷，而是控制中間變量，如位存儲器M或變量存儲器V。

圖2 PLC硬件+虛擬仿真軟件

（四）利用硬件+物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行線上實踐教學

在工業(yè)4．0背景下，物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（或者成為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)）和互聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以通過互聯(lián)網(wǎng)（以太網(wǎng)、GPRS、3G、4G、WIFI、LORA等方式上網(wǎng)），采集實訓室PLC、觸摸屏等設(shè)備的數(shù)據(jù)或者程序，傳輸?shù)竭h端的云數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)PLC程序的遠程上傳下載、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、在線編程、設(shè)備診斷、程序維護和故障報警等功能[2]，如圖3和圖4所示。只要將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到PLC實訓室的交換機上，學生就可以遠程登錄PLC做相關(guān)的PLC實訓項目，可以利用Web端圖形化組態(tài)界面進行現(xiàn)場環(huán)境可視化配置，也可以通過手機APP在線監(jiān)控PLC或者查看報警信息。學生遠程使用這種實踐教學方式時，需要和現(xiàn)場實踐學習的學生配合好才能完成相關(guān)的實訓任務(wù)。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)

圖4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

三、線上實踐教學保障措施

（一）校內(nèi)PLC實訓室開通網(wǎng)絡(luò)并完善網(wǎng)絡(luò)實訓管理系統(tǒng)

將校內(nèi)PLC實訓室的PLC全部接入網(wǎng)絡(luò)，形成一個PLC在線實訓平臺，通過網(wǎng)絡(luò)實訓管理系統(tǒng)處理學生的在線實訓申請、設(shè)備在線開通以及在線實訓考核等功能，使得學生可以遠程通過仿真軟件連接實訓室內(nèi)的PLC進行仿真練習。

（二）安排專人值守實訓室

由于部分PLC實訓室連接了實際硬件被控對象，當學生進行遠程練習時，為了確保設(shè)備安全以及實訓過程中設(shè)備出現(xiàn)問題后能夠及時得到處理，需要安排專人值守實訓室。

（三）配套相應(yīng)的在線實訓指導

線上實踐教學不是簡單地把設(shè)備搬到互聯(lián)網(wǎng)上讓學生自己練習，還需要教師依托超星學習通等平臺開發(fā)上傳相應(yīng)的線上實踐教學資源，例如微課、線上實訓指導書等，學生的線上實訓學習軌跡也需要記錄下來作為課程分析和成績評定的依據(jù)。

四、結(jié)語

線上實踐教學突破了時間和空間的限制，使得學生可以更加靈活的安排自己的實踐學習，得到更加充分的實踐技能鍛煉，與傳統(tǒng)實踐教學方式形成有效互補。學生通過線上實踐教學方式，可以在課前熟悉教師發(fā)布的實踐自學任務(wù)，也可以在課后進行鞏固練習或完成相關(guān)拓展實踐任務(wù)，從而進一步完善了電氣類課程線上線下混合式教學模式。