基于虛擬仿真的“PLC技術”課程教學模式的構建

張 璟，李 昶

（鄂州職業(yè)大學，湖北 鄂州 436000）

教育部在2018年4月印發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》，文件中指出：“要加強職業(yè)院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環(huán)境建設，服務信息化教學需要?！碧摂M仿真技術為職業(yè)教育信息化資源建設、實訓教學的“課堂革命”帶來了前所未有的機遇。教育部、財政部在2019年3月印發(fā)了《關于實施中國特色高水平高職學校和專業(yè)建設計劃的意見》，指明了新時代職業(yè)教育高質量發(fā)展的方向和路徑，提出加快推進職業(yè)教育信息化，大力推進“互聯(lián)網+”“智能+”教育新形態(tài)，推動教育教學變革創(chuàng)新。因此，高職院校實訓室建設實現(xiàn)信息化、智能化是大勢所趨。應基于虛擬仿真技術深化“互聯(lián)網+”信息化教學改革，進一步完善虛擬實訓室等信息化教學資源，構建一個虛實結合的、有效互動的、資源共享的、快速反饋的沉浸式教學環(huán)境，實現(xiàn)不同虛擬仿真技術與教學實施的高效融合和不同學習環(huán)境的多場景創(chuàng)建。本研究以“PLC技術”課程為例，探索實施基于虛擬仿真技術的PLC實訓教學，采用多元化教學模式，根據不同學習階段選擇不同的虛擬仿真技術，通過分層設計虛擬的情景系統(tǒng)，為學習者創(chuàng)建豐富的仿真場景，讓學習者在不同的學習階段實現(xiàn)自主建構學習。

一、虛擬仿真技術在“PLC技術”課程中的應用現(xiàn)狀

PLC是電氣自動化領域的核心控制器件，“PLC技術”課程是航空機電技術專業(yè)群的核心課程之一。該課程具有較強的實踐性和應用性，對實訓要求較高?！癙LC技術”的傳統(tǒng)實訓教學過程中存在實訓裝備成本較高和實訓項目的可擴展性、遷移性較差等問題。開展基于虛擬仿真技術的PLC技術實訓教學資源建設與應用，既能解決PLC實訓教學中存在的三高、三難問題，又能滿足我國職業(yè)教育信息化對虛擬仿真資源的建設要求。

目前，對于虛擬仿真技術如何應用于PLC實訓教學，省內外職業(yè)院校、高等學校主要采取單一的虛擬仿真軟件。一種是基于MCGS等組態(tài)技術或FX-TRN-BEG-C仿真系統(tǒng)的全虛擬仿真，其設計優(yōu)點是畫面逼真，缺點是開發(fā)時間較長，項目擴展性較差；另一種是綜合GX-Develop-C V8和GXSimulator-6C軟件的仿真調試，此類仿真系統(tǒng)適合讓學生在鞏固知識點的基礎上切實提高程序設計能力，缺點是可視性較差，不利于初學或自學。

虛擬仿真技術服務實訓教學具有復雜性，仍有諸多問題，如虛擬仿真技術如何精準服務于PLC實訓教學，實訓教學模式如何改革，等等。因此，本研究從虛擬仿真技術在“PLC技術”課程中的應用入手，基于建構主義學習理論，根據“以學生為中心”的教學理念，遵循學生的認知心理規(guī)律，針對傳統(tǒng)實訓模式存在的問題，探究基于虛擬仿真技術的課程實訓多元化教學模式構建，旨在讓虛擬仿真技術更有效地助力人才培養(yǎng)質量的提升。

二、基于虛擬仿真的“PLC技術”課程教學模式的構建

（一）理論基礎

1.“以學生為中心”的教學理念?！耙詫W生為中心”不是教學方法，是教育理念的創(chuàng)新。對于“以學生為中心”，如果僅從字面理解，很容易產生誤解。例如：有的教師為了“以學生為中心”，考慮照顧學生的學習興趣，因此在教學內容上大刀闊斧地刪減，導致教學目標不能完成。這種對“興趣”的理解就是誤解，需要正確理解“以學生為中心”的含義?！耙詫W生為中心”是要以學生的發(fā)展為中心，引領學生主動學習，通過更有趣的教學設計吸引學生的注意，激發(fā)學生的興趣?！耙詫W生為中心”是要學生對自己的學習負責，要學生自己主動自覺學習。要實現(xiàn)這種目標，教師需要根據學生的特點和學習要求精細劃分教學設計。以學生學習為中心，是教師引領學生有效學習，進入高階學習。

正確理解“教師主導”的含義。教師是教學過程的設計者，教學環(huán)境的營造者，學生學習過程中的引導者、支持者、輔導者和合作者，這才是“教師主導”的真實意義。實現(xiàn)“教師主導”并不輕松，這需要教學內容和教學方法的設計都必須精細化、個性化和有前瞻性。要根據學生未來的需求安排學習內容，采取多種措施和手段激勵和鼓勵學生，激發(fā)學生自發(fā)學習的興趣。

在設計單元教學環(huán)節(jié)時，應精細化設計課前、課中和課后三個階段，包括學生和教師各自的活動內容和步驟、活動設計的目的、活動成果的檢測評價方法等，尤其在課后要認真撰寫教學反思和改進措施。

2.“建構主義”學習理論。建構主義學習理論認為，知識的建構來源于學習者的個人體驗，學習者在他人的幫助下，使用一定的學習資料，通過建構的方法得到知識?；诮嬛髁x學習理論，教師在不同的學習階段應選擇適當?shù)慕虒W模式。學生不應該是知識的被動接受者，而應該是知識、能力和素養(yǎng)的主動建構者。

所謂教學，就是教師幫助學生在大腦中構建自己的專業(yè)認知模型。教學的核心是“學”而不是“教”，所以教學必須“以學生為中心”。

3.“經驗之塔”學習理論?！敖涷炛睂W習理論認為，教育應該從具體的體驗開始，逐步過渡到抽象的經驗。認知心理學是探討心理如何被組織而產生智能思維，以及心理如何在腦中實現(xiàn)的科學。它告訴我們：教師需要考慮讓天生的好奇心保持并思考；高階技能的培養(yǎng)需要學生自己內化；一個人思考什么就會記住什么；在已知事物的架構下理解新事物；學習效果評價能激勵學生充分練習，從而達到熟練自如的程度；初期認知和后期認知截然不同，可以讓優(yōu)秀學生教生手學生；人獲取信息大部分靠視覺；大腦是用進廢退的；教師的教學是需要練習的。

基于此，教師需要遵循學生的認知規(guī)律，在不同的學習階段，選擇適當?shù)奶摂M仿真技術，采用多元教學模式，分層設計學習項目，以學生的有效學習為核心，通過可評測的學習效果，引導激勵學生自主學習。

（二）研究內容

1.解構與重構“PLC技術”課程內容。傳統(tǒng)的教學內容以教師的“教”為中心，關注的是知識的傳授。而以學生為中心的教學是以學生的“學”為中心，關注學生的有效學習。具體來說，是以學生的學習成果為導向，以社會的需求和科學的發(fā)展為指引，用科學的方式分析學生的學情，以學生的有效學習為核心，學生的學習效果可評測，從而良性驅動學生自主學習。

傳統(tǒng)的課程設計展現(xiàn)的是教學的內容，都是細碎的知識點，最終要干什么、能干成什么都很抽象?！耙詫W生為中心”的課程內容是展現(xiàn)學習成果，學生知道要達到什么結果，教師為了促成這個結果，開展一系列的教學設計。這種學習是有目的的，教學設計也是有針對性的。

“PLC技術”課程使用的教材分為7章，分別是PLC概述、PLC的基本結構與工作原理、三菱FX3U系列PLC、編程軟件、MCGS軟件、PLC控制系統(tǒng)的設計與應用、PLC在工業(yè)控制中的應用舉例。根據“經驗之塔”學習理論，學生的學習應該從具體的經驗開始，逐步過渡到抽象的經驗。因此將教學內容解構，重新整合為3個模塊：基于FX-TRNBEG-C仿真系統(tǒng)的全虛擬仿真教學、綜合GX-Develop-C V8和GX-Simulator-6C軟件的仿真調試與實物相結合的虛實結合教學、基于MCGS等組態(tài)技術的PLC控制系統(tǒng)的設計與應用。解構與重構后的課程內容如表1所示。

表1 課程內容體系

2.有機融入課程思政的一體化教學設計。根據航空機電技術專業(yè)群的特點，從頂層開始進行系統(tǒng)設計，在人才培養(yǎng)方案中貫徹“課程思政”的精神。從人才培養(yǎng)方案的設計到課程標準的制定，最后落實到每節(jié)課每個教學環(huán)節(jié)，進行一體化教學設計，將課程思政融入學生學知習技的過程中，實現(xiàn)潛移默化的價值引領效果。

通過深學細悟習近平新時代中國特色社會主義思想，著力提升政治素養(yǎng)，努力做到真學真信真用，從思想上提升專業(yè)課教師對“課程思政”的認知。在教學實施過程中，教師是最好的榜樣。教師胸懷祖國，就能培養(yǎng)學生服務人民的愛國精神；教師在技能操作上勇攀高峰，就能培養(yǎng)學生敢為人先的創(chuàng)新精神；教師追求真理、嚴謹治學，更易培養(yǎng)出學生淡泊名利、潛心研究的奉獻精神。

教師還要與時俱進，緊跟時事，充分挖掘思政教育元素，開發(fā)學生喜聞樂見的課程思政資源，讓思政元素自然地融入到課堂教學中。

3.分析各類虛擬仿真軟件的特點與優(yōu)勢。傳統(tǒng)“PLC技術”課程實訓模式主要是“理實一體化”，在介紹完PLC系統(tǒng)設計流程后，采用PLC實訓臺，開展相應項目的驗證性實驗。這樣的教學過程，以教學內容的完成為目的，對初學的學生不太友好。建構主義學習理論認為知識的建構來源于學習者的個人體驗，若出師不利，學生往往會降低對后續(xù)學習的興趣。

針對這一情況，通過分析FX-TRN-BEG-C仿真學習系統(tǒng)、GX Developer和GX-Simulator-6C編程軟件、MCGS組態(tài)軟件等仿真軟件的優(yōu)勢，遵循學生的認知規(guī)律，在不同的學習階段，選擇適當?shù)奶摂M仿真技術，分層設計學習項目，建構基于虛擬仿真技術的多元化實訓教學模式，有利于幫助學生實現(xiàn)自主建構學習。

不同學習階段仿真軟件的選擇：針對“零基礎”的學生，重點是如何從“零”開始“深入淺出”地實施虛擬仿真教學，教學的難點是使學生樂于學習、易于接受。此階段可采用FX-TRN-BEG-C三菱學習軟件。該虛擬仿真系統(tǒng)可以逼真地模擬現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，有利于培養(yǎng)學生在實驗環(huán)節(jié)的創(chuàng)新實踐能力。通過此虛擬仿真軟件，在教學實踐中適時播放相關的工程應用案例視頻，及時將所學知識和實際應用過程聯(lián)系起來，幫助學生實現(xiàn)知識的遷移，讓學生有獲得感，激發(fā)學生求知的欲望，引領學生輕松入門PLC技術。對于初學者來說，通過該虛擬仿真軟件可以快速高效地學會編程，激發(fā)內生創(chuàng)新動力，達到事半功倍的效果。

在學生已經掌握了基本的編程思路后，需要學習設計更多工業(yè)現(xiàn)場的真實控制任務。采用企業(yè)級MCGS組態(tài)技術或三菱GX works2和GT Works3軟件聯(lián)合，搭建全虛擬的PLC系統(tǒng)控制場景，既能實現(xiàn)應用場景的可視化虛擬再現(xiàn)，也能增強實訓項目的可擴展性和遷移性。使用GX Works2和GT work3聯(lián)合進行虛擬仿真，還能方便地模擬出不同應用場景、不同行業(yè)的PLC控制系統(tǒng)的個性化設計需求，增強實訓過程的畫面感和娛樂性，突出對學生PLC控制系統(tǒng)設計能力的培養(yǎng)，提高學生學習的自主性和有效性，激發(fā)學生自主探究的能力和創(chuàng)新意識。

4.反向教學設計矩陣。傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式是以教師“教”為中心，以書本知識內容的傳遞為核心?！耙詫W生為中心”的人才培養(yǎng)是以學生的“學”為中心的，以學習成果為導向，以社會的需求和科學的發(fā)展為指引，用科學的方式分析學生的學情，以學生的有效學習為核心，學生的學習效果可評測。

因此，本課程設計分為5個步驟：分析—設計—開發(fā)—實施—評估。這與傳統(tǒng)教學設計有以下幾個不同之處：

（1）教學設計的流程不同。以前是目標——教師教——學生學——考核評估，邏輯銜接出現(xiàn)斷檔。而反向教學設計則非常清晰地指明了學與教的邏輯關系，學生為主體，教師為學生提供幫助，幫助學生建構自己的知識、能力和素質，這才是真的以學生為中心。

（2）教學目標的撰寫方式不同。以前在描述教學目標時，要么拔高難度，要么難度太小，要么事無巨細，所有內容全寫上，沒有重點。根據40/40/40原則和布魯姆目標動詞描述方式，以“十字路口機械手的PLC控制系統(tǒng)”為例，撰寫新的教學目標如表2所示。

表2 十字路口機械手的PLC控制系統(tǒng)設計教學目標（續(xù)表）

表2 十字路口機械手的PLC控制系統(tǒng)設計教學目標

5.基于BOPPPS模式的教學活動設計。以“部件分配系統(tǒng)的PLC控制程序設計與仿真”為例對教學活動進行說明：

（1）導入環(huán)節(jié)。通過聚焦時事新聞——“雙11的快遞量再創(chuàng)新高”，引導學生討論這背后的快遞分揀工作是如何實現(xiàn)的，讓學生通過自身感受體會天量快遞的分揀難度，想象部件分配系統(tǒng)的工作過程。

（2）學習目標。熟練應用PLC控制系統(tǒng)的程序設計流程；自行設計程序，使得物料分揀系統(tǒng)能夠合理地工作。

（3）前測環(huán)節(jié)。采用判斷題、排序題等方式，幫助學生回憶之前的程序設計經驗，了解學生對編程思路的理解程度和對程序設計流程的熟悉程度。

（4）參與式學習。學生分小組研討設計方案，開始實施設計。教師觀察各小組的實施情況，及時回應小組請求，鼓勵學生積極參與。小組設計完成后，推薦優(yōu)秀小組代表分享設計經驗，激發(fā)學生參與課堂活動的熱情。

（5）后測環(huán)節(jié)。理論性內容采取選擇題和排序題的方式檢測；項目程序設計題采取小組互評、教師點評的方式打分，作為課程過程考核的積分；程序設計題設計有評分量表。

（6）總結?？偨YPLC控制系統(tǒng)的設計步驟；總結物料分揀系統(tǒng)的編程設計思路。

6.機械手系統(tǒng)的設計報告Rbric，見表3。

表3 機械手系統(tǒng)的設計報告Rbric

三、特色與創(chuàng)新

（一）特色

在不同學習階段選擇運用不同的虛擬仿真軟件進行PLC實訓教學，遵循學生的認知心理規(guī)律，分階段創(chuàng)建可視化的PLC控制系統(tǒng)虛擬教學場景，降低學習者對不同行業(yè)、不同需求的PLC應用環(huán)境的陌生感，引導學生將學習的重點聚焦在PLC控制系統(tǒng)設計的各個環(huán)節(jié)上，有利于激發(fā)學習者的學習興趣，實現(xiàn)有效自主建構學習。

（二）創(chuàng)新點

基于建構主義和“經驗之塔”學習理論，以學生為中心，采用多元教學模式，在不同學習階段選擇不同的虛擬仿真技術開展教學。幫助學生在初學階段輕松入門，在經驗積累階段有效聚焦學習重點，讓虛擬仿真技術更有效地服務于人才培養(yǎng)質量的提升。

總 結

“PLC技術”課程旨在根據PLC控制系統(tǒng)設計崗位需求，通過合理精準地使用虛擬仿真技術，培養(yǎng)符合崗位能力要求的高素質技術技能人才。為實現(xiàn)這一目的，在實訓環(huán)節(jié)應充分利用虛擬仿真技術，構建多元化教學模式，實施“課堂革命”。將“以學生學習為中心”和“以學習效果為中心”的原則貫穿于教學設計中，幫助學生更有效地學習。