虛擬仿真技術(shù)在電氣控制線路安裝與檢修教學(xué)中的應(yīng)用研究

王慧云?李海勇

摘 要：針對(duì)電氣控制線路安裝與檢修課程應(yīng)用仿真軟件存在的問(wèn)題，相關(guān)課題組成員創(chuàng)建所需的數(shù)字教育資源并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，尋求解決問(wèn)題的方法，提出應(yīng)用仿真教學(xué)軟件助力實(shí)訓(xùn)教學(xué)的策略。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù) 電氣控制 教學(xué)應(yīng)用

課 題：本文系山東省技工教育和職業(yè)培訓(xùn)科研課題立項(xiàng)課題“虛擬仿真技術(shù)在《電氣控制線路安裝與檢修》教學(xué)中的應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：RSJY2022-Y040）的研究成果。

2022年2月，教育部相關(guān)負(fù)責(zé)人在介紹推動(dòng)現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展有關(guān)工作情況時(shí)表示，將持續(xù)推動(dòng)職業(yè)教育數(shù)字化升級(jí)，促進(jìn)職業(yè)教育提高質(zhì)量、提升形象。教育部將持續(xù)開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教學(xué)資源，構(gòu)建國(guó)家、省、校三級(jí)資源庫(kù)互為補(bǔ)充，使用廣泛的資源庫(kù)應(yīng)用體系，繼續(xù)推動(dòng)建設(shè)數(shù)字化融媒體教材，加快虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)。新冠肺炎疫情防控期間，學(xué)生通過(guò)線上平臺(tái)學(xué)習(xí)知識(shí)和技能，技工院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)遇到了挑戰(zhàn)。濟(jì)南市技師學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)學(xué)院）課題組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)課題組）申請(qǐng)山東省技工教育和職業(yè)培訓(xùn)科研課題“虛擬仿真技術(shù)在電氣控制線路安裝與檢修教學(xué)中的應(yīng)用研究”，探索提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率、提升教學(xué)效果的途徑和方法。

一、虛擬仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)外教育領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)又稱(chēng)VR技術(shù)，起源于20世紀(jì)60年代末，20世紀(jì)70年代，日本游戲公司推出Virtual Boy電子游戲交互設(shè)備，使VR設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備交互實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，從而令VR技術(shù)在更多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)初期，VR技術(shù)逐步融入軍事、教育及醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域。2017年7月，教育部辦公廳下發(fā)《關(guān)于2017—2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》；2018年6月，教育部開(kāi)放了“實(shí)驗(yàn)空間”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以VR技術(shù)輔助高等教育。

虛擬仿真是用虛擬搭建出的場(chǎng)景模擬類(lèi)似真實(shí)場(chǎng)景的技術(shù)，操控虛擬的對(duì)象在虛擬的環(huán)境交互使用，對(duì)真實(shí)世界的特征進(jìn)行模擬。許多高校開(kāi)展了虛擬仿真技術(shù)相關(guān)研究工作。仿真技術(shù)在職業(yè)院校電氣類(lèi)課程應(yīng)用較多。學(xué)院使用Proteus、Multisim、PLC、MATLAB、Keil等仿真軟件輔助專(zhuān)業(yè)課教學(xué)；使用“電工技能與實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)”仿真軟件輔助電氣控制線路安裝與檢修課程教學(xué)。

利用虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐安全性；二是將知識(shí)概念立體化呈現(xiàn)，提高理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的連貫性；三是強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)課教學(xué)實(shí)驗(yàn)多元化教育能力。教師若能掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字建模技術(shù)應(yīng)用方法，可以調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)適用于不同環(huán)境。

二、電氣控制線路安裝與檢修課程應(yīng)用仿真軟件存在的問(wèn)題

仿真軟件“電工技能與實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)系統(tǒng)”應(yīng)用于電氣控制線路安裝與檢修課程教學(xué)，提供電氣控制線路的原理、布局、連線和運(yùn)行、排故等選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)操作者和模型之間的交互，幫助學(xué)生直觀學(xué)習(xí)，受到很多專(zhuān)業(yè)課教師的歡迎。

有教師在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，軟件中選用的3種機(jī)床電氣控制線路和教材中的內(nèi)容不一致。線上和線下教學(xué)需要使用中職電工專(zhuān)業(yè)教材《電氣控制線路安裝與檢修》模塊三項(xiàng)目一、二、三的數(shù)字教育資源。在“實(shí)驗(yàn)空間”平臺(tái)，沒(méi)有找到適應(yīng)技工院校電氣控制線路安裝與檢修課程的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在新冠肺炎疫情防控時(shí)期，開(kāi)展線上教學(xué)需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)達(dá)成專(zhuān)業(yè)課實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)或輔助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。針對(duì)電氣控制線路安裝與檢修課程中應(yīng)用仿真軟件存在的問(wèn)題，課題組成員創(chuàng)建所需的數(shù)字教育資源并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，尋求解決問(wèn)題的方法。

三、課題研究?jī)?nèi)容和研究方法

（一）課題研究?jī)?nèi)容

1.錄制和教材內(nèi)容一致的3種機(jī)床電氣控制線路的工作原理微課

教材模塊三“常用生產(chǎn)機(jī)械電氣控制線路的識(shí)讀及故障檢修”，重點(diǎn)是CA6140型普通車(chē)床電氣線路、M7130型平面磨床電氣線路、Z3040型搖臂鉆床電氣線路3種機(jī)床電氣控制線路。課題組成員積極學(xué)習(xí)新技能，錄制此3種機(jī)床電氣控制線路的工作原理微課。

2.創(chuàng)建與實(shí)訓(xùn)裝置相適宜的仿真軟件

學(xué)院設(shè)備“DLJCS-G4智能型四合一機(jī)床電氣技能實(shí)訓(xùn)考核鑒定系統(tǒng)”用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，創(chuàng)建仿真軟件的三維場(chǎng)景來(lái)源于實(shí)訓(xùn)裝置DL-CA6140型普通車(chē)床電氣線路元器件布線區(qū)、DL-M7130型平面磨床電氣線路元器件布線區(qū)、DL-Z3040型搖臂鉆床電氣線路元件布線區(qū)。

創(chuàng)建仿真軟件的流程如下。

（1）應(yīng)用Autodesk Inventor Professional 2019軟件，建立3種機(jī)床電氣控制線路所需元器件三維仿真模型。

（2）研發(fā)基于Unity3D平臺(tái)的3種機(jī)床電氣線路布局模擬操作程序。把三維仿真模型轉(zhuǎn)換成元器件主體模型，用Unity3D平臺(tái)搭建布局場(chǎng)景，結(jié)合C++語(yǔ)言制作腳本，控制元件移動(dòng)和安裝位置判定。

（3）程序封裝成應(yīng)用，使其支持PC平臺(tái)或手機(jī)客戶(hù)端。

3.應(yīng)用創(chuàng)建的數(shù)字教育資源進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐

教師在電氣控制線路安裝與檢修教學(xué)中應(yīng)用微課和仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生使用仿真軟件，在虛擬環(huán)境中，進(jìn)行元器件布局安裝操作訓(xùn)練。

4.調(diào)研仿真軟件應(yīng)用案例和分析教學(xué)效果

以任課教師、在校學(xué)生作為訪談對(duì)象，調(diào)查教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字教育資源后學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度的變化；學(xué)生在理論聯(lián)系實(shí)踐、知識(shí)應(yīng)用能力、學(xué)習(xí)主動(dòng)性方面產(chǎn)生的變化以及學(xué)生考試成績(jī)的變化。對(duì)照傳統(tǒng)教學(xué)模式，分析教學(xué)效果的差異。

（二）研究方法

1.文獻(xiàn)研究法

第一階段采用文獻(xiàn)研究法，選擇研究課題。文獻(xiàn)研究法是對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行查閱、分析、整理，從而找出事物本質(zhì)屬性的方法。文獻(xiàn)包括文字資料、圖形資料、符號(hào)資料、聲像資料等。

2.行動(dòng)研究法

第二階段采用行動(dòng)研究法，創(chuàng)建《電氣控制線路安裝與檢修》實(shí)訓(xùn)教學(xué)數(shù)字教育資源。行動(dòng)研究法是指在自然真實(shí)的教育環(huán)境中，教育實(shí)際工作者按照一定的操作程序，綜合運(yùn)用多種研究方法與技術(shù)，以解決教育實(shí)際問(wèn)題為首要目標(biāo)的一種研究模式。行動(dòng)研究法的一般步驟是：計(jì)劃—行動(dòng)—考察—反思。

3.實(shí)驗(yàn)研究法

第三階段采用實(shí)驗(yàn)研究法，在教學(xué)中應(yīng)用創(chuàng)建的數(shù)字教育資源進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)研究法是應(yīng)用研究手段，根據(jù)一定的假設(shè)創(chuàng)造一定的條件、開(kāi)展教育實(shí)踐活動(dòng)，揭示教育活動(dòng)中的因果關(guān)系的方法。實(shí)驗(yàn)法的采用是建立在假設(shè)某一種教學(xué)方法和模式會(huì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生促進(jìn)作用的基礎(chǔ)上，采用分組比對(duì)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。

4.調(diào)查研究法

第四階段采用調(diào)查研究法，通過(guò)教學(xué)案例分析應(yīng)用仿真軟件的教學(xué)效果。調(diào)查研究法是深入了解教育實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)存在的實(shí)際問(wèn)題，尋求解決問(wèn)題并探索教育規(guī)律的方法。研究過(guò)程中用到訪談法、問(wèn)卷調(diào)查法、個(gè)案觀察法等。

四、在電氣控制線路安裝與檢修課程教學(xué)中應(yīng)用仿真教學(xué)軟件助力實(shí)訓(xùn)教學(xué)的策略

（一）基于虛擬仿真技術(shù)的課程改革

傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)課教學(xué)，以教師為中心，教學(xué)活動(dòng)圍繞理論知識(shí)的傳授和相關(guān)技能的實(shí)訓(xùn)。當(dāng)前推行以學(xué)生為中心的理實(shí)一體化教學(xué)。2020年，我國(guó)出現(xiàn)新冠肺炎疫情以后，微課、虛擬仿真軟件在線上教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。學(xué)生可以登錄微課教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課，觀看實(shí)驗(yàn)操作，可以在線上教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，也可以使用仿真軟件參與虛擬實(shí)訓(xùn)。

通過(guò)虛擬仿真軟件的使用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了理實(shí)一體化教學(xué)發(fā)展，提升了教師的信息技術(shù)應(yīng)用能力。

（二）創(chuàng)建與實(shí)際場(chǎng)景相適宜的仿真軟件補(bǔ)充數(shù)字教育資源

近年來(lái)，Android系統(tǒng)得到了成熟的發(fā)展。Unity又稱(chēng)Unity3D，具有許多優(yōu)點(diǎn)，用戶(hù)可以通過(guò)Unity引擎實(shí)現(xiàn)各種游戲創(chuàng)意和三維互動(dòng)開(kāi)發(fā)，近年來(lái)在游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中的使用率不斷提高。技工院校通過(guò)利用該引擎開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)課實(shí)訓(xùn)仿真軟件，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力和理論理解能力。

五、小結(jié)

將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以提供和現(xiàn)實(shí)操作相似的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，具有非常強(qiáng)的交互性。這種應(yīng)用提高了技工院校學(xué)生的課堂參與度，取得良好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，同時(shí)，在完善線上實(shí)踐課程、輔助線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)、加強(qiáng)教師隊(duì)伍的建設(shè)等方面具有重要的實(shí)踐意義。

三維仿真軟件常用的有3ds Max、MaYa等，適用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，希望能夠開(kāi)發(fā)出適合技工院校教育的3D虛擬仿真制作軟件。根據(jù)工學(xué)一體化技能人才培養(yǎng)模式的新要求，如果校企合作共建虛擬仿真資源，教學(xué)和工作場(chǎng)景統(tǒng)一，技工教育就可成為有源之水。目前，虛擬仿真技術(shù)僅僅輔助某些專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)，如果建設(shè)成立體化教學(xué)資源庫(kù)，把虛擬仿真技術(shù)推廣到教學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用就能夠大力助推教學(xué)改革的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊萬(wàn)霞.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與應(yīng)用[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（2）.

[2]郭秀艷，馬國(guó)金，吳霞，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”視域下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中國(guó)冶金教育，2021（1）.

[3]周頔，孫辛欣，盛歆漪.Unity3D PlayMaker游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

[4]胡中鋒.教育科學(xué)研究方法[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2018.

（作者單位：濟(jì)南市技師學(xué)院）