職業(yè)院校電氣類課程教學(xué)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用初探

莫懷訓(xùn) 劉曉瑞

職業(yè)教育與信息技術(shù)的融合，不僅要關(guān)注學(xué)校的教學(xué)過程，還應(yīng)該關(guān)注行業(yè)發(fā)展與信息技術(shù)的結(jié)合方式。本文從電氣類課程教學(xué)入手，研究在制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，通過信息技術(shù)與課程教學(xué)的深度融合，促進(jìn)相關(guān)專業(yè)緊貼國家“十四五”期間數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

一、升級(jí)信息化教學(xué)理念，構(gòu)建數(shù)字教學(xué)工具箱

1 .教學(xué)理念需從“信息化”升級(jí)到“數(shù)字化”

面向制造業(yè)的相關(guān)專業(yè)，如機(jī)電、電氣、數(shù)控、機(jī)器人等，應(yīng)該在專業(yè)發(fā)展中主動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)字化改造，相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合方式必須與時(shí)俱進(jìn)，升級(jí)轉(zhuǎn)型。與信息技術(shù)結(jié)合的傳統(tǒng)思路主要服務(wù)于“利教助學(xué)”，但是對(duì)于專業(yè)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展需要考慮較少。例如，市面上已陸續(xù)出現(xiàn)了多種電氣仿真軟件，但教師在實(shí)際授課中并不太愿意使用，認(rèn)為仿真軟件對(duì)教學(xué)“幫助有限”，不如直接根據(jù)實(shí)物開展相關(guān)知識(shí)技能教學(xué)。這種思維在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的時(shí)代已然落后，某種程度上已成為專業(yè)緊貼時(shí)代發(fā)展的障礙。

針對(duì)制造業(yè)相關(guān)專業(yè)的電氣類課程教學(xué)，我們應(yīng)該及時(shí)升級(jí)到數(shù)字化融合理念，引入合適的電氣設(shè)計(jì)與仿真軟件，構(gòu)建數(shù)字工具箱，合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，既充分發(fā)揮信息技術(shù)的傳統(tǒng)功能——利教助學(xué)、優(yōu)化過程，也將數(shù)字化制造理念——優(yōu)化設(shè)計(jì)、輔助制造、數(shù)據(jù)監(jiān)測等根據(jù)實(shí)際情況引入到教學(xué)中，并付諸教學(xué)實(shí)踐，從而培養(yǎng)學(xué)生成為具有數(shù)字化制造理念的新時(shí)代制造業(yè)人才。

2 .數(shù)字化教學(xué)工具箱構(gòu)建原則

要實(shí)踐數(shù)字化教學(xué)，必須依賴合適的數(shù)字化工具，但目前并不存在包羅萬象、適合各方面需求的單個(gè)數(shù)字化工具，因此，必須構(gòu)建合適的數(shù)字化工具箱。構(gòu)建數(shù)字化工具箱時(shí)，選擇軟件的原則主要有以下幾點(diǎn)：其一是易于與信息技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到利教助學(xué)的目標(biāo)；其二是便于將制造全鏈（……設(shè)計(jì)繪圖→仿真優(yōu)化→選型制造……）數(shù)字化的理念引入，為培養(yǎng)數(shù)字化制造人才奠定基礎(chǔ)；其三是成本具有可行性，目前市面上面向企業(yè)、行業(yè)的電氣類設(shè)計(jì)、仿真及制造軟件大都是專用設(shè)計(jì)，費(fèi)用昂貴，在一般職業(yè)院校中推廣成本很高，也未必適合教學(xué)使用。

在目前職業(yè)教育電氣類課程中可以應(yīng)用的相關(guān)數(shù)字化工具比較多。我們選取幾個(gè)常用的經(jīng)典工具，針對(duì)其突出特點(diǎn)、教學(xué)應(yīng)用、數(shù)字化能力培養(yǎng)以及成本等方面進(jìn)行簡單對(duì)比分析。

（1）上海宇龍機(jī)電控制仿真軟件

①突出特點(diǎn)：支持原理圖、安裝圖、實(shí)物圖繪圖設(shè)計(jì)，元器件和控制對(duì)象豐富，可仿真演示；不支持輔助制造；不可自定義。②教學(xué)應(yīng)用：支持在線教學(xué)，常用來輔助電氣課程教學(xué)。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化輔助制造能力。④成本較低。

（2）西門子NX MCD

①突出特點(diǎn)：支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)，可自定義控制對(duì)象，但開發(fā)難度較大。②教學(xué)應(yīng)用：可作為電氣控制的對(duì)象來仿真聯(lián)調(diào)。③可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于電氣系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)能力。④成本較高。

（3）CADe_simu

①突出特點(diǎn)：支持繪圖設(shè)計(jì)、常用元器件，可仿真演示；部分支持輔助制造；PLC主要支持西門子；不可自定義。②教學(xué)應(yīng)用：電氣類課程的原理圖、安裝圖繪制及仿真。利教助學(xué)能力較好。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化輔助制造能力。④成本較低。

（4）Factory IO

①突出特點(diǎn)：支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)，可部分自定義控制對(duì)象，開發(fā)難度適中。②教學(xué)應(yīng)用：可對(duì)機(jī)電系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)。3D場景逼真度高，互動(dòng)性好。③能力培養(yǎng)：可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于電氣系統(tǒng)及其控制對(duì)象的整體設(shè)計(jì)。④成本適中。

在實(shí)際使用中，還有V-ELEQ、電氣CAD、EPLAN、Matlab等工具。我們通?？梢圆捎靡陨暇S度對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，從而選擇合適的工具構(gòu)建數(shù)字化工具箱。另外還有一些供教育培訓(xùn)使用的電氣仿真軟件工具，不過其內(nèi)容相對(duì)固定，不可根據(jù)任務(wù)需求自行設(shè)計(jì)，屬于多媒體互動(dòng)演示資源，并不算真正的可以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化能力的工具。

二、重構(gòu)電氣課程教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字制造能力

1 .電氣領(lǐng)域的數(shù)字制造能力淺析

電氣領(lǐng)域的數(shù)字化制造主要是指在虛擬仿真、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)支撐下，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能滿足用戶需求的整個(gè)制造過程，主要包含設(shè)計(jì)數(shù)字化、裝備數(shù)字化和管理數(shù)字化等三個(gè)方面。

設(shè)計(jì)數(shù)字化主要包括原理圖繪制，參數(shù)化選型，自動(dòng)化生成材料明細(xì)表、端子表、接線圖、安裝布置圖、總覽圖等內(nèi)容，以及原理仿真分析、參數(shù)優(yōu)化等。管理數(shù)字化主要包括制造計(jì)劃、模擬、質(zhì)量檢查、NC編程等。裝備數(shù)字化主要是把整個(gè)制造過程涉及的裝備自動(dòng)化、聯(lián)網(wǎng)化并數(shù)字化到孿生空間，方便監(jiān)控、靈活調(diào)度、數(shù)據(jù)收集等。

經(jīng)過研究，我們認(rèn)為目前針對(duì)電氣課程教學(xué)來說，需要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生具備相應(yīng)的數(shù)字能力：①原理圖繪制、仿真、分析及優(yōu)化等。本能力是最基礎(chǔ)的數(shù)字化能力，其他數(shù)字化能力基本都在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來。②數(shù)字化制造。本能力主要是在原理圖或安裝圖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步輔助制造，包含參數(shù)化選型、制造材料明細(xì)表生成、端子表生成、接線圖生成等。③數(shù)字孿生技術(shù)。本能力是目前比較重要的數(shù)字化能力。在智能制造方面，數(shù)字孿生通過對(duì)產(chǎn)線或設(shè)備的仿真與驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行模擬，可發(fā)現(xiàn)潛在故障，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少成本和風(fēng)險(xiǎn)。雖然數(shù)字化能力在不同的場景需求下可能還包含其他內(nèi)容，不過目前比較通用和基礎(chǔ)的能力主要是這三項(xiàng)。

2 .電氣課程數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容的選擇

在制造業(yè)類專業(yè)中，電氣技術(shù)內(nèi)容不僅極其重要，而且內(nèi)容豐富，學(xué)習(xí)時(shí)間跨度大，從專業(yè)基礎(chǔ)到高級(jí)應(yīng)用都有，同時(shí)因?yàn)楦拍畛橄?、理論豐富，導(dǎo)致學(xué)習(xí)難度也很大。選擇的數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容主要應(yīng)滿足以下條件：①滿足相應(yīng)層次的人才培養(yǎng)需要。②易于與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，市面上有合適的數(shù)字化工具。③便于將制造全鏈（……設(shè)計(jì)繪圖→仿真優(yōu)化→選型制造……）數(shù)字化以及數(shù)字孿生的理念引入，為培養(yǎng)數(shù)字化制造人才奠定基礎(chǔ)。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)綜合研究，電子技術(shù)、電氣控制、電氣制圖、可編程控制器技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、檢測技術(shù)應(yīng)用、氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用等課程內(nèi)容均符合以上要求。其中電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)技能模塊相對(duì)獨(dú)立性較強(qiáng)，在智能制造類專業(yè)群中也非專業(yè)核心內(nèi)容，所以可以暫時(shí)不開展相關(guān)研究。而其他電氣類內(nèi)容可以可編程控制器技術(shù)、生產(chǎn)線數(shù)字化改造或數(shù)字孿生等課程為核心、以項(xiàng)目為抓手整體有機(jī)結(jié)合起來。

針對(duì)智能制造領(lǐng)域，一般的項(xiàng)目內(nèi)容涉及控制器、人機(jī)交互系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工藝流程、數(shù)字仿真、自動(dòng)檢測等方面。因此，我們選取的內(nèi)容應(yīng)該符合項(xiàng)目整體構(gòu)建的需求，在內(nèi)容組織上也盡量遵循項(xiàng)目生命周期的順序。

3 .融合方案的設(shè)計(jì)

在前面的研究內(nèi)容基礎(chǔ)之上，采用一一映射式的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出合理的深度融合方案。

方案設(shè)計(jì)基本方法：課程教學(xué)內(nèi)容的單元模塊、數(shù)字化工具的各基礎(chǔ)應(yīng)用、數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造的流程環(huán)節(jié)以及實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目盡量做到一一對(duì)應(yīng)。

設(shè)計(jì)融合方案時(shí)，需解決的關(guān)鍵問題主要有兩個(gè)：其一是加入軟件工具應(yīng)用之后，課時(shí)如何調(diào)配才能滿足人才培養(yǎng)需要；其二是各類環(huán)節(jié)之間映射在實(shí)踐中難以做到一一對(duì)應(yīng)，有些環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)際情況需要壓縮到一起，那么如何構(gòu)造真實(shí)的映射關(guān)系，既能基本體現(xiàn)數(shù)字化制造的特點(diǎn)，傳達(dá)出數(shù)字化制造的優(yōu)點(diǎn)，還能契合學(xué)校專業(yè)特色和軟件系統(tǒng)實(shí)際功能，是需要考慮的問題。

責(zé)任編輯 ?魏家堅(jiān)