基于“元世界”平臺(tái)的電氣控制虛擬仿真課程開(kāi)發(fā)新模式*

任偉

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 450064

引言

職業(yè)院校智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)順應(yīng)職業(yè)教育發(fā)展，滿足了高水平復(fù)合型智能制造人才培養(yǎng)的需要，通過(guò)深化產(chǎn)教融合，資源整合集聚，助推了“三教”改革。但目前建設(shè)過(guò)程中，大多只進(jìn)行了立體化教材資源、二維動(dòng)畫、在線開(kāi)放課程、MOOC公開(kāi)課等形式的資源開(kāi)發(fā)，仍存在信息技術(shù)與職業(yè)教育教學(xué)融合不夠、虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用水平不高，同時(shí)受制于師資、場(chǎng)地、安全等因素，目前實(shí)訓(xùn)條件存在著碎片化、簡(jiǎn)單化、分散化和失真化等缺陷[1]。另外隨著技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生訴求逐步從單純的知識(shí)受眾轉(zhuǎn)向技術(shù)能力掌握、獨(dú)立思考培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提升。創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，吸引學(xué)生興趣、提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果、改進(jìn)教學(xué)過(guò)程體驗(yàn)也是我們當(dāng)前進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新改革的迫切需要。

傳統(tǒng)的“可編程控制技術(shù)”“電氣控制技術(shù)”“變頻控制技術(shù)”等實(shí)訓(xùn)課程采用實(shí)訓(xùn)箱、實(shí)訓(xùn)臺(tái)、實(shí)訓(xùn)柜等純硬件方式，可以滿足正常的理論與實(shí)訓(xùn)演示教學(xué)，但實(shí)訓(xùn)室建設(shè)過(guò)程中存在“高投入、高耗材、高管理、難實(shí)操、難再現(xiàn)、難升級(jí)、難在線、難售后”等痛點(diǎn)。

1 技術(shù)方案

世界是由物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)組成，物質(zhì)可以用有限的屬性被描述，可以通過(guò)借鑒以方塊為基礎(chǔ)元素構(gòu)建的《我的世界》這個(gè)游戲的開(kāi)發(fā)思路，以元件為基礎(chǔ)構(gòu)建虛擬仿真課程開(kāi)發(fā)“元世界”平臺(tái)，用“元件”來(lái)表述物質(zhì)，可以是場(chǎng)景、角色（人）、工具、設(shè)備等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以表述為控制節(jié)點(diǎn)約束下的元件的屬性變化和行為調(diào)用[2]。通過(guò)應(yīng)用數(shù)字孿生理念，創(chuàng)新應(yīng)用三維數(shù)字技術(shù)，按照以虛帶實(shí)、以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合原則，構(gòu)建一個(gè)電氣控制系統(tǒng)虛擬仿真課程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)依托大數(shù)據(jù)、人機(jī)交互、三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等數(shù)字化技術(shù)手段，系統(tǒng)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段不足，二維動(dòng)畫效果不強(qiáng)等因素制約的困境。該方案技術(shù)路線如下：①系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)，客戶端采用基于.NET平臺(tái)的Win Form程序，一方面起到調(diào)用并定位Unity3D虛擬仿真程序的功能，又兼具Web容器功能，靈活擴(kuò)展更多互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)功能。另一方面客戶端通過(guò)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，減少Unity3D虛擬仿真程序本地運(yùn)行壓力，增加虛擬仿真程序運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。②服務(wù)端使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java，使用JavaBean+JDBC架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL。③虛擬仿真實(shí)訓(xùn)終端系統(tǒng)軟件作為協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件，以插件形式內(nèi)置于虛擬仿真程序中，隨主程序一起啟動(dòng)，用于配置IO點(diǎn)位進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持與西門子博途、三菱GXWorks2、Matlab/Simulink等外部軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

仿真平臺(tái)同時(shí)滿足三種實(shí)訓(xùn)模式，即軟件仿真實(shí)訓(xùn)模式、軟硬件虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)模式、硬件工藝實(shí)訓(xùn)模式，按知識(shí)目標(biāo)培養(yǎng)到技術(shù)能力目標(biāo)培養(yǎng)的教學(xué)順序，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了接線方式從二維到三維的轉(zhuǎn)變，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。通過(guò)“交互式、體驗(yàn)式”的過(guò)程操作貫穿教學(xué)全周期，符合教學(xué)周期的自然規(guī)律。注重“教學(xué)內(nèi)容”和“崗位場(chǎng)景”相結(jié)合，突出專業(yè)對(duì)職業(yè)的適應(yīng)性。軟件平臺(tái)架構(gòu)如圖所示。

圖1 軟硬件構(gòu)架

2 功能與應(yīng)用

通過(guò)以上技術(shù)方案開(kāi)發(fā)的電氣控制虛擬仿真可同時(shí)滿足三種實(shí)訓(xùn)模式，即軟件仿真實(shí)訓(xùn)模式、軟硬件虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)模式、硬件工藝實(shí)訓(xùn)模式。三種實(shí)訓(xùn)模式，按順序依次展開(kāi)教學(xué)，符合教學(xué)周期的自然規(guī)律[3]。

2.1 軟件仿真實(shí)訓(xùn)模式

以在線3D資源學(xué)習(xí)、原理認(rèn)知、仿真訓(xùn)練等資源學(xué)習(xí)與原理仿真為主，針對(duì)學(xué)生進(jìn)行的理論知識(shí)目標(biāo)培養(yǎng)。該模式集3D資源學(xué)習(xí)、電氣控制柜虛擬仿真接線訓(xùn)練、過(guò)程評(píng)價(jià)、增值性評(píng)價(jià)考核于一體。

2.2 軟硬件虛實(shí)結(jié)合仿真實(shí)訓(xùn)模式

由軟件仿真與硬件工藝接線共同組成，兼顧理論學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練，并以功能性驗(yàn)證仿真與點(diǎn)位接線為主，是針對(duì)學(xué)生進(jìn)行的功能性驗(yàn)證與設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)；該模式下支持25個(gè)PLC應(yīng)用場(chǎng)景與真實(shí)PLC、觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行虛實(shí)交互，支持I/O點(diǎn)位分配、PLC編程與Wincc組態(tài)監(jiān)控。

2.3 硬件工藝實(shí)訓(xùn)模式

以學(xué)生的真實(shí)設(shè)備認(rèn)知、動(dòng)手實(shí)訓(xùn)實(shí)操等硬件工藝訓(xùn)練為主，是針對(duì)學(xué)生進(jìn)行的專業(yè)技術(shù)能力培養(yǎng)；滿足設(shè)備認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、線纜敷設(shè)、設(shè)備安裝、工藝接線、變頻控制、伺服控制、步進(jìn)控制、觸摸屏調(diào)試、PLC編程、Wincc組態(tài)監(jiān)控等內(nèi)容。

3 方案應(yīng)用效果

通過(guò)仿真設(shè)備認(rèn)知與仿真場(chǎng)景訓(xùn)練，系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)技術(shù)、實(shí)際動(dòng)手、設(shè)計(jì)規(guī)劃、交流溝通、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、效率意識(shí)及創(chuàng)新思維等能力，同時(shí)培養(yǎng)了其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和良好的職業(yè)素養(yǎng)。解決了多方面教學(xué)問(wèn)題[4]：

3.1 “交互式、體驗(yàn)式”的過(guò)程操作貫穿教學(xué)全周期

將“硬件實(shí)訓(xùn)實(shí)操、工藝訓(xùn)練”“軟件虛擬仿真學(xué)習(xí)與訓(xùn)練”“軟硬件虛實(shí)結(jié)合仿真訓(xùn)練”等教學(xué)項(xiàng)目相結(jié)合，同時(shí)滿足了理論教學(xué)、虛擬仿真功能性驗(yàn)證、硬件實(shí)訓(xùn)實(shí)操等教學(xué)全周期的需求，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)了接線方式從二維到三維的轉(zhuǎn)變，如圖2所示，該模式為國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

圖2 接線方式從二維轉(zhuǎn)到三維轉(zhuǎn)變

3.2 “教學(xué)內(nèi)容”和“行業(yè)應(yīng)用”相結(jié)合，突出專業(yè)對(duì)職業(yè)的適應(yīng)性

通過(guò)情景化的教學(xué)，解決了教學(xué)過(guò)程中場(chǎng)景資源少，教學(xué)體驗(yàn)差的問(wèn)題。虛實(shí)訓(xùn)練相結(jié)合，解決了實(shí)訓(xùn)室只有硬件難以啟用，或啟用后難以恢復(fù)還原的教學(xué)現(xiàn)狀。解決了教學(xué)過(guò)程中設(shè)備耗材成本較高、設(shè)備損壞，重復(fù)利用率低的問(wèn)題。虛擬仿真環(huán)境中可以反復(fù)訓(xùn)練，可同步安全注意事項(xiàng)，人員安全得到保障。

3.3 依托學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，實(shí)施多維評(píng)價(jià)

解決了教學(xué)過(guò)程中只有少數(shù)人動(dòng)手操作的問(wèn)題，滿足更多人次同時(shí)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。解決了教學(xué)評(píng)價(jià)難的問(wèn)題，系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)學(xué)員的學(xué)習(xí)狀態(tài)，收集仿真訓(xùn)練過(guò)程中完成的關(guān)鍵技能信息，自動(dòng)上傳至平臺(tái)，并生成成績(jī)信息，為過(guò)程評(píng)價(jià)和增值性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)平臺(tái)與資源的更新是動(dòng)態(tài)的和不斷完善的，后期還應(yīng)進(jìn)一步豐富虛擬仿真設(shè)備的數(shù)量和功能，緊跟新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)展，完善系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能，方便學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立自主學(xué)習(xí)，如開(kāi)發(fā)職業(yè)資格證書對(duì)應(yīng)實(shí)踐考核模塊，為技能鑒定提供教學(xué)和訓(xùn)練支撐。還可以開(kāi)發(fā)更多場(chǎng)景，結(jié)合院校特色，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)土木建筑領(lǐng)域的電氣控制場(chǎng)景，為建筑業(yè)升級(jí)改造提供支撐。