電氣類專業(yè)虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式實施與評價

毛景魁 仝戰(zhàn)營

摘 要：目前，新冠疫情的肆虐打破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。根據(jù)當(dāng)前形勢，依托計算機通信與仿真技術(shù)，在電類專業(yè)開展虛擬仿真與實際實驗相結(jié)合的教學(xué)實踐，完成實驗教學(xué)任務(wù)。在實驗教學(xué)過程中注重虛實結(jié)合，貼近實際生活，寓教于虛，訓(xùn)練于實，保證實驗內(nèi)容的可行性和系統(tǒng)性。實驗教學(xué)實施效果表明，虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式符合教學(xué)目標，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生清楚為何而學(xué)，所學(xué)為何，切實提高了實驗教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新冠疫情 電類專業(yè) 虛擬仿真 虛實結(jié)合 實驗教學(xué)模式 實驗評價

1 引言

2019年末，爆發(fā)了突如其來的新冠肺炎疫情。新冠肺炎疫情給人類帶來了全方位的沖擊和影響，至今仍然沒有結(jié)束的趨勢。為了防止新冠肺炎疫情蔓延，各高校先后采取了封閉管理，傳統(tǒng)教學(xué)秩序被迫進行改變，減少甚至取消現(xiàn)線下教學(xué)，推廣線上教學(xué)（網(wǎng)課）[1-3]。利用各種現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備繼續(xù)教學(xué)內(nèi)容成為新冠疫情背景下的重要教學(xué)手段，虛擬仿真也理所當(dāng)然的成為實驗教學(xué)中實際操作之外的首選途徑[4]。

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，指導(dǎo)老師通常根據(jù)實驗大綱設(shè)計實驗方案，在固定場所中指導(dǎo)學(xué)生使用實驗設(shè)備進行操作，通過實際儀器設(shè)備的操作、線路連接、數(shù)據(jù)測量以及電路故障排查等實踐環(huán)節(jié)使學(xué)生掌握實驗原理，達到理論與實踐結(jié)合的目的[5-7]。

在疫情背景下，如何充分發(fā)揮虛擬仿真在實驗教學(xué)的重要作用，回歸實驗教學(xué)的本質(zhì)，線上虛擬仿真與線下實操并重，虛實結(jié)合，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力[8]，成為目前教學(xué)模式改革的主要方向。因此，結(jié)合目前疫情管控形勢，立足河南工學(xué)院電類專業(yè)電氣控制與PLC課程的實驗教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合虛擬仿真和實際實驗操作的優(yōu)點，本文提出虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，并在在校生中實施，取得了較好的教學(xué)效果。

2 虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式

實際實驗培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要途徑，虛擬仿真是實際實驗的輔助。學(xué)生的實驗技能，必須在實際實驗中自己親自動手并解決遇到的問題才能真正獲得[9，10]。為此，教育部高教司明確提出了“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的虛擬仿真實驗教學(xué)十二字原則[11，12]。鑒于虛擬仿真實驗與實際實驗對于實驗教學(xué)的各自優(yōu)勢，本文提出“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

虛擬仿真實驗使得每個學(xué)生可以獨立操作，獲得的實驗技能通過正向遷移，反映到實際實驗中，有利于養(yǎng)成實驗技能。實際實驗不僅培養(yǎng)學(xué)生團結(jié)協(xié)作精神，而且通過虛擬仿真實驗的反向映射，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗技能的掌握程度，進而有針對性的調(diào)整實驗設(shè)計。虛擬仿真實驗和實際實驗的互相促進關(guān)系如圖1所示。

在實際教學(xué)實施過程中，充分融合虛擬仿真實驗和實際實驗，真正形成虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，才能有效提升實驗教學(xué)效果與質(zhì)量[13-15]。

3 教學(xué)模式的實施

在虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式中，虛擬仿真可以完成實驗原理驗證，確保學(xué)生理解實驗?zāi)康?，熟悉實驗流程和正確的實驗結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，進行實際操作時，可以避免學(xué)生盲目實驗，在實驗出錯或者結(jié)果偏差較大時，學(xué)生茫然不知所措的情形。通過實施虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，不僅提高學(xué)生實驗效率，而且使學(xué)生軟硬兼?zhèn)?，并通過虛擬仿真界面，使學(xué)生了解所作實驗與實際生活中對應(yīng)的實物或設(shè)備，提高他們的成就感，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。因此，虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式積極促進高校大學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在下面2個方面。

（1）模擬實際應(yīng)用，虛擬仿真與實際操作相結(jié)合，有助于深刻理解控制系統(tǒng)，提高實驗效率

以電氣控制與PLC實驗教學(xué)常用的交通燈控制實驗為例。實際的實驗操作平臺繪制十字路口，并設(shè)置紅綠黃三種顏色的發(fā)光二極管表示路口交通燈狀態(tài)，如圖2（b）所示。此種實驗方式簡單復(fù)現(xiàn)了十字路口的交通燈狀態(tài)，但缺少環(huán)境參照，學(xué)生缺乏身臨其境的感覺。其次，實驗前需要系統(tǒng)連線。如果學(xué)生不熟悉平臺，或者實際動手能力差而導(dǎo)致實驗接線有問題時，往往得不到正確的實驗結(jié)果。此時，如何確定是硬件故障還是程序錯誤，這對于作為初學(xué)者的學(xué)生來說，無疑是一個艱巨的任務(wù)。

以虛擬仿真先行的虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以首先進行程序設(shè)計，無需擔(dān)心硬件故障。而且，切入真實仿真環(huán)境，可以使學(xué)生有身臨其境的感覺，提高實驗的認同感，如圖2（a）所示。在虛擬仿真階段運行成功的程序，在進行實際操作時，可以排除程序錯誤，專心排查硬件故障，減小時間浪費，提高實驗效率。

（2）貼近真實環(huán)境，強化現(xiàn)場感受

電氣控制與PLC是一門實踐性很強的課程。只有多結(jié)合生產(chǎn)實際，學(xué)生才能深刻理解所學(xué)的知識和應(yīng)用場景。如生產(chǎn)車間的行車及其控制系統(tǒng)，體積龐大，一般安裝于車間上方，占用較大的空間。雖然行車的電氣控制系統(tǒng)和操作簡單，但如果不到現(xiàn)場，就難以感受到電氣控制系統(tǒng)對于行車運動的重要意義。

結(jié)合三維虛擬仿真軟件，不僅可以看到行車控制電路的組成，而且還可以形象的演示電動葫蘆的運動情況，使學(xué)生體會到貼合實際的控制效果，如圖3（a）所示。此外，使用仿真模擬軟件，使用電動推桿代替電動葫蘆，可以實時查看電氣控制電路的運行情況，為學(xué)生學(xué)習(xí)電氣控制系統(tǒng)提供便利，如圖3（b）所示。

因此，結(jié)合真實的控制系統(tǒng)或者實驗平臺，進行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式，不僅可以完成傳統(tǒng)實驗教學(xué)的任務(wù)，還可以使實驗教學(xué)更貼近實際生活，使學(xué)生知道為何而學(xué)，所學(xué)為何，寓教于虛，訓(xùn)練于實。

4 評價方式及評價結(jié)果

在電氣控制與PLC課程實驗中進行虛擬仿真與實際實驗相結(jié)合的教學(xué)實踐，其實驗效果是否符合教學(xué)要求，需要根據(jù)培養(yǎng)計劃要求和實施效果進一步確定。

（1）培養(yǎng)計劃要求

根據(jù)河南工學(xué)院智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)2019級培養(yǎng)計劃，電氣控制與PLC課程對于畢業(yè)生能力的支撐強度如表1所示。

根據(jù)電氣學(xué)院畢業(yè)生的能力要求，可以看出，電氣控制與PLC對于畢業(yè)生實踐能力、解決工程實際問題的能力為強支撐；對于分析問題和設(shè)計實驗、分析數(shù)據(jù)等為中等支撐。電氣控制與PLC課程作為實踐課程，提升學(xué)生實際動手能力的重要地位再次得以體現(xiàn)。因此，做好實驗教學(xué)，切實提升學(xué)生實踐能力至關(guān)重要。

（2）實施結(jié)果對比

根據(jù)實際教學(xué)情況，以平行班級88人作為對照組，智能電網(wǎng)2019級79名學(xué)生作為研究組，將累計實驗時長和實驗課成績考核結(jié)果作為考核指標，分別進行對比，如圖4所示。

由對照組、研究組的學(xué)生累計實驗時長和實驗課考核成績對比結(jié)果可以看出，實行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式后，學(xué)生的實驗興趣被有效的激發(fā)出來，相應(yīng)的實驗教學(xué)效果也隨之得到明顯提升。

5 結(jié)論

在當(dāng)前新冠疫情背景下，為提高學(xué)生的實驗效果，分別在虛擬仿真環(huán)境與實際實驗平臺上進行實驗教學(xué)，解決了實驗設(shè)備數(shù)量與學(xué)生人數(shù)之間的矛盾。首先在仿真環(huán)境中獲得正確的實驗結(jié)果，然后在實際實驗中進行交叉環(huán)境、多教學(xué)層次和多種實驗?zāi)Ｊ降膶嶒灲虒W(xué)。依托計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，在實驗內(nèi)容、方法和技術(shù)等方面與時俱進，不斷完善實驗手段，提高實驗教學(xué)水平。實際實驗教學(xué)的執(zhí)行效果表明，虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式可以拓寬學(xué)生知識視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了電類專業(yè)實驗課程的教學(xué)成效，為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

基金項目：河南工學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實踐項目（DQXY-2019010，2021-YB033）。

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