虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革中的應(yīng)用

摘" 要" 傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式存在一些難以解決的問題，而虛擬仿真技術(shù)作為近年來逐漸應(yīng)用到各類教學(xué)過程中的新興技術(shù)，能夠模擬生產(chǎn)線的真實(shí)場(chǎng)景。分析電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，以1+X可編程控制器為例，引入該實(shí)訓(xùn)的虛擬仿真內(nèi)容，分析其相對(duì)于實(shí)際設(shè)備的優(yōu)勢(shì)和不足，探討該技術(shù)對(duì)于改進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要意義。

關(guān)鍵詞" 實(shí)訓(xùn)教學(xué)；電氣自動(dòng)化；虛擬仿真技術(shù)；1+X可編程控制器

中圖分類號(hào)：G712" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）23-0-03

0" 引言

電氣自動(dòng)化專業(yè)在工程技術(shù)教育中占據(jù)重要的地位，而實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為該專業(yè)的重要組成部分，其質(zhì)量直接關(guān)系學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力和未來的職業(yè)發(fā)展。在新工科建設(shè)背景下，只有持續(xù)推動(dòng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革，才能確保培養(yǎng)的人才能夠符合行業(yè)需求，更好地建立起產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的人才培養(yǎng)體系[1]。然而，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式存在諸多問題，如設(shè)備昂貴、占地面積大、維護(hù)成本高以及受環(huán)境和資源限制等[2]。同時(shí)，由于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的局限性，使其很難適應(yīng)日新月異的實(shí)際工程控制需求，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)內(nèi)容滯后、缺乏靈活性。

在這樣的背景下，虛擬仿真技術(shù)作為一種創(chuàng)新的教學(xué)手段被引入實(shí)訓(xùn)教學(xué)[3-4]。虛擬仿真技術(shù)可以通過模擬現(xiàn)實(shí)情景，提供高度仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生能夠在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)際操作，從而解決了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)所面臨的諸多問題。近年來，教育管理部門先后認(rèn)定了多批與虛擬仿真技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目，這些舉措有力促進(jìn)了虛擬仿真技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用[5]。此外，虛擬仿真技術(shù)還能夠顯著降低教學(xué)成本，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)更新，為教學(xué)改革提供助力[6]。

本研究以1+X可編程控制器為例，探討虛擬仿真技術(shù)在電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革中的應(yīng)用，深入剖析虛擬仿真技術(shù)對(duì)學(xué)生技能培養(yǎng)、實(shí)際控制能力提升和創(chuàng)新能力與問題解決能力培養(yǎng)等方面的影響，從而為該專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革提供可行的建議和方向。

1" 目前電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問題

首先，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備通常具有較高的購(gòu)置費(fèi)用，占地面積大，而且需要專門維護(hù)和保養(yǎng)，這給學(xué)校和教學(xué)實(shí)訓(xùn)中心帶來了不小的經(jīng)濟(jì)壓力。以1+X可編程控制器為例，一間實(shí)訓(xùn)室配備5套設(shè)備，60臺(tái)電腦，購(gòu)買設(shè)備費(fèi)用高，實(shí)訓(xùn)室維護(hù)和保養(yǎng)成本也不低，給學(xué)校帶來一定的經(jīng)濟(jì)壓力。

其次，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用受到了環(huán)境和資源的限制。以1+X可編程控制器為例，真實(shí)地模擬生產(chǎn)線的實(shí)訓(xùn)通常面臨場(chǎng)地、設(shè)備、原材料等方面的困難，難以靈活改變，所能完成的實(shí)訓(xùn)任務(wù)比較固定，同時(shí)5套設(shè)備難以滿足1個(gè)教學(xué)班的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

再次，由于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備往往無(wú)法涵蓋所有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，導(dǎo)致學(xué)生在掌握實(shí)際操作技能和解決實(shí)際問題的能力方面存在欠缺。

最后，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)通常難以及時(shí)跟進(jìn)和更新實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，難以適應(yīng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的要求，使得學(xué)生的實(shí)際操作技能難以與行業(yè)需求保持同步。以1+X可編程控制器為例，視覺系統(tǒng)受限于硬件條件，只能使用提供的視覺處理平臺(tái)，并且視覺處理的對(duì)象也受限于生產(chǎn)線的設(shè)置任務(wù)，不能及時(shí)靈活地調(diào)整。

2" 虛擬仿真技術(shù)的使用案例分析

2.1" 虛擬仿真軟件的內(nèi)容

本研究涉及的虛擬仿真系統(tǒng)通過NX軟件創(chuàng)建1+X可編程控制器平臺(tái)的三維數(shù)字模型，在NX軟件的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊中，根據(jù)1+X實(shí)際設(shè)備的布局進(jìn)行裝配，搭建生產(chǎn)線的虛擬環(huán)境，1+X平臺(tái)各單元布局如圖1所示。根據(jù)實(shí)際設(shè)備的功能需求定義剛體、運(yùn)動(dòng)副等，根據(jù)實(shí)際設(shè)備設(shè)置傳感器，設(shè)置龍門的位置控制和傳輸面等執(zhí)行器，搭建出1∶1的仿真學(xué)習(xí)場(chǎng)景。學(xué)生可以通過虛擬界面進(jìn)行設(shè)備的啟停、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)采集等操作，觀察系統(tǒng)響應(yīng)和效果，并進(jìn)行系統(tǒng)性的參數(shù)調(diào)整，提高控制系統(tǒng)性能，通過對(duì)智能產(chǎn)線的工藝流程、設(shè)備布置、生產(chǎn)技術(shù)等方面進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，可以鞏固理論知識(shí)，增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)能力，達(dá)到更好的教學(xué)效果[7]。

在教學(xué)過程中，學(xué)生可以利用軟件完成設(shè)備的裝配、定義機(jī)電屬性，然后通過軟件進(jìn)行軟在環(huán)調(diào)試，這有效地解決了實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足和學(xué)生練習(xí)受設(shè)備和場(chǎng)地限制的問題。例如：立體倉(cāng)庫(kù)模塊、倉(cāng)儲(chǔ)模塊、分揀模塊等單站虛擬手動(dòng)調(diào)試；對(duì)系統(tǒng)單元模型分別進(jìn)行單站虛擬自動(dòng)調(diào)試。在完成單元模塊手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)試的基礎(chǔ)上，按照工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，逐級(jí)實(shí)現(xiàn)前后單元模塊的連接，虛擬調(diào)試通過后，執(zhí)行硬件在環(huán)虛擬同步聯(lián)調(diào)。

2.2" 虛擬仿真軟件相較于實(shí)際1+X設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

2.2.1" 降低教學(xué)過程成本

采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，只需要購(gòu)買少量的實(shí)際硬件設(shè)備，再配備機(jī)房就能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)需求。實(shí)際硬件設(shè)備少，日常硬件設(shè)備的維護(hù)成本也相對(duì)較低，減少了長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的成本壓力。虛擬仿真教學(xué)不需要大量的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，在已開發(fā)資源的基礎(chǔ)上稍作調(diào)整即可滿足多個(gè)專業(yè)、多個(gè)班級(jí)的實(shí)訓(xùn)需求，進(jìn)一步降低了成本，使教學(xué)資源得到更有效的利用，也為各個(gè)專業(yè)提供了更為靈活和實(shí)用的教學(xué)環(huán)境。

2.2.2" 良好的操作安全性

因?yàn)閷W(xué)生只需要在計(jì)算機(jī)前進(jìn)行操作，可以避免學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中因操作不熟練等而出現(xiàn)安全問題。盡管1+X可編程控制器生產(chǎn)過程中并沒有復(fù)雜的工藝，但是380 V的強(qiáng)電、龍門架的移動(dòng)等環(huán)節(jié)仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用虛擬仿真技術(shù)學(xué)習(xí)也避免了誤操作導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞或原材料浪費(fèi)等問題。

2.2.3" 及時(shí)地更新新技術(shù)

生產(chǎn)線的改造成本極高，重新采購(gòu)新產(chǎn)線成本則更高，因此，生產(chǎn)線通常不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行即時(shí)更新或升級(jí)，這也可能帶來產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。與此不同的是，虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)教學(xué)需求隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，學(xué)生可以進(jìn)行多次調(diào)試驗(yàn)證。從參數(shù)優(yōu)化到設(shè)備更新，所有這些都可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成，從而提高學(xué)習(xí)效率和操作技能。這些新技術(shù)的應(yīng)用使教學(xué)目標(biāo)更貼近社會(huì)需求。

2.2.4" 提高學(xué)習(xí)效率

使用虛擬仿真軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以避免因?qū)嵱?xùn)室有課無(wú)法驗(yàn)證調(diào)試或因設(shè)備恢復(fù)、設(shè)備損壞等耽擱的時(shí)間。學(xué)生可以隨時(shí)開始學(xué)習(xí)，不受場(chǎng)地和時(shí)間限制，從而保證學(xué)習(xí)時(shí)間，也可以進(jìn)行反復(fù)多次學(xué)習(xí)。關(guān)鍵設(shè)備也可以拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，指明設(shè)備細(xì)節(jié)，更直觀地展示和還原設(shè)備。

2.3" 虛擬仿真軟件相較于實(shí)際1+X設(shè)備的不足

2.3.1" 設(shè)備操作缺乏真實(shí)感

盡管虛擬仿真軟件能夠1∶1還原實(shí)際設(shè)備的外觀、布局，以及加工生產(chǎn)流程，但仍有不足之處，學(xué)生達(dá)不到操作真實(shí)設(shè)備的效果，無(wú)法提供對(duì)物理設(shè)備的真實(shí)感受和操作技巧的訓(xùn)練，缺乏鍛煉動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)。比如設(shè)備的安裝、調(diào)試，在虛擬仿真軟件中只需要通過軟件添加裝配約束就可以完成設(shè)備的裝配，但是在真實(shí)環(huán)境中需要先定基準(zhǔn)、測(cè)量、安裝、接線、調(diào)試等一系列的動(dòng)作才可能安裝正確。軟件中只需要點(diǎn)擊幾個(gè)按鈕，即可完成物料的運(yùn)輸、分揀、入庫(kù)等設(shè)置，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，仍需要進(jìn)行一些細(xì)節(jié)操作步驟。虛擬仿真環(huán)境無(wú)法完全還原實(shí)際生產(chǎn)線的真實(shí)情境，學(xué)生可能會(huì)面臨從虛擬環(huán)境到實(shí)際生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)換難題。

2.3.2" 軟件設(shè)計(jì)有待優(yōu)化完善

該軟件在邏輯控制、運(yùn)行動(dòng)作等方面的仿真能實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)調(diào)，但是在某些方面并不能做到完美。比如伺服控制、步進(jìn)控制，還不能用虛擬仿真進(jìn)行模擬，在虛實(shí)聯(lián)調(diào)中需要借助中間變量轉(zhuǎn)換。比如控制器有西門子、信捷多個(gè)品牌，都需要對(duì)接NX MCD時(shí)，就需要引入第三方軟件建立通信進(jìn)行橋接，才能完成虛實(shí)聯(lián)調(diào)，這使得虛實(shí)聯(lián)調(diào)過程較為復(fù)雜，實(shí)訓(xùn)過程中如果一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，則整個(gè)流程可能就進(jìn)行不下去。虛擬仿真技術(shù)在某些極為復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)線場(chǎng)景中的模擬和應(yīng)用可能存在一定的局限性，無(wú)法完全滿足所有實(shí)訓(xùn)需求。

3" 虛擬仿真技術(shù)對(duì)電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教

學(xué)的重要意義

近年來，虛擬仿真技術(shù)在高職教學(xué)體系中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面，成為提升教學(xué)水平的重要技術(shù)手段。該技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式有所不同，它能夠讓學(xué)生自行安排時(shí)間并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的多樣化。本研究涉及的虛擬仿真軟件解決了由于設(shè)備數(shù)量不足，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)不足、實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練不充分的問題，實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)設(shè)備1∶1的仿真學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以更安全、更全面地了解1+X實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，無(wú)須受場(chǎng)地和時(shí)間等因素的限制。他們可以隨時(shí)自行下載軟件，并結(jié)合講解功能進(jìn)行操作，同時(shí)可以進(jìn)行多次學(xué)習(xí)來解決不懂的問題，這在很大程度上減輕了實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師的負(fù)擔(dān)。此外，由于部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要較長(zhǎng)的恢復(fù)，即使學(xué)生有設(shè)備訓(xùn)練，恢復(fù)設(shè)備也需要浪費(fèi)大量的時(shí)間。使用虛擬仿真軟件進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)不需要等待設(shè)備恢復(fù)，學(xué)生可以對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，即使出錯(cuò)也可以重新做一次，這樣可以節(jié)約資源并避免物料浪費(fèi)。但是，虛擬仿真技術(shù)目前仍然無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，因此，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，在此基礎(chǔ)上密切結(jié)合虛擬仿真和傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的作用[8-9]。

4" 結(jié)論

本研究通過對(duì)電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中具有重要意義。它能夠提供高度仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，通過仿真訓(xùn)練加深對(duì)控制系統(tǒng)的理解，節(jié)約資源、避免物料浪費(fèi)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和問題解決能力。雖然該技術(shù)仍然存在一些局限性，無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法，但它操作方便、靈活，在人才技能培養(yǎng)過程中發(fā)揮著積極的作用。本研究受限于時(shí)間和資源，對(duì)虛擬仿真技術(shù)在電氣自動(dòng)化專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探討，但仍然存在一些不足，未來的研究可以深入調(diào)查學(xué)生和教師對(duì)虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)知和接受程度，以及實(shí)際應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)和問題，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革提供更多有益的信息和建議。

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