基于ElecworksTM的理实一体化电工实训室的设计

刘 润 李成哲 朱先勇 孙爱军 曲晓海

吉林大学工程训练中心 吉林长春 130025

理工类专业的高等教育过程应以服务为宗旨，以就业为导向，以生产实践教学为培养手段，以提高实践能力为培养目标，为电子、电气、机械等制造业培养有工程素养、有实践技能的一线优秀操作与指导人员。工程训练是工科学生在高等教育阶段最重要的实践环节，在应用型复合人才培养过程中具有不可替代的位置。电工实训是现代工程训练中不可或缺的实践性教学模块，是对学生进行电气专业培训的重要过程，是工科专业本科教学中对学生能力培养的重要环节，其教学成果直接影响高等教育的教学质量与教学水平。

目前国内部分高校因经费短缺、重视程度不够等原因，造成电工实训环节的投入不足。特别是在一些重点院校，大量的教育经费被分配到实验室等教学环节，而对于与生产实际紧密联系的实践教学环节投入明显不足。导致电工实训设备的更新跟不上社会先进生产技术发展的需要，教学内容与生产实际严重脱节。

为了解决上述问题，笔者提出了基于ElecworksTM的理实一体化电工实训室的设计，以安装ElecworksTM软件的计算机为实验设备，改善当前传统的实训教学模式，对实训教学方案进行了创新性改进。建设理实一体化的电工实训室可以给学生提供仿真的实训环境，学生可以将机电一体化工程中的理论与实际相结合，尽快掌握电气设计中设计安装、布线等各项实用技能，实现课堂教学与工程实际的“无缝连接”。

1 ElecworksTM软件介绍

ElecworksTM是一款高端电气设计软件，该软件能够帮助用户改善信息化管理平台，而且为用户开发过程中提供标准化的业务模式，有助于用户在新产品开发阶段减少成本，缩短新产品的上市周期。

ElecworksTM使用标准的Windows操作界面，帮助用户在更短的时间内完成更出色的设计，帮助用户在项目最初阶段通过单线图工具和元件管理功能。包含国际标准符号库，帮助工程师快速高效地绘制图纸。实现二维数据和三维数据的转换，并完成布局。原理图首次采用智能布线，根据原理接线信息，对于已经完成的布局装配体，可以实现自动布线。操作简单，使用ElecworksTM设计时无需掌握任何特殊指令。首次采用智能工具菜单引导用户设计，无论项目大小，允许多个设计师同时工作于同一项目。

实现机械和电气的协同设计，允许在同一项目下的用户进行协同设计，无论是一次图、原理图、设备管理或I/O表，还是3D电气装配环节，都可以有效地分享数据、协同设计。自动生成端子排、接线图，交叉引用实时更新，自动编辑线号、PLC的I/O列表，实现3D电气结构、零件装配、端子设计与电气原理图的同步设计。

ElecworksTM进入中国市场时间较晚，目前在国内使用较少，仅部分行业龙头企业在工程实现及部分高校在教学过程中使用。但其强大的电气机械协同设计功能必将在电气机械等设计领域发挥巨大作用。

2 理实一体化电工实训室的建设方案

传统的电工实训，电气控制系统设计的过程大致由绘制电气原理图、设计安装图、器件选型、设计接线图、安装与接线、检测、系统联调等组成。由于受工具、材料和设备的限制，造成实训占用课时长、能完成的实训项目少以及实训完成率低等问题。

传统的电工实践教学并没有专门针对电气控制系统设计、机电一体化相关专业软件等方面的教学内容。理实一体化电工实训室的建设在以往教学模式基础上进行改进，主要内容有：

(1)对电工实训教学过程中常规教学内容重新整理，对家庭模拟照明电路部分和三相电路控制系统部分的相关教学内容进行修订，选取工程及生产中较为普遍使用的照明电路、三相电机控制电路、PLC技术、触摸屏技术等现今工程上流行的相关内容作为主要教学内容。

(2)利用先期购买的ElecworksTM软件对相关教学内容所需二维、三维电气原理图进行绘制。同时编写、制订相关内容的教学大纲、教案。

(3)引入教育版ElecworksTM软件30套左右，并应用到工程训练的电工实习部分中。

拟建设的理实一体化电工实训室平面图如图1所示。模拟布线设计区/理论学习区安装30台学生用计算机；电气元件展示区放置工程上常用的电气元器件展品或展板；实践操作区摆放6组工作台，每4～5名学生一个工作组，工作台上根据不同的实训内容摆放常用实训所需设备，进行常用器件认知，导线、工具使用等内容的实训。辅以配套的实训设备及检测工具、仪器。

图1 理实一体化电工实训室平面图

3 理实一体化电工实训室的教学内容

最终建成的工程实训项目层次结构如图2所示。其中综合布线基本技能单项训练开展电工工具操作技能、机柜与配线架的安装、管路穿线、模块与配线架的端接、室内布线线路等电工基本内容；模拟布线项目训练开展二维、三维电气原理图设计教学内容；施工现场布线工程项目训练开展由理论到实践的机电一体化工程训练。

图2 工程实训项目层次结构

其中模拟布线项目训练教学过程的主要流程如图3所示。学生在掌握了电气设计基本知识、电气元器件使用方法、ElecworksTM软件使用方法后，根据实训指导教师的要求设计二维电气原理图，然后生成施工现场三维效果图，最后在计算机上完成模拟施工现场布线操作，生成元器件清单等工作。

图3 模拟布线项目训练教学过程

学生按照三维效果图安装电气控制柜。电气控制柜3D效果与实物对比如图4和图5所示。

图4 电气控制柜3D效果

图5 电气控制柜实物比对

4 理实一体化电工实训室的预期效果

理实一体化电工实训室的教学模式旨在使理论教学与实践教学相结合。密切理论教师与实训教师的合作，相互学习，共同提高，培养一支高素质的师资队伍。将实践教学同理论教学结合起来，让学生直接参与到生产实践中，使学生真正理解理论知识，掌握技术流程、技术规范等，增强学生的学习兴趣，使学生在学习、实践及总结的过程中提高能力，达到事半功倍的教学效果。

理实一体化电工实训室成果应用到工程训练中心电工教学模块中，计划开设4学时的实践/实验教学课程，每年可承担5 000人次的教学任务。基于ElecworksTM的理实一体化电工实训室，不但可以大大降低工程训练中电工实习部分的教学成本，还可以增加实训内容，扩充工程训练内容，达到较好的教学效果。此外，所使用的ElecworksTM软件目前居世界前沿水平，将其应用到工程实训教学活动中，在国内乃至国际同行业中尚不多见。

本设计成果可应用于机械、汽车、材料、交通、管理、通信、电子、仪电、生物与农业等学科本科生的工程实训教学环节。此外，本设计成果也可用于高等教育本科生教学阶段高年级学生的生产实习教学过程。应用成功后，可考虑与软件提供方合作，对本科生及研究生等开展专业软件培训和认证，面向学校和社会电气设计爱好者提供培训与认证工作，颁发相关证书，提升学校的社会影响力。

5 结束语

本文提出一种新的电工实训教学解决方案，提高了工程训练教学质量。ElecworksTM是目前全球唯一一款2D～3D机电一体化设计软件，在计算机平台上利用该软件，完成从2D电气原理图绘制到3D柜内装配图和布线图的设计，满足现今行业发展的客观需求与电气设计技术革新的必然趋势。笔者率先将专业的国际领先的电气设计工具引入工程实训领域，培养了理论能力扎实、工程实践能力强的机电一体化复合型人才。

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