虚拟仪器技术在PLC教学中的应用研究

张 奇

(马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243031)

虚拟仪器技术在PLC教学中的应用研究

张 奇

(马鞍山职业技术学院 电气工程系，安徽 马鞍山 243031)

在PLC课程的教学过程中引入虚拟仪器技术，采用组态软件设计出实训平台。通过对三个班级学生分别采用不同的教学法施教，利用问卷分析的形式对教学效果进行比较研究。结果表明新技术的引入更能有效吸引学生注意力，提高学生学习兴趣，增强教师教学效果。

虚拟仪器；职业教育；组态技术；PLC

0 引言

当今数字化、网络化、智能化的学习方式逐渐盛行，但学生的学习效果并没有实质性提高[1]。数字化学习所伴随的碎片化、多任务与浅层读图现象，给学习带来多样性和便利性的同时，容易导致学习深度欠缺。因此，信息技术在实体教学中的应用应逐渐走向内核式，要把迈向深度学习视为信息化教学的主要目标。

VI虚拟仪器(Virtual Instruments)是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试(CAT)领域的一项重要技术[2]。通过组态技术设计出虚拟仪器并实现仿真式教学是改善教学效果的有效途径。由于技术上可以实现全程可控，在仿真过程中更容易引导学生真正理解学习过程，甚至为后续课程的学习打好基础。通过计算机屏幕录制软件将课程内容制作成为微视频资源，可提供给学生线下自学，也可与其他资源如学习资料、训练与测验、机器自动评分、站内论坛等应用到小规模的实体校园网站(局域网精品课程网站或MOODLE)中，实现资源共享[3]。从经验学角度，与传统学科式教学相比，虚拟仪器的引入更直观，更接近现场。因此对虚拟仪器引入课堂提升教学效果的实证研究显得十分必要。

1 课程研究

1.1 研究问题

目前国内普通高校在教学过程中采用学科本位的课程体系和教学方法居多。能力本位的课程模式基本还停留在概念层面，忽视学习者未来岗位的需要，忽视对学生应用能力、创新能力的培养。特别是实践性课程中采用传统教学法往往起不到良好的教学效果。实训教学法虽然可以提高学生学习技能的兴趣与热情，但是也会因为种种原因无法做到面面俱到。因此，虚拟仪器技术引入课堂教学后能否有效提升教学效果是本文研究的关键问题。

1.2 研究对象

选择某学院三个平行班学生作为教学对象，选择多种工作模式下机械手搬运实训作为授课内容。授课方式分别为：1班采用虚拟仪器技术仿真式教学、2班采用普通实训演示法教学、3班采用传统课堂讲授式教学。三个班级为相同年级相同专业，学生水平相当，且之前一直采用实训演示法教学。

通过对三个水平层次相近的平行班级分别采用不同的教学法施教，包括传统教学法、实践教学法以及虚拟仪器仿真教学法，再通过问卷、评测等多种形式获得学生满意度、授课效果以及学生完成度等数据，利用统计方法调研结果的分析与研究，进而对课程内容以及授课模式进行改革。研究目的在于验证虚拟仪器的引入可以提高学生的学习兴趣，增强其主观能动性，提高学习效率以及信心，最终达到提升学生的综合应用能力的目标。

1.3 研究工具

PLC的控制功能只凭理论分析效果不佳，要想将抽象技术知识形象生动地传授给学生，则需要在教学过程中借助于实验设备开发应用实例，并给予学生充分的训练[4]。但是普通实训室实训教学对较复杂PLC程序的教学效果并不理想，因为目前实验方式都采用PC+PLC+对象的方式，控制效果由对象模块来体现。但现有实验装置中的各个控制对象多采用教学仪器厂(或自制)的模拟模块来代替，一般只用指示灯来指示通断状态，缺少运动部分，直观性差[5]；而纯粹的课堂式理论教学，讲解典型实例时无法现场加以演示，学生更难以对控制系统要求和控制性能有较好的感性认识，另外存在学生多、设备少现象，现有的实训装置难以给学生提供足够的操作时间[6]。

本设计挑选多种工作模式机械手课题进行教学，属于典型较复杂顺序控制系统。利用组态软件可以模拟PLC控制对象与实际工业现场环境，并以动画形式在PC机上展现。

授课地点可以设置在工控实训室，也可以在机房。利用Intouch 10.0软件为核心设计虚拟仪器教学平台，图1为平台构架：

图1 平台构架图

平台采用上位机+下位机的构成方式。上位机与学生机通过局域网通信。上位机为普通的PC机，安装HMI软件Intouch 10.0，同时为了方便通信，在PC机内建立OPC服务器，采用三菱的OPCMX，下位机PLC选择三菱FX3U-MR，通过串行232方式与教师机连接。PLC程序(程序略)事先下载至下位机，亦可在PC机中仿真PLC运行。教师通过电子教室对学生机开通权限后，可以选择让任何一位学生在学生机中运行仿真PLC，通过局域网，控制教师机中HMI，验证学生编程结果。

利用Intouch 10.0对多种工作模式下机械手控制进行界面设计，虚拟仪器平台如图2所示。

图2虚拟仪器平台

机械手与限位开关在动作的时候会高亮显示，程序运行时会在左侧显示区显示实时程序语句。右侧控制面板实现手动控制以及手动与自动的切换，此外还可以对机械手的模拟移动速度进行调节，方便学生学习每一个控制细节。

为了让机械手按照控制要求合理运动，利用Intouch 10.0制作动画脚本并对脚本优化，运行脚本语言如下：

IF y2=1 THEN

m001=m001+m005;

IF m001>=200 THEN

m001=200;

ENDIF;

ENDIF;

IF y1=1THEN

m001= m001-m005;

IF m001<=0 THEN

m001=0;

ENDIF;

ENDIF;

IF y4 =1 THEN

m002=m002+m005;

IF m002>=270 THEN

m002=270;

ENDIF;

ENDIF;

IF y3=1 THEN

m002=m002-m005;

IF m002<=0 THEN

m002=0;

ENDIF;

ENDIF;

IF m001<>0 THEN

x3=0;

ELSE

x3=1;

ENDIF;

IF m001<>200 THEN

x4=0;

ELSE

x4=1；

ENDIF;

IF m002<>0 THEN

x5=0;

ELSE

x5=1;

ENDIF;

IF m002<>270 THEN

x6=0;

ELSE

x6=1;

ENDIF;

IF(y0=0 AND y1=1) OR (y0=0 AND x6=1)THEN

m004=m001;

ENDIF;

1.4 数据收集与分析

调查问卷对学生在比较各种教学法后进行满意度调查评分；李克特(Likert)量表是评分加统式量表的一种，用该五级量表对三种授课方法教学成效的相关陈述予以主观反馈。该量表由一系列陈述组成，每一陈述有“非常同意”“同意”“不一定”“不同意”“非常不同意”等五种回答，分别记数值 5、4、3、2、1，不同数值代表满意度的不同，数值越大满意度越高。

研究过程如下：首先对教师完成一个讲解任务所需的时间进行数据收集统计；在完成讲解之后，对一个课时内完成规定测试调试任务的学生数统计。最后根据授课数据的统计对授课效果进行比较分析。

表1 参加授课学生列表

本研究面向参与三种教学方法的大二学生(见表1)，共发放调查问卷 147 份，收回有效问卷141份。分组描述统计量表如表2所示。

表2 统计量表

2 结果与讨论

在表2中量表均值处于3.21～4.76之间，即在“3=不一定”与“4=同意”附近浮动，显然通过对采用不同教学法的学生对其满意度的基本情况比较，能看出仿真式教学相对其他两种形式教学法满意度最高，传统授课式教学在实践类课程中已经不太受学生认可。

通过分析可知单因素方差分析显著,方差齐性不显著，表3即为通过Tamhane′s T2(M)方法来检验学生针对三种不同的教学法的满意度状况。

表3 Tamhane′s T2(M)检验

*注：*均值差的显著性水平为0.05

这是各组两两之间的均值比较结果，相应显著性概率皆为0.000，可以看出：教学方法的不同对学生满意度的影响非常明显，其中虚拟仪器仿真教学法最优，实训法次之，普通授课式教学法最差。

此外，通过对教师完成一个授课讲解任务所需时间统计结果来看：

仿真法教学耗时14分钟，实训室演示法教学耗时18分钟，而普通授课式教学耗时为25分钟。

由于利用仿真法授课，画面直观，指令可以实时显示，机械手在任何时候的动作与程序都能一一对应，加上仿真无需硬件外部接线，所以节省了教师的大量时间，效果与效率最高。

实训室演示法教学，教学直观，但是较远处学生不易看清楚程序与设备运转情况，此外教师需要一定时间进行外部接线，调试的时候，指示灯对机械手的位置描述不直观，学生容易发生混淆，效果与效率次之。

普通授课式教学，在教室通过板书和幻灯片对程序进行讲解，耗时长，学生感到听得吃力，由于没有直观看到实训的全部过程，只能在幻灯片上看到最终实训结果，导致学生学习效果差，教师上课耗时大，效率低下。

最后，在完成讲解之后，让学生到实训室在规定时间内完成规定测试调试任务的学生数统计如下：

仿真组完成人数最多为41人，实训组34人完成，而教学组只有23人完成任务。

显然，仿真组获得最好的教学效果，而实训组次之，教学组的效果欠佳。

测评的结论体现出新技术引入的教学模式对于学生对顺序控制过程的思考能力起着积极促进作用，极大增强学生对现场的认识，提高对指令的理解力与复杂系统的编程能力，为进一步学习综合工控课程奠定了坚实的基础。

3 结语

通过在PLC课程授课过程中引入新技术，并与其他授课方式进行实证对比研究，对该教学方法的成效进行分析。结果表明，学生对虚拟仪器引入课程教学的认可度普遍较高，授课效率高，授课效果最好。采用该种方法，学生对授课方式的满意度、对知识点的掌握度及综合运用能力、创新能力都有不同程度的提升。工控课程教学未来的发展前景是与虚拟现实技术结合，通过身临其境的交互式视景的仿真，获得更好的教学效果[7]。

[1] MISHRA P,KOEHLER M J.Technological Pedagogical Content Knowledge:A Framework for Teacher Knowledge[J].Teachers College Record,2006,108(6):1017-1054.

[2] NIESS M L.Preparing Teachers to Teach Science and Mathematics with Technology[J].Teaching and Teacher Education,2005,21(5):509-523.

[3] 余剑波,王陆.微课程设计的点链圈(PLC)模型研究[J].远程教育杂志,2013(5):32-37.

[4] 郭炯,冯英.高等职业教育实践性教学实施现状与策略分析[J].中国职业技术教育,2010(15):12-15.

[5] 黄荣怀,马丁,郑兰琴,等.基于混合式学习的课程设计理论[J].电化教育研究,2009(1):9-14.

[6] 许仙珍,单长考.组态软件WinCC与S7-PLCSIM在PLC教学中的应用[J].常熟理工学院学报 (自然科学版),2012,26(10):104-107.

[7] 王金岗. 虚拟现实技术在高职实践教学中的应用研究[J].中国职业技术教育,2011(23):76-80.

[责任编辑、校对：梁春燕]

Abstract：This study evaluates the effect of introducing virtual instrument technology into real classes of the PLC course,and designs the training platform through configuration software.Through the three classes of students were used to teach different teaching methods,the use of questionnaire analysis of teaching effects were compared.The results show that the introduction of new technology is more effective to attract students′attention, improve students′interest in learning and enhance teachers′teaching effect.

Keywords：Virtual Instrument;vocational education;Configuration technology;PLC

AnAppliedStudyofVirtualInstrumentTechnologyinPLCCourses

ZHANGQi

(Department of Electrical Engineering,Maanshan Technical College,Maanshan 243031,China)

G434

A

1008-9233(2017)05-0085-04

2017-08-20

安徽省自然科学基金重点研究项目(KJ2017A893)；安徽省质量工程项目(2015zjjh047)

张奇(1973-)，男，安徽六安人，副教授，主要从事工业控制自动化技术研究。