多课程联合的虚拟项目教学应用研究

南京工程学院自动化学院 江苏南京 211167

项目教学法[1]就是在教师的指导下，通过将一个相对独立的任务项目，从资料收集、方案设计、项目实施及评价，都交由学生自己负责和完成，使得学生掌握项目每个环节的基本要求，有助于培养学生主动获取知识的能力和提高学生的动手能力及应用能力。随着多学科的交叉应用日益突出，对学生的综合应用能力要求越来越高。而如何有效培养学生的综合应用能力，是高等教育的研究热点。其中，多课程综合项目教学是一种有效的方法，它围绕工程项目展开，使得学生融会贯通各课程间的专业知识，以提高学生的综合应用能力[2]。特别是像液压与气动等实践性强的课程，与其他的课程，如电气控制与PLC等课程联系紧密。因此，进行跨课程的项目教学法在液压与气动的课程教学尤为重要，它使学生能具有独立应用液压与气动系统的能力。但是进行项目教学所需的硬件设施成本高、建设周期长、灵活性差等缺点；且学校往往因经费问题不能提供强有力的硬件支持；不少教师也常以硬件不足等借口，停止了项目教学法在教学中的应用。上述种种因素严重限制了项目教学法的广泛应用，使得项目教学法在高校的应用仍处于低级阶段，广度和深度不够[3]。

随着虚拟仿真技术的发展，将其应用于教学领域已有很多成果案例，如元器件的虚拟动画原理展示、虚拟实验平台等，使得深奥的理论内容变成生动、形象的学习过程，能极大地调动学生目光，改善教学效果。液压与气动课程通过计算虚拟仿真技术，能对所设计的液压或气动系统进行整体的分析，又不需要投入高额的实验设备，并能结合其他课程内容，使得跨课程的项目教学法成为可能[4]。本文利用Automation Studio仿真软件[5]实施了一个关于气动机器人分析与PLC编程的项目教学案例，探讨虚拟仿真技术在液压与气动、电气控制与PLC等多课程联合的项目教学中的具体应用。

1 项目设置

在不同专业体系下，液压与气动课程的内容侧重点也不一，因此，应有的放矢，针对不同的专业特点，设置合适的项目课题。以机器人专业为例，可设置关节型气动机器人分析与仿真、气动搬运机器人分析与仿真等；而对于数控专业来讲，可设置多缸顺序专用铣床液压传动系统的分析与仿真等。

以图1所示的气动机器人为例[6]，教师通过讲授该机器人的结构和工作机理，使得学生了解工作过程，并布置项目要求：(1)根据图1所示的机器人原理图，对其各个关节处气缸进行气动回路设计与电气原理图的设计；(2)在Automation Studio软件搭建其气动回路和电气回路；(3)对机器人进行PLC编程，并结合Automation Studio软件，进行联合仿真分析，观察各气缸的工作过程及验证所编写的PLC程序是否正确。

图1 机器人结构原理图

在教师的指导下，学生只要使用自己的计算机和Automation Studio仿真软件，就能行动起来，模拟完成一个实际工程项目，且不受硬件设施的限制，每组人数可设置1～3名，充分让每个学生都能参与其中，避免人数多存在浑水摸鱼的情况。

2 项目实施过程

2.1 设计气动回路与电气回路

“学以致用”的本质就是要让学生通过该课程的学习，在以后的工作实践中能设计出符合要求的系统。而对于大多数课程，由于课时的限制，对学生的“设计”锻炼是相对偏少的。通过该项目的锻炼，学生根据上课所学的内容，对气动机器人所需的气动执行元件进行计算和选型，并设计出合理的气动控制回路，同时，也确定了PLC的CPU型号以及它的输入输出端口分配，并设计出电气原理图。通过此过程，加深学生课本所学，联通理论与实践，并提高学生的设计能力。

2.2 利用Automation Studio软件搭建仿真模型

Automation studio是加拿大贝加莱公司出款的一种集液压与气动、机电一体化的综合性仿真软件，更加面向工程实践，同时与电气PLC控制等具有联合仿真功能，在课程教学和工程实践广泛应用。根据项目要求，学生在掌握气动回路的基础上，从软件的元件库里选出所需的电气元件，调好位置，并连接线路(如图2所示)。利用该软件动态仿真该元件的工作过程，帮助学生加深对抽象理论知识的理解，同时，掌握了一种设计软件，为以后的上班多提供一种技能。

图2 调用元件

2.3 PLC编程与联合仿真模型仿真实验

学生选用上课所学的PLC控制器，如西门子S7-200，设计I/O分配表及外部接线图，并在s7 MicroWIN进行梯形图编程，通过动态数据交换技术，连接Automation Studio软件，实现两者的联合仿真模型(如图3所示)。在此基础上点击“启动按钮”可以进行虚拟仿真实验，验证所编写的PLC程序是否正确。在仿真时，会实时显示I/O端的通断情况，各关节气缸的动态过程也会实时显示，相对应的PLC程序也会运行。同时，利用虚拟压力传感器可以分析各气缸两腔的工作压力变化过程，通过这些具体的数据，帮助学生理解气动回路的速度、方向的控制，加深对课本所学知识的认知。根据仿真实验，使得学生修改并验证了所编写的PLC程序的正确性，并验证所设计的方案是否正确。

图3 联合仿真模型

3 项目验收

让学生自己操作该仿真模型，根据仿真结果判断所设计方案是否合理，通过对学生的问答判断学生的掌握程度，并给出相应的分值。最后，学生总结所有材料，给出一份设计报告。通过该项目的实施，使得学生能围绕给定的任务，结合课本所学内容，检索相关资料，学习Automation Studio，PLC等软件，设计出方案，并进行仿真实验，并最终形成一份项目报告，进行口头汇报，使得学生的专业知识和技能、软件操作、组织能力、写作能力、语言表达能力都有不同程度的提高。

4 结语

如何提高学生的综合设计和工程实际应用能力，多课程联合的项目训练法是一种有效教学方法。但由于开展项目训练所需硬件投入成本高、建设时间长，硬件容易损耗等问题，使得项目训练法在高校的应用不深。借助于虚拟仿真技术，采用Automation Studio软件进行液压与气动课程项目教学法的研究，并给出了一个具体的应用实例。通过虚拟项目教学，使得学生掌握了液压与气动、电气控制与PLC等课程的综合应用能力，从方案设计、元器件计算与选型、PLC编程、软件仿真等每个环节都独立完成，增强了学生的理论知识认知，并提高其动手能力和创新能力。

[1] 黄永娜.项目教学法在“数控编程与操作”课程的应用实例[J].中国电力教育,2012(26): 74-75.

[2] 胥保春,盛云龙,吴京秋.基于多课程综合的实训项目教学设计与实施[J].中国现代教育装备,2017(7):41-43.

[3] 田玉兰,潘亚娣,翁锦萍.基于双项目式教学的多课程综合训练探索与研究[J].黑龙江教育,2016(11):52-54.

[4] 郭联金,王国胜.基于FluidSIM软件的液压与气动教学模式研究[J].实验室科学,2014,17(1): 4-7.

[5] 谢宝智,高松.Automation Studio在液压与气动课程项目教学中的应用[J].浙江交通职业技术学院学报,2012,13(3):59-63.

[6] 李桂海.全气动多自由度关节型机器人的研制[D].南京:南京理工大学,2005.