仿真技术在高职院校铁道供电专业教学中的应用研究

2018-04-17四川管理职业学院刘玉宝周小红

电子世界 2018年1期

四川管理职业学院龙雄刘玉宝颜伟周小红郑丹

1 引言

仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。仿真通过仿真工具实现，仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机以及一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真教学也称为模拟教学，就是用计算机来模拟真实自然现象或社会现象，学生模拟扮演某一角色进行技能训练的一种教学方法。仿真教学能在很大程度上弥补客观条件的不足，为学生提供近似真实的训练环境，提高学生职业技能。

2 仿真技术在教学中应用的特点

将仿真技术引入高职教育的某些教学环节，模拟真实的实验、实习过程，生动展现实验设备的构造、工作原理、工艺流程，让学生在虚拟但逼真的环境中进行操作实践，可以验证原理定理、观察实验现象，在模拟真现场中操作，达到训练技能的目的。学生置身于仿真环境中，可以充分调动感觉、运动和思维，极大地提高学习效率。曾经有教育心理学家对采用仿真教学和传统教学进行比较，试验结果表明：仿真教学模式下，学生可以记忆约70%的内容，而传统的“教师讲，学生听”教学模式下，学生只能记忆约30%的内容。仿真教学具有如下特点：

1）形象直观性。仿真遵循相似原理的基本原则，利用仿真技术可以模拟出与真实环境近乎相同的特性环境。在仿真软件中可以灵活地设置各种参数、模拟条件，就可以自如地模拟真实世界中的各种情况，并且逼真地呈现在学生面前，对调动学生的学习积极性，突破教学重点、难点，培养学生实践动手能力都能起到积极的作用。

2）安全可靠性和全面性。一方面，与真实实验相比，在仿真过程中所涉及到的设备、元件、仪器仪表等都是虚拟的，即使在操作过程中出现错误或失误也能有效防止对设备和人员带来的安全隐患。另一方面，随着仿真技术研究的深入，各种仿真软件在设计时已能充分考虑各种实际因素对实际研究的影响及作用形式，充分考虑到虚拟实验设备的运行特性、负载变化、环境影响等各种因素，在操作过程中能设定各种事故及极限运行状态。通过仿真，可以了解真实世界中无法实现的危险性操作，或者临界条件。

3）良好的交互性。在仿真教学中，真正体现了学生为主体教师为主导的教学模式，学生在教学过程中扮演主要角色。仿真软件强大的交互性能使学生可以置身于各种复杂环境中，自己动手设置各种实验参数，并及时地得到结果，更好地认识和解决所遇到的问题，进而激发学生的求知欲望，引导学生主动学习。

4）提高学生学习能动性。仿真软件一般都是独立操作，独立完成，学生必须开动脑筋认真分析问题，从而才能准确地解决问题。仿真软件的操作不存在限制，学生可以海阔天空地想象，进行各种各样的设计，并迅速地通过仿真看到结果。学生们主观能动性的提高，就意味着教师可以腾出手来做更多的教学工作，或进行有针对性的指导工作。通过仿真训练，学生们充分了解自己所学的知识，应用领域，应用前景等，将理论与实践相结合，增强了对专业技术的认识，从而激发敬业精神。通过计算机仿真，在虚拟环境中由于错误的操作而产生的安全事故，学生能提高警觉，分析故障原因，掌握排除故障的技巧。总之仿真教学作为一种教学手段，能更好的提高学生学习能动性。

5）卓越的经济性。在铁道供电专业教学资源中，相比动辄上千万的变电所等硬件教学资源，仿真教学资源属于“软投入”，重点在仿真软件的建设，且仿真软件随着技术的能发展不断地升级，能较好地适应教学需求的波动，从而大大节约了实验设备、仪器仪表等教学资源的资金投入，提高了教育资金的使用效率。

3 仿真技术在教学中的技术应用分析

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》指出：职业教育要把提高质量作为重点，以服务为宗旨，以就业为导向，推进教育教学改革，实行工学结合、校企合作、顶岗实习的人才培养模式。在职业教育教学各环节中应强化实践教学，突出实践动手能力、专业能力、职业能力培养。然而许多行业领域对应的专业教学引入大型且价格昂贵的教学设备不现实，运用仿真工具培养学生的职业技能成为一种有效的途径。

1）仿真教学环境的操作流程与规则立足于实际业务操作规范，虚拟操作环境与真实操作体验基本一致，以牵引变电所运行与维护课程为例，若利用仿真实现牵引变电所实训教学，学生可以利用计算机模拟变电所值班员岗位，在仿真环境中进行对设备控制、监测等实际操作，与真实的业务环境进行交互，实现双向良性互动。

2）借助仿真技术，可以模拟故障与不正常运行状态的发生，将学生置于各种复杂、突发业务环境中，进行有针对性的联系，提高自身动手解决问题的能力。

3）仿真工具安装投入运行后，学生可将仿真软件安装在个人计算机内，结合任课教师上课的演示，便可在课余时间自主学习，受教室、师资等条件约束大大减小，具有极大灵活性。

4）仿真平台提供虚拟的业务环境，避免对真实系统的影响。在牵引变电所实训中，学生模拟扮演变电所值班员的身份，可以尝试各种日常及极端操作演练，提高职业技能水平。另外，仿真平台能提供创新的考核方式，能准确量化评估学生业务操作能力，实现自动化考核，从而激励学生认真学习掌握操作技能。

4 仿真技术在高职铁道供电专业应用的现状

目前，在高职铁道供电专业各门课程的教学环节中，部分专业基础课程在实验教学环节引入了仿真技术。

1）仿真技术在电工电子技术课程教学中的应用。目前比较常用的电工电子技术仿真的常用仿真软件有：PSpice 仿真软件，模拟及混合信号saber仿真软件，PLECS仿真软件，PSIM仿真软件，CASPOC仿真软件，基于Matlab的Simulink仿真软件，EWB仿真软件等。如EWB仿真软件是一种专门用于电子电路设计与仿真的软件，它提供了几千种电子元件与虚拟设备（示波器、万用表、函数发生器、频谱分析仪、逻辑分析仪等），在集成的开发环境中进行电路设计、分析与仿真，可由老师上课演示，课后学生能根据课堂所讲内容进行无障碍性实验，不用担心安全问题，也排除了元器件损耗和仪器损坏，非常适合教学及实验。

2）仿真技术在PLC课程中的应用。PLC相关课程常用的仿真软件有三菱公司的GX simulator和西门子公司的STEP 7 V11 —TIA Portal仿真软件等。如三菱公司的GX软件的使用：创建一个“新工程”---编写梯形图---启动仿真---软元件调试---梯形图的监视执行---软元件状态监控和时序图监控---PLC运行和退出。学生在个人计算机中安装该软件，便可利用自己的课余时间编写不同功能的程序，并且能够通过软元件调试和监控，不断的修正和完善自己的作品。以该软件为核心，也可进行更深层次的仿真教学软件开发，使得仿真情景更接近真实的业务环境。

3）多媒体智能考核维修电工仿真教学软件的应用。利用生动的动画演示，配合语音对电路工作原理进行讲解；可通过半透明的原理图上的提示进行相关操作；具有与设备一致的实验项目和实物元件介绍；具有实验目的的描述、实验器材的展示、典型电路的分析、电路原理声动同步的解说、元件布局模拟操作、电路原理的模拟接线，模拟现场的工业仿真等功能。所有图标及器件均采用3D建模，通过美工处理，整体画面美观大方。通过软件的教学及仿真，能激发学员的思维、增强学员的感性认识，更好地剖析教学的重点、难点。软件中的项目内容都和实训设备相关，学生在去实验室之前，就可以对实操项目在理论和感观上有个初步的认识。

5 基于仿真技术的高职铁道供电专业教学改革

以PLC课程教学中应用GX simulator为例，从教材建设、教学方法、师资培训、考核方式等方面进行基于仿真技术的教学改革探讨。

1）建设与教学内容配套的仿真实验和实验教材。开发与教学内容配套的仿真实验，研究能利用仿真技术的教学内容整合方式，加强利用仿真技术的本专业教材建设。如PLC课程可根据教学内容从易到难设计“基本定时器程序”、“基本计数器程序”、“简易呼叫系统”、“传动带控制”“电机控制”“电梯控制”“全自动洗衣机控制”等项目实验内容。通过程序的调试及运行结果的测试，进而加强学生对梯形图、指令语句的掌握。在实际教学过程中，教师可以根据学生实际情况，提出不同功能的项目要求，让学生在实验过程中不断的提高发现问题、解决问题的能力。目前铁道供电类专业仿真实验的教材较少，多数使用教学设备厂家提供的设备使用指导手册，建设含有仿真项目的道供电类专业教材非常必要。

2）基于仿真技术的教学方法、手段改革。仿真技术可用于课堂演示、学生实验，也可以用于学生课后作业、复习、自学等，可以改进教学方法、丰富教学手段、拓展知识技能。在课堂教学中进行仿真演示、操作，能使抽象的知识点变得直观、形象、容易理解，可以将规律、原理有传统的灌输式教学，变成学生探索式、研究式学习。仿真实验与真实实验相结合，可使学生的操作能力和理论结合实际的能力得到提高。如PLC课程中“全自动洗衣机控制”项目既可以在仿真软件中实现，也可用电机代替洗衣机，用真实的PLC去控制电机的转动，进而呈现真实的实验结果。

3）考核方式改革。传统的课程考核成绩由平时成绩和期末笔试成绩两部分构成，平时成绩由学生平时出勤、课堂表现、作业完成情况等决定，期末考试内容多为记忆性的知识原理考查，这种考核方式往往造成死记硬背就能得高分的现象。引入仿真教学，可将课程考核成绩改为由平时成绩、仿真操作成绩和期末笔试成绩三部分，且仿真操作成绩权重不小于30%，这样的考核方式更能体现学生对所学知识的掌握情况，也体现了重学习过程的考核创新。