疫情下模拟仿真软件在实训课程中的应用

陈文明 王民权 应力恒 夏冰冰

摘  要： 实训课程是高职院校学生动手实践的重要学习环节。新冠疫情期间，学生和教师无法正常返校参与线下教学活动，导致实训课程的教学效果大打折扣。为了有效开展实训在线课程，采用模拟仿真软件和微视频相结合的方式，通过在线对分课堂与多种教学平台并用的形式，增强师生互动有效性，提升学生在线参与度，保证学生知识的内化和吸收，在一定程度上解决了实训课程在线教学中的动手实践问题。

关键词： 在线教学; 实训课程; 仿真软件; 在线对分课堂

中图分类号： G710          文献标志码： A          文章编号： 1671-2153（2021）02-0068-05

一、疫情下实训课程存在的问题

（一）线上教学缺少仪器设备有效支撑，学生缺少动手实践环节

实验实训课程原本在教学计划中是以学校现有的设备、仪器为教学载体，教师通过讲授原理知识、实验操作步骤方法，让学生在实践动手中掌握知识和技能，树立安全意识和职业道德意识的体验式教学模式。但是在疫情防控期间，教师与学生无法正常在学校实验实训室内进行原定的教学活动，而是采用线上讲授、学习的上课模式，教师在家网上授课，学生在家网上听课，身边没有教学设备仪器，这就打破了原有的实验实训课程的体验式教学模式，这对此类课程的教师授课和学生学习带来了新的挑战。

以电气自动化专业的专业必修课运动控制技术及应用课程为例，该课程是以学院现有的亚龙YL-158GA1现代电气控制系统安装与调试实训考核装置为载体，讲授企业中常用的运动控制系统，通过对该装置的讲解和运用，培养学生对运动控制系统设计和控制方法的系统性思维，提升综合技能水平。

由于疫情期间学生无法返校，导致该课程的大部分授课过程和授课内容以理论为主。其主要内容包括运动控制系统组成和基本概念、伺服运动控制系统原理、步进运动控制系统原理等，其中伺服系统是以松下A5系列伺服电机、驱动器和台达ASDA-B2驱动器、ECMA-C20604RS电机为例，步进系统是以步科的3S571-04079步进电机和3M458步进驱动器为例进行讲授。学生在线学习过程中，以听为主，被动地接受教师讲解理论知识、系统结构、电气原理图、接线图等原理性的内容，缺乏主观的动手操作和实践环节。以“伺服驱动器的参数设置”教学章节为例，伺服驱动器的参数类型繁多，每一种类型下又包含众多的子类型参数，学生没有亲自动手实践操作设备，单纯通过书面学习和记忆来掌握成百上千条参数，其对设备参数的理解程度和运用水平必然会大打折扣，学习效果可想而知。因此在线教学模式下，如何让学生“学以致用”，成为实验实训课程一个亟待解决的问题。

（二）线上教学模式下，师生之间无法进行有效的互动

在线教学的课堂组织与教学方式有别于传统的线下教学方式，上课时教师面对着电子屏幕，学生同样面对着电子屏幕，教师无法及时掌握学生的学习动态，不能对学生的学习状态进行有效管控，学生同样无法在第一时间反馈自己的疑问和困惑，不能及时与教师沟通交流。这种缺乏“面对面”、“眼对眼”、“口口相传”的线上形式，犹如给教师与学生之间的互动活动带上了枷锁，在一定程度上影响了教学的质量。

例如，在线课堂中，如果教师提了一个问题并要求同学解答，教师只能借助平台自带的功能进行有约束的、局限的形式来完成，无法开展灵活的互动活动。如果题目的答案比较简洁，学生可能会直接打在评论区;如果答案比较复杂，学生又难以通过简单的口述或者文字的形式展示答案。如果老师没有指定具体某位同学回答问题，这个时候大概率就会出现课堂的盲区，学生不知道如何回应;而如果老师指定某位学生回答，学生又难以把自己的结果有效地呈现出来，其他同学也不能直观地看到该同学的作答结果。即便通过评论留言进行回复或者提问个别同学的方式，也只能反映个别同学的学习情况，难以整体把控全班学生的掌握情况。这些都是在线教学模式下教师有效組织管理课堂的问题。

二、解决的具体方法和措施

（一）采用模拟仿真软件和微视频相结合的方式，解决实验实训课程的虚拟动手问题

模拟仿真软件是设备供应商提供的支持离线调试仿真的一套软件系统。学生将仿真软件安装运行在自己的电脑端，在没有仪器设备的情况下，通过软件中的虚拟设备和人机界面，进行模拟操作和运行。微视频是将仪器设备的操作使用过程进行录制，以知识点或使用步骤为单元，进行模块化、离散化的拆分，一个视频控制在5分钟左右，学生在完成理论知识学习之后，通过观看微视频，能够对设备仪器及其使用方法产生更直观的认识。通过模拟仿真软件和微视频相结合的方式，在一定程度上弥补了实验实训课程线上教学无法动手操作的不足。

1. 运用运动控制调试仿真软件

根据课程的需要，针对2套伺服运动控制系统和1套步进运动控制系统，共提供了3套运动调试仿真软件用于课堂教学活动，分别是松下伺服调试仿真软件、台达伺服调试软件、步科步进调试仿真软件。对应于每个软件，可以进行设备型号选择、驱动器参数设置、电机配置仿真、I/O口配置和运行状态监测。于此同时，软件提供了详尽的说明文件，方便学生使用和查阅。例如，在进行松下伺服控制系统这一单元模块的教学过程中，学生利用松下伺服调试仿真软件，亲自动手选择设备型号，设置驱动器各项参数，模拟仿真电机运行，配置IO输入输出，查看电机运行状态。同时，在设置过程中还可以利用软件自带的文档说明查看每项参数的具体含义，满足学生学习和动手实践的需要。

2. 录制制作微视频

根据课程进度逐步录制操作视频，具体内容包括设备的安装、接线，驱动器参数设置、试运行，程序编写下载、调试、运行等。视频展现内容以操作使用设备的实际场景和步骤为主，以每个系统的操作流程为主线，将设备使用过程录制成微视频，每个微视频以一个操作步骤为单元，并配有语音解说和文字旁白，由此逐步积累形成一套完整的伺服控制系统和步进控制系统实验实训操作微视频。教师将录制完成的微视频集上传至在线平台中。在线课堂中，教师讲授到某一章节和知识点时，同步展示相关微视频，让学生将理论知识和实际设备操作方法与使用过程进行有效衔接;同时，学生可以通过在线平台，随时随地播放观看微视频，巩固所学内容，加深对设备的熟悉程度。

（二）采取多种教学形式并用的方式，增强师生互动的有效性

1. 多平台共用，避免单个平台使用过程中的功能受限

目前授课平台很多，形式多样，功能各有所长，可以结合多个平台共同使用。课前，QQ平台即时信息互动交流和发布，班级QQ群的活跃度和关注度高，通过该平台发布信息可以在第一时间将信息传达到每位学生;课中，钉钉平台在线直播和录屏功能简单便捷，同时支持签到打卡、师生连麦、屏幕分享等功能，尤其是屏幕分享功能，可以有效支撑在线对分课堂的实施，学生通过屏幕分享，可以将自己操作使用仿真软件的过程和仿真电机的运行情况展现给教师和全班同学共同观看;课后，蓝墨云平台管理课件、视频、作业等资源层次分明，教师批改作业、发表评论、师生互动等功能完善。多平台共用，充分发挥每个平台的优势功能。

2. 采用方便学生作答的方式，设置适量随堂测验

上课过程中，采用弹出式选择题的方式，学生操作快速方便，同时教师可以查看全部学生的正确率，对学生进行知识掌握情况的排摸，根据统计结果进行针对性地巩固。

3. 抢答式连麦，提高学生参与度

采用钉钉平台进行直播授课时，教师提出问题，学生连麦回答，根据抢麦的先后顺序进行作答，并对积极抢麦的同学给与一定的课堂表现加分;连麦时，正在连麦的学生会显示视频画面，“开镜”展现给全班同学，提高学生参与度。

4. “线下”辅助“线上”，进一步增加教师与学生之间的沟通

这里“线下”不是指教师学生面对面同处一个教室或固定场所内，而是指非授课时段的其他时间段。由于上课时间有限且相对固定，教师除了安排授课内容、师生互动外，剩余时间非常短暂，难以与每一位同学进行有效的沟通，覆盖面很难达到100%。因此，教师在课后与学生进行沟通、交流、指导就显得尤为必要。采用布置课后作业、批改评论留言、批改评论语音、批改评论短视频等多种形式进行交流，对每个学生的学习情况进行针对性地指导，增加与学生的互动。

（三）运用在线对分课堂，保证学生对所学内容的吸收和内化

将线下对分课堂的教学模式引入到在线课堂中，教师采用“精讲留白”的授课方式，将所讲章节的重点知识进行5-10分钟的集中讲解，并将与该章节相关的教学资料、参考文档、设备使用手册、微视频等资源提前上传至平台该章节中。然后布置安排模拟仿真项目内容，下发项目任务书，告知学生参考查阅资料范围。要求学生在规定的时间段内，根据任务书中的内容，自行查阅平台中给定的资料、微视频或者网络资料，完成任务书中的项目内容，自己动手操作使用模拟仿真软件并达到要求的模拟电机效果。同时要求学生思考“亮考帮”三个问题，即亮一亮自己学到了什么，考一考别人一个问题，帮帮我存在的问题。

任務项目完成后，教师引导学生展示自己的项目成果，要求学生主动展示，给与课堂活跃度积分。学生在线“举手”，由教师选择某位“举手”的同学并许可其连麦和屏幕共享，该同学即可在自己电脑上进行操作演示并讲解自己的使用流程，完成之后分享一个自己学到的知识点、操作技巧或心得体会，然后提出一个考点，最后提出一个自己仍然存在的疑问或困惑。之后，教师选择另一位“举手”的同学，许可连麦后解答上一位同学提出的考点和存在的疑问。如此反复，教师根据课堂时间和学生掌握情况选择数量不等的学生参与到该活动环节中。最后，由教师点评总结，将本节的重点内容、学生学习操作过程中遇到的问题进行汇总。通过在线对分课堂的方式，让学生有更多的时间动手操作，同时可以观摩学习其他同学的操作过程，思考自己的“亮考帮”，最终保证学生对所学内容的吸收和内化。

三、课程实施情况及效果

（一）运动控制调试仿真软件配置完备

现有松下MINAS系列伺服系统调试仿真软件、台达伺服调试与参数设置仿真软件和步科步进调试仿真软件各一套，软件兼容Windows Vista、Win7、Win8、Win10等多个版本，支持32位、64位系统，配有“安装指导说明书”，能够满足学生自行安装。

1. 松下MINAS系列伺服系统调试仿真软件

松下伺服调试仿真软件安装完成后，第一步需要选择模拟操作的设备型号，这里选择MINAS-A5系列，确定后进入系统。然后进行伺服驱动器的参数设置，参数设置界面包含了伺服系统的多种控制方式，可以对需要使用的控制方式进行相应的参数设置，包括脉冲指令、控制模式、电子齿轮比等具体的参数。

2. 台达伺服调试仿真软件

台达伺服调试软件包含型号选定、参数编辑、系统分析、状态监视、报警资讯等功能，以及详尽的驱动器参数说明文件，方便学生在参数设置时进行快速地查找使用。

3. 步科步进控制系统调试仿真软件

步科步进控制系统调试仿真软件包含驱动器的配置、电机配置、工作模式配置等，其中驱动器配置又包含基本操作配置、驱动器参数配置、I/O口配置和实时错误信息配置;工作模式配置中包含模拟速度模式、脉冲模式、位置模式等。

通过使用以上介绍的调试仿真软件，学生可以亲自动手设置驱动器的各项参数，同时在设置过程中利用软件自带的文档说明查看每项参数的具体含义。除此之外，以上软件还具有电机仿真和运行信息监视器功能，能够根据驱动器设置的参数进行电机驱动仿真测试，能够将学生设置、修改参数的情况通过仿真电机直观地展现出来，加深学生对各个参数具体含义的理解，使学生更容易掌握各个系统的使用。

（二）教学活动组合运用多个教学平台，优势互补

目前采用的平台包括钉钉平台、蓝墨云平台、QQ平台。钉钉平台直播功能强大，自带录屏功能，支持课前签到、课中连麦、课后信息统计。蓝墨云平台方便课件、视频等教学资源的上传管理，便捷的课后作业发布和批改，灵活的作业分数数据导出。QQ平台方便进行信息的发布和即时沟通。