虚拟仿真技术在电气控制线路安装与检修教学中的应用研究

王慧云 李海勇

摘 要：针对电气控制线路安装与检修课程应用仿真软件存在的问题，相关课题组成员创建所需的数字教育资源并进行教学实践，寻求解决问题的方法，提出应用仿真教学软件助力实训教学的策略。

关键词：仿真技术 电气控制 教学应用

课 题：本文系山东省技工教育和职业培训科研课题立项课题“虚拟仿真技术在《电气控制线路安装与检修》教学中的应用研究”（课题编号：RSJY2022-Y040）的研究成果。

2022年2月，教育部相关负责人在介绍推动现代职业教育高质量发展有关工作情况时表示，将持续推动职业教育数字化升级，促进职业教育提高质量、提升形象。教育部将持续开发优质数字教学资源，构建国家、省、校三级资源库互为补充，使用广泛的资源库应用体系，继续推动建设数字化融媒体教材，加快虚拟仿真实训基地建设。新冠肺炎疫情防控期间，学生通过线上平台学习知识和技能，技工院校实训教学遇到了挑战。济南市技师学院（以下简称学院）课题组（以下简称课题组）申请山东省技工教育和职业培训科研课题“虚拟仿真技术在电气控制线路安装与检修教学中的应用研究”，探索提高实训教学效率、提升教学效果的途径和方法。

一、虚拟仿真技术在国内外教育领域应用的现状

虚拟仿真技术又称VR技术，起源于20世纪60年代末，20世纪70年代，日本游戏公司推出Virtual Boy电子游戏交互设备，使VR设备和计算机设备交互实现无缝衔接，从而令VR技术在更多领域广泛应用。21世纪初期，VR技术逐步融入军事、教育及医疗等相关领域。2017年7月，教育部办公厅下发《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》；2018年6月，教育部开放了“实验空间”的实验平台，以VR技术辅助高等教育。

虚拟仿真是用虚拟搭建出的场景模拟类似真实场景的技术，操控虚拟的对象在虚拟的环境交互使用，对真实世界的特征进行模拟。许多高校开展了虚拟仿真技术相关研究工作。仿真技术在职业院校电气类课程应用较多。学院使用Proteus、Multisim、PLC、MATLAB、Keil等仿真软件辅助专业课教学；使用“电工技能与实训仿真教学系统”仿真软件辅助电气控制线路安装与检修课程教学。

利用虚拟仿真技术辅助实验教学有以下三个优点：一是提高实验教学的实践安全性；二是将知识概念立体化呈现，提高理论教学与实验教学课程的连贯性；三是强化专业课教学实验多元化教育能力。教师若能掌握计算机技术及数字建模技术应用方法，可以调整实验内容，使虚拟仿真实验教学适用于不同环境。

二、电气控制线路安装与检修课程应用仿真软件存在的问题

仿真软件“电工技能与实训仿真教学系统”应用于电气控制線路安装与检修课程教学，提供电气控制线路的原理、布局、连线和运行、排故等选项，可实现操作者和模型之间的交互，帮助学生直观学习，受到很多专业课教师的欢迎。

有教师在使用过程中发现，软件中选用的3种机床电气控制线路和教材中的内容不一致。线上和线下教学需要使用中职电工专业教材《电气控制线路安装与检修》模块三项目一、二、三的数字教育资源。在“实验空间”平台，没有找到适应技工院校电气控制线路安装与检修课程的仿真实验项目。

在新冠肺炎疫情防控时期，开展线上教学需要应用计算机仿真技术达成专业课实训教学目标或辅助现场实训教学。针对电气控制线路安装与检修课程中应用仿真软件存在的问题，课题组成员创建所需的数字教育资源并进行教学实践，寻求解决问题的方法。

三、课题研究内容和研究方法

（一）课题研究内容

1.录制和教材内容一致的3种机床电气控制线路的工作原理微课

教材模块三“常用生产机械电气控制线路的识读及故障检修”，重点是CA6140型普通车床电气线路、M7130型平面磨床电气线路、Z3040型摇臂钻床电气线路3种机床电气控制线路。课题组成员积极学习新技能，录制此3种机床电气控制线路的工作原理微课。

2.创建与实训装置相适宜的仿真软件

学院设备“DLJCS-G4智能型四合一机床电气技能实训考核鉴定系统”用于实训教学，创建仿真软件的三维场景来源于实训装置DL-CA6140型普通车床电气线路元器件布线区、DL-M7130型平面磨床电气线路元器件布线区、DL-Z3040型摇臂钻床电气线路元件布线区。

创建仿真软件的流程如下。

（1）应用Autodesk Inventor Professional 2019软件，建立3种机床电气控制线路所需元器件三维仿真模型。

（2）研发基于Unity3D平台的3种机床电气线路布局模拟操作程序。把三维仿真模型转换成元器件主体模型，用Unity3D平台搭建布局场景，结合C++语言制作脚本，控制元件移动和安装位置判定。

（3）程序封装成应用，使其支持PC平台或手机客户端。

3.应用创建的数字教育资源进行教学实践

教师在电气控制线路安装与检修教学中应用微课和仿真软件进行教学，指导学生使用仿真软件，在虚拟环境中，进行元器件布局安装操作训练。

4.调研仿真软件应用案例和分析教学效果

以任课教师、在校学生作为访谈对象，调查教学中应用数字教育资源后学生学习兴趣、学习态度的变化；学生在理论联系实践、知识应用能力、学习主动性方面产生的变化以及学生考试成绩的变化。对照传统教学模式，分析教学效果的差异。

（二）研究方法

1.文献研究法

第一阶段采用文献研究法，选择研究课题。文献研究法是对文献进行查阅、分析、整理，从而找出事物本质属性的方法。文献包括文字资料、图形资料、符号资料、声像资料等。

2.行动研究法

第二阶段采用行动研究法，创建《电气控制线路安装与检修》实训教学数字教育资源。行动研究法是指在自然真实的教育环境中，教育实际工作者按照一定的操作程序，综合运用多种研究方法与技术，以解决教育实际问题为首要目标的一种研究模式。行动研究法的一般步骤是：计划—行动—考察—反思。

3.实验研究法

第三阶段采用实验研究法，在教学中应用创建的数字教育资源进行教学实践。实验研究法是应用研究手段，根据一定的假设创造一定的条件、开展教育实践活动，揭示教育活动中的因果关系的方法。实验法的采用是建立在假设某一种教学方法和模式会对学生学习产生促进作用的基础上，采用分组比对实验的方法进行研究。

4.调查研究法

第四阶段采用调查研究法，通过教学案例分析应用仿真软件的教学效果。调查研究法是深入了解教育实际情况，发现存在的实际问题，寻求解决问题并探索教育规律的方法。研究过程中用到访谈法、问卷调查法、个案观察法等。

四、在电气控制线路安装与检修课程教学中应用仿真教学软件助力实训教学的策略

（一）基于虚拟仿真技术的课程改革

传统的专业课教学，以教师为中心，教学活动围绕理论知识的传授和相关技能的实训。当前推行以学生为中心的理实一体化教学。2020年，我国出现新冠肺炎疫情以后，微课、虚拟仿真软件在线上教学中的应用越来越广泛。学生可以登录微课教学平台学习专业课，观看实验操作，可以在线上教学过程中实现师生互动、生生互动，也可以使用仿真软件参与虚拟实训。

通过虚拟仿真软件的使用，激发了学生的学习兴趣，促进了理实一体化教学发展，提升了教师的信息技术应用能力。

（二）创建与实际场景相适宜的仿真软件补充数字教育资源

近年来，Android系统得到了成熟的发展。Unity又称Unity3D，具有许多优点，用户可以通过Unity引擎实现各种游戏创意和三维互动开发，近年来在游戏开发领域中的使用率不断提高。技工院校通过利用该引擎开发专业课实训仿真软件，可以提高学生的学习主动性，提高学生的专业实践能力和理论理解能力。

五、小结

将虚拟仿真教学应用到实训教学，可以提供和现实操作相似的实训环境，具有非常强的交互性。这种应用提高了技工院校学生的课堂参与度，取得良好的实训教学效果，同时，在完善线上实践课程、辅助线下实训教学、加强教师队伍的建设等方面具有重要的实践意义。

三维仿真软件常用的有3ds Max、MaYa等，适用于许多应用领域，希望能够开发出适合技工院校教育的3D虚拟仿真制作软件。根据工学一体化技能人才培养模式的新要求，如果校企合作共建虚拟仿真资源，教学和工作场景统一，技工教育就可成为有源之水。目前，虚拟仿真技术仅仅辅助某些专业课的教学，如果建设成立体化教学资源库，把虚拟仿真技术推广到教学领域的各个环节，虚拟仿真技术应用就能够大力助推教学改革的发展。

参考文献：

[1]杨万霞.“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学体系的构建与应用[J].吉林省教育学院学报，2021（2）.

[2]郭秀艳，马国金，吴霞，等.“互联网+”视域下虚拟仿真实验教学[J].中国冶金教育，2021（1）.

[3]周頔，孙辛欣，盛歆漪.Unity3D PlayMaker游戏设计与实现[M].北京：电子工业出版社，2019.

[4]胡中锋.教育科学研究方法[M].北京：中国人民大学出版社，2018.

（作者單位：济南市技师学院）