基于虚拟仿真技术的中职PLC教学研究与实践研讨

摘要：《中国教育现代化2035》提出了“教学信息化”，《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》提出将虚拟仿真技术作为在线实践教学的新方式。在此背景下，中职PLC教学应尝试与虚拟仿真技术相融合，一方面提升教学的现代化与智能化水平，另一方面借助虚拟仿真技术解决教学资源不足、教学条件不理想等现实问题，进一步提高中职PLC教学质量。本文首先分析PLC教学现状与虚拟仿真技术在PLC教学中的应用优势，其次探讨了基于虚拟仿真技术的PLC教学模式与具体实践策略，最后提出虚拟仿真技术在PLC教学中的应用解决了哪些问题及今后应用建议。

关键词：虚拟仿真技术；PLC教学；研究与实践

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是数字运算操作电子系统，主要用于工业环境，具有可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、使用方便等优势。随着PLC在工业领域的应用越来越广泛，机电一体化专业学生需要掌握扎实的PLC知识以及积累丰富的PLC操作经验。因此，实践教学是PLC课程教学中的重要环节，但随着实践教学的开展，教师发现有限的教学资源难以支持学生实现高效学习，为解决这一现状，PLC课程开启了线上教学探索，发现国家虚拟仿真实验教学课程共享平台、国家智慧教育公共服务平台、泛雅平台等能够为PLC课程教学提供良好的支撑，切实提高PLC课程教学的实效性。

一、PLC教学现状

PLC教学一般采用教师讲授、学生听课的传统方式，对此教学模式进行分析发现，其在保证课堂秩序、完成教学任务方面有着明显优势，但同时其也有着较为显著的不足。以教师讲授、学生听课为主的教学方式难以取得理想的教学效果，其普遍存在三大弊端，一是学生普遍会在两周后出现明显的知识遗忘现象；二是学生在课堂上的参与感与体验感较差，学习积极性与主动性不强；三是忽视了学生的主动性和创造性，不能有效地培养学生的动手能力和实践能力。而PLC教学对学生自学能力、思维能力、实践能力、创造能力要求较高，由此可见，传统的教学模式无法满足PLC教学要求。为打破传统教学模式给PLC教学带来的桎梏，有效提高PLC教学效率与质量。将虚拟仿真技术融入教学中，倡导利用虚拟仿真技术使学生能够模拟PLC程序设计、调试和运行，切实提高学生的实际操作能力和解决问题能力［1］。

二、虚拟仿6e2ed7258df351058939ca1b723d867d9ba4b959b84b8951679d5a447a029eb0真技术在PLC教学中的应用优势

传统的“PLC控制技术”课程教学模式主要是教师在为学生讲授理论知识后，指导学生在实训台上利用所学知识来开展验证性实验，其目的是加强学生对所学知识的掌握深度，同时锻炼学生的实操能力。但这种教学模式也存在较为明显的不足，如学生在已知结果下开展实验操作会使其思维受到桎梏，同时缺失学习兴趣与积极性等。建构主义学习理论指出学生不应该是知识的被动接受者，而是学习的主人，强调知识的建构来源于学生的个人体验。针对此，将虚拟仿真技术应用于PLC教学中，建构基于虚拟仿真技术的多元化实训教学模式，满足学生在不同学习阶段的学习需求。为充分发挥虚拟仿真技术在PLC教学中的应用价值，教师与学生需要掌握不同虚拟仿真技术独有的优势，以便根据教学需求选择最恰当的虚拟仿真技术。仿真动画技术、电工技能与实训仿真教学系统、CADe_SIMU电气线路绘制仿真软件、FXTRNBEGC仿真系统、GXworks软件的鲜明特点分别为可视化与动态化、元素丰富且操作简单、可操作性强且可用于绘制电气原理图、可模拟丰富的现代化生产环节、支持实际工程项目与现场调试。独特优势在于可将抽象化的电器元件原理结构变得直观化简单化，可帮助学生建立完整的知识体系，可支持单步模拟，具有很好的可操作性，可支持学生在软件中进行PLC编程、设备安装、接线、调试、运行、故障排除等多方面的专业技术能力训练，可以实现程序的虚拟仿真与调试，因为其有简单工程和结构工程两种编程方式，支持梯形图、指令表、SFC、ST、结构化梯形图等编程语言［2］。

三、基于虚拟仿真技术的PLC教学模式构建

（一）教学目标

为了更好地实现人才培养目标，助力学生职业发展，构建了基于正确价值观引领的专业知识和专业技能培养体系，并最终实现岗位适任的教学总目标。具体教学目标主要从专业知识、专业技能、岗位要求和课程思政四个方面展开，通过理论与仿真技术相结合的教学，使学生了解PLC的基本结构、工作原理、发展趋势和应用领域；了解PLC的主要性能指标、工作方式、安装布线等技术要求；熟练掌握典型PLC的编程指令，使用编程软件编制与修改一般PLC控制程序。通过仿真与实践操作，使学生初步具备分析实际PLC控制系统的能力，能合作完成简单控制系统的设计、安装、编程和调试工作。通过课程学习，使学生具备PLC开发所必需的基本知识与技能。培养学生规范意识、质量意识、创造意识，使学生初步具备工艺员、技术员和设计员等应用岗位所需的职业道德，提升职业素养，为最终成为一个具有家国情怀的技术技能型人才奠定基础。

结合岗位能力需求，基于虚拟仿真技术的PLC教学要尊重学生的主体地位，指导学生充分利用仿真动画技术、电工技能与实训仿真教学系统、CADeSIMU电气线路绘制仿真软件、FXTRNBEGC仿真系统、GXworks软件开展深层次的自主思考、合作探究、实操练习，实现理论知识与实操技能提升［3］。

（二）课程内容

传统PLC课程的衔接不够理想且存在知识点分散、细碎等问题，为提高基于虚拟仿真技术的PLC教学质量，帮助学生构建系统化的知识体系，为学生今后迁移应用PLC知识奠定良好基础，需要对课程内容进行重构。

基于综合化、模块化和项目化的设计思路，以实践活动为主线，将理论知识和技能训练有机结合，对PLC课程内容进行梳理整合后确定了三大模块、六个项目。三大模块为基本逻辑指令模块、步进指令模块和功能指令模块，项目具体为三相交流异步电动机的控制、电动门运行控制、物料分拣控制系统、交通信号灯的控制、小车多工位运料控制、霓虹灯系统控制。六个项目分别为24课时、8课时、8课时、4课时、8课时、8课时，共计60课时。采用任务驱动教学模式，将每个项目又拆分为若干个小任务，在每个任务中融入了PLC的基础知识、程序设计、电气连接等方面的专业知识和技能。通过系统化的课程教学，学生可熟练掌握各种基本命令、熟练绘制系统线路图与安装线路、了解FX系列编程器等其他软件转换接口、掌握梯形图与指令表等编程方式［4］。

（三）思政元素

为了实现产教融合、德技并修的育人目标，深入挖掘基于虚拟仿真技术的PLC教学中的思政元素，在教学各个环节融入课程思政点。在课程导入环节，可以通过大国工匠、技能大师教学案例，将民族精神、科技力量、制造强国、国家担当等思政点融入教学过程。在课程实施环节，例如程序设计部分，利用仿真技术，训练科学思维方法，培育学生勇于探索的精神。

同时整个教学环节将规范意识、责任意识、精益求精的工匠精神潜移默化地传递给学生，旨在将职业道德、职业素养、爱国情怀、工匠精神等元素融入课程教学内容中，做到德育为先，人文立课。

（四）仿真系统的选择

上文已经梳理总结了不同虚拟仿真技术独有的优势，教师在实际教学过程中需要结合每个模块的内容特点和学生表现，对比各个仿真软件的优势，采用最合适的虚拟仿真技术，以加强虚拟仿真技术在PLC教学中的应用价值，切实提高PLC教学的实效性。

四、基于虚拟仿真技术的PLC教学实践

（一）课前预习

教师在课前通过信息化平台推送与任务相关的视频资源，让学生初步对需要学习的知识点有一定的了解，并完成相关的练习。例如，教师在基本指令模块教学时为学生布置理论知识自学任务，引导其利用泛雅平台上的在线课程开展学习并要求学生在学习结束后完成平台上的小测试。

（二）课堂教学

课堂教学强调操作规范，培养工匠精神，可分解成以下几步来完成学习目标。

1.任务引入与分析

任务的引入可以采用创设情境的方式，将学生带入一个具体的场景中，引导学生思考并发现需bf619569e253099767b9828f8eda5f85b96923825f4fc4e45d1728b58dc37fda要学习的知识和技能；也可以提出一个或多个问题，激发学生的好奇心和探究欲望，促进他们的主动学习和思考；还可以通过具体的案例，让学生分析和讨论案例中的问题和解决方案，进而引出教学内容和任务。

2.知识储备与问题探究

以步进指令模块的教学实践为例，教师利用网络平台和FXTRNBEGC仿真系统为学生提供丰富的学习资源。学生在课前利用教学视频、课件、文献资料等了解状态转移图的概念、状态编程法以及电动门操作系统的运行原理等基础知识。

分析课前预习的检测结果，在课堂上对学生自学有困难或较难理解的知识点进行重点讲解，如SFC编程中STL与RET的使用、SFC与梯形图的转换。同时引导学生思考步进顺控程序应用场合，探究自动门任务中的控制要求和解决方法。

3.总结与评价

总结梳理任务中的知识点、重点难点以及遇到的问题和解决方法，锻炼学生沟通交流的能力。同时也可以在总结过程中融入思政元素，进一步进行课程思政。

采用多元化评价方法，课前预习情况、课中任务实践、课后作业拓展，学习平台自我评价、组内互评、组间互评、教师评价相结合。实施过程式评价，评价学生在学习过程中的具体表现，在实训过程中对知识的运用情况，考查学生学习态度、学习能力、协作能力。

（三）课后拓展

课后拓展采用线上讨论、线下作业相结合的方式进行，达到夯实基础、拓展技能的目标。以顺序功能图的应用教学实践为例，先要求学生在线上结合所学知识与“匠心制造智慧车库，合力共创文明城市”相关新闻，讨论“智慧车库与城市发展的关系？智慧车库是如何实现的”等问题，要求学生尝试用仿真软件设计完成智慧车库程序，帮助学生进一步巩固课堂所学，锻炼学生运用所学知识解决实际问题的能力。

五、虚拟仿真技术在PLC教学中的优势及应用建议

（一）解决了哪些问题

首先，解决了在线实训教学受限于软硬件的问题。学生之间的家庭条件不同、学校之间的教学条件不同，部分学生会因缺失软硬件设备而无法开展高效学习等情况。将虚拟仿真技术应用于PLC教学中能够让学生在虚拟空间进行学习，使现实生活中的软硬件设备不再是学习的必备品，切实化解了学生对课程学习的无力感。其次，解决了在线实训教学受限于平台可用的问题。基于在线教学需求不断增加，越来越多的线上学习平台出现，但这类平台往往难以满足在线模拟学习等需求。而虚拟仿真技术的有效应用，使学生真正拥有了可满足自身学习需求的在线交互式实训平台。最后，解决了在线实训教学受限于资源使用的问题。在传统教学模式下，学生的主要学习阵地是课堂，学生用于实践的资源多为现实材料，这就导致学生被“困”于课堂上，同时也面临着教学资源缺失而无法开展实践的情况，但将虚拟仿真技术融入PLC课程，学生能够随时随地进行学习，甚至可以根据自身需求开展个性化学习［7］。

（二）应用建议

首先，加强校企合作，以开发更多的典型教学案例。PLC课程教学的目的是提高学生实际应用可编程逻辑控制器的能力，而这不仅需要学生开展实践操作，也需要学生接触到丰富的、多元的真实案例，以帮助学生积累有用的经验。基于此要求，中职学校需要进一步加强校企合作，借助企业的力量开发更多的典型教学案例，为学生综合能力提升提供助力。其次，借助软件平台开发在线互动实训教学项目。通过校企合作获取典型教学案例后，需要将其以虚拟仿真实训项目的形式在教学平台上呈现，让学生能够真正通过案例获取到有效的信息。最后，依托线上教学资源建设在线理实一体化课程。数字图书馆、教学资源库、测评系统等均是建设在线理实一体化课程的重要内容，中职学校需要在今后发展中对此类内容加以重视，以搭建起完善的线上学习体系，让学生通过在线学习、在线实训、在线测评，不断实现综合能力提升［8］。

结语

综上所述，开展基于虚拟仿真技术的PLC教学研究与实践研讨具有重要作用，基于研究可知传统教学模式无法满足PLC教学要求，导致PLC教学效果与预期不符，而虚拟仿真技术在PLC教学中的应用解决了在线实训教学受限于软硬件、受限于平台可用、受限于资源适用等问题，对提高PLC教学效率与质量有着重要意义。在今后PLC教学过程中，中职学校需要充分认识到，在线教育是教育信息化发展的必然产物，因此为进一步加强虚拟仿真技术的应用价值，可从加强校企合作、开发在线互动实训教学项目以及建设在线理实一体化课程等角度入手，这也是学者今后的研究方向。

参考文献：

［1］刘起汉.基于仿真技术的电气控制与PLC技术教学研究［J］.木工机床，2023（4）：3739+48.

［2］尤向阳，刘志强，严风，等.基于TIAPortal和FactoryIO联合仿真的PLC教学研究［J］.三门峡职业技术学院学报，2023，22（4）：4447.

［3］崔健，喻向天，张赛昆，等.基于Blender建模和Unity3D场景构建的PLC虚拟仿真实验教学平台［J］.中国设备工程，2023（23）：266270.

［4］王有新，蔡玉奎，辛倩倩，等.基于NXMCD的数字孪生虚拟仿真系统实验教学研究与实践［J］.装备制造技术，2023（10）：8085.

［5］移康英.基于TIAPotal软件的PLCSIM虚拟仿真在PLC线上教学中的设计与实践［J］.时代汽车，2023（14）：7274.

［6］何志勇，余雷.PLC控制对象的虚拟仿真及教学应用实践［J］.科教导刊（电子版），2023（13）：5658.

［7］孟佳.基于在线虚拟仿真实训平台的PLC在线实训教学探究［J］.包头职业技术学院学报，2023，24（1）：5861.

［8］尤向阳.虚拟仿真软件FactoryIO在PLC实践教学中的应用［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2022，21（6）：5256.

作者简介：顾佳茗（1986—），女，汉族，江苏靖江人，研究生，讲师，研究方向：电子电工。