机电控制仿真教学系统的设计研发

刘芯彤

(1. 同济大学 上海200092；2. 天津机电工艺学院 天津300350)

机电控制仿真教学系统的设计研发

刘芯彤1,2

(1. 同济大学 上海200092；2. 天津机电工艺学院 天津300350)

职业教育的关键在于职业素质和动手能力的培养，生产实习是一个必不可少的环节。阐述了目前机电职业教育中生产实习资源不足的现状，提出了研发一款机电控制仿真教学系统，分析了该系统的架构及优势特点，指出系统的全面性、系统性更利于学生学习理论知识及操作技能；层级清晰、可扩展性等特点使系统更利于校方、教师、学生的管理。系统功能强大，创新点丰富，未来应用前景广阔。

机电控制仿真 教学系统 职业教育 技能 学习质量

职业教育的关键在于职业素质和动手能力的培养，生产实习是其中一个必不可少的环节。目前，由于教师和教学设备不足，学员较多，以及实习场地的限制，很多教学内容学生无法亲身实践，只能初步了解相关的设备、简单的操作步骤，使全面了解、掌握整个加工工艺流程变得遥不可及。这样的结果直接导致学生的理论知识与实践脱节，影响了学生的学习质量，培养的人才在步入社会后无法具备现场操作技能。

随着信息技术的迅猛发展，各种操作系统层出不穷。本文基于机电类职业学校的实际需求，提出研发机电控制仿真教学系统，该系统集机电理论知识学习、模拟操作系统、综合题库于一体，可实现学生自学与课堂教育相结合，教师授课与随堂测试相结合，理论与实践相结合，从而解决机电职业院校存在的学生无法全面掌握理论知识、实践技能的问题。

1 系统功能

按照机电类职业院校各专业的教学需求设计系统功能。系统在满足理论知识学习、岗位操作实训、各种考核的基础上，总结归纳了学生在学习中容易出现问题的关键点，帮助学生加深印象，提高教学效率。该系统实现了教师在虚拟环境下授课，学生在虚拟环境下在线学习，高效整合了教学资源，同时增加了学生的感性认识，培养了学生的实际操作能力，帮助他们在未来的机电岗位上快速掌握最新的岗位技能和生产工艺流程。

使用该系统有助于学生熟练掌握机电岗位的实际工作流程和操作要点，对于学习机电行业的新技术，尽快形成实际工作能力及提高实训成效具有重要意义。

1.1 系统的整体结构

机电工程数字化培训教育系统分为单机版和网络版两种，分别适用于高校校园的网络或单机环境的浏览器/服务器(B/S)体系结构。设计单机版和网络版的原因是基于对学生课后学习的设想：教师授课可使用单机版教学，课后学生可于网络版做作业，然后提交给教师，教师审阅并给予成绩后，通过网络传递给学生，从而形成一个课堂教学、课后复习的有效流程。结构框架图见图1。

图1 机电控制仿真教学系统架构图Fig.1 Architecture of the teaching system of electromechanical control system

1.2 系统各功能模块简介

1.2.1 学生培训

该模块主要面向学生，主要作用为学生登记个人信息，作为教师、同学交流之用。登记的信息主要有个人信息、考试信息、模拟认证信息等。该模块功能便于学生的自我管理。

1.2.2 理论学习

理论学习模块在系统架构图上虽仅显示理论学习，但实际上内容丰富，主要包括：基础知识学习、操作技能学习、软件学习、岗位素质能力提升题库、理论考试题库、实际操作技能考试题库等。

其中，基础知识主要是用来指导各大中专院校学员实习和机电企业新员工掌握基本操作知识，而机电岗位技能培训涉及的具体内容包括车、钳、铣、焊、电以及数控加工、汽车维修等几大机电领域常见工种的职业技能培训。软件培训方面，分为机械设计软件、模具设计和分析软件、机械仿真软件以及一些实际应用软件。

1.2.3 实训

实训模块是机电控制仿真教学系统最具特色的模块，主要由多功能模拟装置单元、数据采集系统、PLC控制器及多种参数控制模拟实训软件等4大部分组成。正是该模块的功能将学生的学习与实践结合起来，解决了机电职业院校实际操作训练不足的问题。该模块主要分为两部分，一是看，一是做。系统中存储了大量对各种机电设备使用、维修、护理的演示视频和音频，虽然教师在课堂中也会讲解这部分知识，但通过音视频直观地演示会使学生学习效果更佳，更易掌握操作技能。此外，系统通过多媒体交互技术对机电加工现场进行模拟，利用精准的要求、逼真的场景使学生身临其境地进行学习。实训设备特有的模块化、智能化、机电一体化、多媒体交互、仿真模拟、可操作等特点，提高了学生的动手能力。

1.2.4 授课管理

授课管理模块主要面向教师使用，是教师安排课程、管理学生的重要助手。该模块由考试管理、信息管理、课程管理功能构成。教师可以通过课程管理功能安排学期课程总表，同时也可以通过专用的编辑工具，随时对总表进行修改和更新。教师编辑的课程表可发放至学生，为每个学生的学习提供可参考的规划。同时，教师也可以将教案编辑成电子教程发送至学生。教师根据教学安排组织学生考试，在线考试、在线给出成绩，并可在线答疑，实现了实时了解学生的学习培训进度和效果。

1.2.5 系统管理

任何系统都离不开系统管理模块，该模块负责整个系统的正常运行。系统管理通常为不同的用户设置不同的权限，但对于职业院校来说，系统管理功能中还必须设置院校管理、班级管理。系统管理员需要以学校、班级为层级划分管理权限，以便于学校了解教师、学生动态和各班级开展学习、实训的情况等。

1.2.6 学习管理

学习管理包括成绩管理和考试管理，由学习管理员负责。学习管理员一方面根据教师发布的教学任务和布置的考试情况在系统中统一管理、按时发布；另一方面，将学生的理论学习成绩、实训成绩等进行分类，排出名次，实时更新。

2 系统优势

2.1 全面性

机电控制仿真教学系统囊括了机电控制专业所有的理论知识、实训内容，并对这些学习内容进行分类管理，使学生更好地查询、搜索、了解自己知识上的欠缺。同时，系统集动手、动脑于一体，在一个机器上能学到全方位的知识，全面提高了学生的综合素质。

2.2 线上线下结合

该系统的虚拟仿真性能营造了一个近乎真实的操作空间，学生可以在线上学习理论知识后，即刻进行操作实训，即学即用，加深了学生对知识的理解。同时，学生能力的提高为线下岗位培养了高素质人才，解决了机电行业人才断层的问题。

如前所述，该系统分为单机版和网络版。教学一般使用单机版，学生自学采用网络版。如此一来，学生可以随时使用网络版系统进行机电知识的学习。对于课堂掌握不牢靠、不理解，实训过程中做错的项目，可以通过网络版进行多次重复学习，以加深印象，提高学习效果，达到专业学习的目的。

2.3 前沿性

系统收录的知识、视音频为最新技术动态，并根据市场需求、产业发展随时更新，满足学生学习的有效性，避免学生步入社会时自己所学知识均已过时的问题。此外，系统的本身设计就具备创新性，走在了机电教育的前沿。

2.4 系统性

知识吸收的过程无非是学、练、考、做。该系统设计满足了学习全过程的要求，系统地梳理了学生的学习要点。此外，专业化的技能模拟考核、虚拟化的模拟仿真培训、流程化的课件素材制作和个性化的自我培训管理相互配合，将理论知识学习、操作技能训练和模拟仿真实训三者完美融合，不仅能巩固学生对机电理论知识学习的理解，而且能加深学员对机电行业现场工作环境的认识，培养学员的实际动手能力，更能保证机电主要岗位职工完成相关操作技能鉴定的考核。

2.5 可扩展性

该系统基于B/S系统架构设计，客户端除IE浏览器外，无需安装其他任何程序。由于数据库强大的存储功能，可以满足教师、学生的各种学习需求。试题库和相关课程可以配置，考试内容自动生成。采用多层次体系结构和模块化技术，使得系统具有良好的可扩展性。

在实训模块中，除了开发虚拟仿真功能模块，同时开发了和实训设备硬件对应兼容的仿真实训功能模块以及通用接口，只要安装相应的仿真实训功能模块，完成对实训设备硬件的驱动之后，学员就可以直接利用该系统对各种机电工程仿真设备进行实训互动操作了。

2.6 管理完善

系统架构中将管理分为两个层次，一是系统管理，二是学习管理。层次更加明确，逻辑更加清晰。校方的管理主要针对教育资源的分配；班级的管理针对教师和学生；教师管理针对课程、考试、学生；学生的自我管理包括个人信息、考试成绩、学习计划等。

3 结 语

机电工程专业对学生和教师的要求较高，未来学生将直接接触产业前沿，对岗位的适应程度至关重要。研发一个既能满足机电理论知识学习又能进行实训的系统是目前的社会需求，同时，系统可满足校方、教师、学生各层面的管理要求，实现提高学生学习效率的目的，相信未来该系统的应用前景将十分广阔。

［1］ 王维. 关于现代教育技术与传统机电教学经验的思考[J]. 科学中国人，2015(10Z)：209，211.

［2］ 李镭. 机电工程数字化培训教育软件系统开发与应用[J]. 中国石油和化工，2009(8)：46-47.

［3］ 许菁. 基于网络环境的高职(机电)教育资源建设与应用研究一得[J]. 电子世界，2011(11)：47-48.

Design and Development of a Teaching System of Electromechanical Control Simulation

LIU Xintong1,2
(1.Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Tianjin Institute of Mechanical & Electrical Technology，Tianjin 300350，China)

The cultivation of professional quality and ability is the key to vocational education，and the production practice is certainly an inevitable link.In the paper，insufficient resource for practice，the current situation of electromechanical production practice in vocational education，was pointed out，and the development of a mechanical and electrical control simulation teaching system was presented.This paper analyzes the characteristics of architecture and advantages of the system and emphasizes that the comprehensiveness and systematicness of the system are more favorable for students’ learning of theoretical knowledge and skills.Besides，advantages of clear hierarchy，scalability and etc.make the system more favorable to the management of the college，teachers and students.Owing to its powerful functions and innovativeness，this system will have a broad application prospect in future.

electromechanical control simulation；teaching system；vocational education；skills；learning quality

TP37

：A

：1006-8945(2016)05-0060-03

2016-04-22