MOOC环境下电机与电气控制课程虚拟实验室建设的探索

王亚东

（江苏商贸职业学院，江苏 南通 226000）

MOOC环境下电机与电气控制课程虚拟实验室建设的探索

王亚东

（江苏商贸职业学院，江苏 南通 226000）

实验实践教学是理工科类课程教学体系中的关键组成部分，文章对比电机与电气控制课程传统教学模式中仿真技术的运用，讲述了MOOC环境下的虚拟实验室建设，使该课程在MOOC环境下的教学达到“开放、共享、互通”的设计理念，为教学提供真实、可交互的网络实验环境，构建理论学习与实践环节一体化的教学新体系。

MOOC；实验实践教学；虚拟

随着信息技术的持续发展，为推进我国教育事业的发展，实现教育大国到教育强国的转变，国家教育部颁布了一系列教学质量与教学改革工程、高职院校共享型专业教学资源库建设等建设项目，精品视频公开课、精品资源共享课也分别于2011年和2012年启动，各院校以信息技术为支撑的网络课程建设得到迅猛发展。2003年4月，国家教育部启动和实施了国家精品课程建设计划项目，我国高校的课程建设与课程改革工作进入了发展的黄金期，在经历了精品课程以及精品开放课程两个重要阶段后，已经全面进入了高校精品开放在线课程建设的新时期。大规模开放在线课程（MOOC）产生于以开放、共享为理念的麻省理工学院，2003年9月30日麻省理工大学开放课件（MITOCW）项目网站发布500门课程，标志着开放课件项目正式启动，开创了互联网时代开放共享的教育理念和教育行动。2012年，MOOC（慕课）被广为传播，2012年甚至为称为MOOC年。2015年教育部对于大规模在线开放课课程（MOOC）的兴起，推出了新的建设应用与管理意见。

1 MOOC环境下实验教学网络化的必要性

MOOC与传统网络课程如精品课程不同之处在于除了提供视频资源、PPT、动画、文本材料外，还为学习者建立交互参与机制，不同于精品课程的互动交流或答疑模块，在每个视频或知识点旁边提供各种用户交互性社区或讨论区，提倡师生互动、生生讨论，是一种双向的教育模式，其核心理念是开放共享知识，在这一理念的指导下，成功、高效地实现优质教育资源共享，是学习方式和方法的突破性创新。在这一背景下，除了开展理论课程的MOOC教学，实验实践性课程也应该适应这一发展趋势，通过MOOC的形式，使学生对实验实践类课程的学习进入一种全新的教学模式当中。经调查研究表明，通过MOOC学习文科类及计算机类课程相对容易，而对于理工科而言，由于实验实践环节的缺失，在仅提供课程理论学习的情况下，学生往往因过于单调、枯燥、抽象等原因而中途放弃，仅有少部分学习习惯好、目的明确的学生才能坚持完课程的学习，造成学生的大量流失，与“共享”知识的初衷不符。因此研究MOOC环境下实践教学是非常必要的，不仅对于实验实践教学本身，对于辅助在线理论课程的教学也有着非常重要的作用。

2 电机与电气控制课程虚拟实验室建设的探索

（1）课程性质。电机与电气控制课程是应用电子技术专业及电气自动化等专业的重要技术专业课，是在电工基础、机械与电气制图课程基础上，开设的一门理论和实践相结合的专业核心课程，目的是让学生熟悉和掌握电机控制电路的基本环节及PLC控制系统设计，培养学生对电机及电气、典型机床控制电路进行维修、改造和设计的能力，是培养电子类专业自动控制方面技能的核心精品课程，是学生参加国家职业资格技能鉴定维修电工（中级）的必备课程，同时也是参加维修电工（高级）技能鉴定的基础课程，是一门注意实践教学的课程，该课程的MOOC化也面临着特殊问题，即如何突破实践教学的网络化。一般而言，演示类型的实验内容其MOOC化技术相对容易实验，可通过实验视频、动画、游戏软件等可以实现，在实验内容本身的设计上通过方法的不同不断推陈出新。而技能操作型、实验实践型为主的实验则应该结合实验或操作环节的部分或全部虚拟化来实现。

（2）课程传统教学模式中应用的虚拟仿真技术。在传统的电机与电气控制课程的教学中，为了能够满足职业需求，培养学生实践能力，帮助学生理解器件结构、电路工作原理等，在课程教学中，应用了不同的电气仿真软件来帮助教学。①CADe_SIMU是一款设计电路的绘图仿真软件，可以快捷绘制电路原理图，并实现电路仿真，该软件入手简单，学生零基础也可以根据需求，选择元器件，完成原理图的绘制并实现仿真，有助于学生理解电路构成、工作原理等。②V-ELEQ（Virtual-Electric Equipment）是一种实现电路设计、检测的模拟仿真软件。它与CADe_SIMU软件不同的是不仅可以完成电气控制原理图的绘制仿真，还可以进行接线图的绘制和仿真。学生应用该软件可以根据原理图完成各电器元件的布局、连线和测试排故，其功能强大的同时，对学生绘图知识基础的要求较高，同时它的元器件图形符号与我国的标准不同，进一步加大了学生入手的难度。③PLC仿真软件，西门子PLC软件仿真功能较强，三菱PLC需要软件仿真时，在安装编程软件GX Developer的同时，还需安装GX Simulator，或者直接使用三菱GXWorks2进行程序仿真，但其界面简单，无法看到形象的输出动作。三菱还有一款模拟仿真软件GX-TRN-BEG-CL软件，在同一界面上，可以进行程序编写、仿真，并可以直接看到控制设备的动作情况，形象而直接，但可实现的仿真控制程序较少，无法自主的完成控制系统的搭建。这一类型的软件通过虚拟仪器技术、仿真技术，使在日常的教学变得更为方便而形象，在操作真实的硬件设备之前，学生已经有了接近于真实的操作体验，保证了实践教学的质量。但这种实现，依然停留在物理实体层面的开放，经以计算机技术来辅助实验环节，还没有突破到网络层面。

（3）MOOC环境下的电机与电气控制课程虚拟实验室建设。电机与电气控制精品在线开放课程的建设，在实现理论教学的同时，应该构建完善的虚拟实验室，虚拟实验室应是虚拟技术、仿真技术和基于WEB远程控制的融合，用户在精品在线开放课程的平台上，就可以完成上述的虚拟仿真操作。目前已有部分高校初步建立了类似的虚拟实验室，如清华大学建立的汽车发动机检测系统等，但相关系统并没有获得大规模的普及，其最大障碍是目前许多技术与MOOC或其他技术相联系，也没有得到整合和统一。电机与电气控制的虚拟实验室应与eDX平台上Websim的软件虚拟类似，用户在学习《电路与电子学》时，只要用鼠标将电阻与电源连接，立刻会有虚拟的电流模拟出来，形象而直接，有助于学生理解。大连理工大学软件工程虚拟仿真实验教学中心以及北京邮电大学虚拟仿真教学中心也有类似的应用。

电机与电气控制精品在线开放课程的虚拟实验室应能完成该课程所有的实验实训操作，包括虚拟工作台和虚拟器材库，可以完成电机继电器控制的原理图绘制、仿真接线、通电调试及排故，电机PLC控制的程序编写、接线、下载调试以及控制对象的仿真。①原理图的绘制及仿真，该部分有助于学生理解电路结构、工作原理及动作过程等，其元件库应该包含现有电机继电器控制的所有器件如电源、开关、主令电器、接触器、继电器及电机等，可实现电机的起动控制、速度控制、制动控制等，仿真效果与CADe_SIMU类似（CADe_SIMU无法实现反接制动控制），文字符号与图形符号应与国家标准一致。②电机继电器控制仿真接线与调试排故。该部分的仿真与原理图仿真类似，但器材库内容更多，比如接触器，其系列较多，如CJ、CJX等，各系列接线又有细微的差别，所以器材库涵盖内容更多，至少应与自己学校实际一致，尽量减少虚拟与实际之间的差别。学生在这一部分实训时，根据原理图，选择合适的元器件，完成元器件的布局，元器件之间的接线，通电调试，除了接线工艺外的实训内容，如布局的合理性，接线的经济性等都应得到体现。③电机PLC控制虚拟仿真。目前PLC的仿真平台或软件较少，功能单一，不够形象，如三菱GX-Simulator等。该部分的仿真实训应与GX-TRN-BEG-CL软件类似，首先根据控制对象的不同，如位置控制、速度控制、方向控制等选择输出对象，其次完成PLC的选型及程序编写，第三步完成PLC的I/O接线，最终下载调试，在其界面上可同时观察到程序运行情况及输出对象的变化。这里的PLC仿真有两种情况，一种是把控制信号和被控制对象虚拟仿真，通过接口电路传送至PLC，经PLC处理后的信号，经接口电路驱动被控对象模型实现相应的控制动作，学生可以在仿真界面观察PLC程序及被控对象的运行情况，实现PLC控制程序的调试，简单点说，就是实验平台需要PLC硬件，其核心也是PLC，输出设备是虚拟的；另一种是完全的虚拟PLC技术，这种技术平台需要将虚拟PLC仿真、，虚拟通信、工业组态软件以及网络技术有机结合，用户在无任何硬件设备的前提下，就可以完成器件选型、程序编写、I/O连线、下载调试等一系列实验，满足学生自主学习和自我学习的要求。以上三种形式均要求元器件库全面，控制对象多种多样，这是因为一般在实验过程中，实验内容一般分为基础验证型、综合应用型、创新研究型三类，学生根据课程的需求以及自身的特点，在完成基础验证、综合应用的基础上，还可以通过创新研究型的实验获得拓展提高，有利于培养其产品开发和科学研究方面的能力。

此外，学生在实验实践的同时，虚拟实验室可通过人工智能软件或学生之间的相互评分系统对学生的学习效果进行评测，比如实验室可对每个学生完成项目的质量、时间或完成度进行评分和排名，充分调动学生的学习积极性，学生也可以通过相互间的观摩、互动等形式获得进一步的提高，而实验管理者和教师也可以通过虚拟实验室所记录的学生实验数据进行统计和分析，及时发现实验教学过程中的共性问题，为进一步改进和提高实验教学提供参考依据，充分体现了MOOC发展的开放性和交互性。

3 结语

慕课发展到现在，在线开放课程数量正在急剧增加，但其目前各在线课程主要还是以文科类为主，就算是理工科，其提供的学习内容也是以教学视频、PPT以及各种文字资料为主，仍然维系着传统的课堂教学模式，与MOOC的提出者所倡导的“开放、共享、互通”这一核心理念相距甚远，实验教学环节本就就是工科类专业学习过程中必不可少的一部分，其本身又具有典型的互动特性，因此在慕课盛行的今天，如何将学生实践技能纳入网络教学环节，推进实践教学网络化改革是非常必要的。要利用各种先进的网络技术和教学理念，抓住机遇，建立虚拟实训中心、实践教学网络化平台，为课程教学提供真实的、可交互的网络实验环境，构建理论学习与实践环节一体化的教学新体系。

［1］邓红涛，查志华，田敏.“慕课”推动下的实践教学网络化改革［J］.中国电力教育，2014，（33）：114-115.

［2］孙青，艾明晶.MOOC环境下开放共享的实验教学研究［J］.实验技术与管理，2014，31（8）：192-195.

［3］张亚东，王见之.慕课时代功能学实验教学改革探索［J］.基础医学教育，2015，17（8）：723-725.

［4］周天沛，代洪.虚拟PLC仿真实验平台的设计［J］.工业仪表与自动化装置，2016，（2）：77-79.

Exploration of Virtual Laboratory Construction of Motor and Electrical Control Course in MOOC Environment

WANG Ya-dong
（Jiangsu Business College，Nantong，Jiangsu 226000，China）

The experimental practice teaching is the key part of the teaching system of science and engineering course.The comparison of the simulation technology in the traditional teaching mode of the motor and electrical control course describes the construction of the virtual laboratory in the MOOC environment，so that the course in the MOOC environment under the teaching to achieve“open，shared，inter-operable”design concept for teaching，which provides a real，interactive network experimental environmentto build a theoretical learning and practice integration of the new teaching system.

MOOC；experimental practice teaching；virtual

G434

A

2095-980X（2017）02-0188-02

2017-02-07

江苏商贸职业学院校级课题［SY20161207-14］

王亚东（1980-），男，江苏南通人，大学本科，讲师，主要研究方向：自动控制。