基于虚拟现实技术的实例化教学模式的探索——以“过程控制系统”课程为例

(北京林业大学工学院，北京 100083)

“过程控制系统”课程是北京林业大学工学院自动化专业本科学生的重要专业必修课程之一，是自动化专业中直接面向实际工程与工业生产需求，且理论联系实际的课程。该课程注重培养学生掌握工业自动化控制系统的独立设计能力、系统分析与实践能力。

在林业领域中，过程控制技术被广泛应用于各类生产环节，如林木采集加工、林产化工工艺、森林食品制造以及林产品运输等方面。对于上述不同的工业生产过程，被控对象的特性与控制需求各不相同，因此需要因地制宜地设计不同的控制系统。如何将“过程控制系统”课程讲授的理论知识与上述实际系统进行有效的结合、如何通过实际工业过程辅助学生深入理解理论知识，是该课程发展的瓶颈，也成为培养学生工程性思维的主要障碍。因此，对“过程控制系统”课程教学模式进行有效地改革就显得至关重要。该课程合理化的改革不仅提升学生的学习兴趣，激发学生专业认同性，而且还可增加该课程的生动性，提高教师工作效率，保证教学质量。

一、“过程控制系统”课程教学面临的问题

目前，“过程控制系统”课程主要是大三本科生的专业基础课程，是“自动控制原理”“现代控制理论”等课程的后续课程。“过程控制系统”课程的主要教学模式包括课堂理论知识教学与实验室教学等。就现行教学模式而言，其面临着理论与实际脱节、缺少直观性认知、实践单一等问题。

(一)理论与实际脱节

“过程控制系统”课程的理论授课内容通常包括单多容系统、串级回路、延迟系统、多变量系统、集散系统的分析和控制器设计等；实践教学环节通常由温度控制系统与液位控制系统等组成。在工程教育认证需求目标下，“过程控制系统”课程教学明显缺失2个重要环节：①如何将理论知识中的数学模型、理想控制方法与真实物理系统相联系；②如何将实践环节中的单一化实验系统与实际生产系统相匹配。因此，只有将该课程课堂教学与实际应用环节相辅相成、形成有效的“前馈-反馈”结构，才能有效地做到理论联系实际，才能在工作过程中充分利用所学到的知识解决现实问题。该课程理论与实践的脱节不仅导致教师耗费大量的时间进行理论与实验的衔接，而且还导致学生花费额外的精力进行知识与现实的链接。

(二)缺少直观性认知

“过程控制系统”课程所面向的本科生一直局限于学校课堂教学环境，尚未经历实习过程，因此缺乏对实际工业生产过程与工艺的认知。在“过程控制系统”课程实际教学过程中，学生对于工程过程的理解只能依赖于过往知识的储备、教师的机械化讲解或多媒体辅助展示，学生很难形成直观的、长期的记忆[1]。

(三)实践教学环节单一

“过程控制系统”课程面向的是工业自动化生产过程，研究的对象通常是大型生产设备、工业系统，甚至整个生产车间，其控制过程通常具有大延迟、大迟滞等特性。而该课程受课时、实验场地、安全性、设备价格等条件限制，无法开展大规模复杂实验，只能退而求其次地选择简单的单变量过程控制实验，即温度或液位控制系统实验。即使此类简化的实验，也往往因价格高昂无法开设，导致学生的理论知识向生产实际转化受阻。

二、虚拟现实技术在“过程控制系统”课程教学中的应用

在北京林业大学工学院的“过程控制系统”课程中，笔者充分调研了虚拟现实技术在教学领域的发展现状，针对“过程控制系统”课程教学面临的上述问题，积极探索了虚拟现实技术下的“过程控制系统”新型实例化教学模式，并利用虚拟现实平台Factory IO进行了初步的实例化教学。

(一)虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是一类依靠计算机软件技术发展的虚拟化环境构建技术，实现了人与机器、现实与虚拟世界的深度沉浸式交互[2]。虚拟现实技术起源于20世纪50年代，并于近年来得到快速发展，尤其是在工业虚拟化仿真领域得到了尤为快速的发展。虚拟现实技术使得工业过程具备测试价格低廉、故障可重复以及安全性高等优点，已在工业领域实现广泛应用，深入到大规模工业生产的各个环节，如化工、航空航天、林业工程等领域[3]。

(二)虚拟现实技术在教学领域的应用

许多高校都尝试将虚拟现实技术引入到教学环节中，但仍然局限在部分计算机类专业的课程[4]。近年，随着虚拟现实技术的迅猛发展，以及高性能便携式计算设备的普及，有学者开始探索面向其他工学课程的虚拟现实技术来辅助教学实践工作[5]，并实现了部分基础级仿真教学，使得虚拟现实技术向着符合工程教育认证培养需求方向迈进了一大步。

单就“过程控制系统”课程而言，虚拟现实技术为解决前文所述的各种问题提供了一条可行性途径。依靠虚拟现实技术构建的虚拟化空间，使得“过程控制系统”课程的多样化发展成为可能。目前，已有部分教学人员在该领域进行了初步探索[6]，但受限于当时虚拟现实技术的发展情况，该探索仅能提供课堂的辅助教学，无法开展配套的操作性训练。

事实上，虚拟现实技术在“过程控制系统”课程教学中具备许多待挖掘的优势与潜在价值。①虚拟现实技术可增强知识的直观性感受。虚拟现实技术可以在理论教学环节模拟完整的、可控的工厂车间虚拟环境，这一虚拟环境带来的直观性感受明显优于当前教学中所采用的图片、视频等传统多媒体技术。同时，具备可控性的虚拟环境可以充分模拟工业生产、现场在线调试、故障诊断处理等多种过程，学生通过在虚拟环境下的随堂实践训练，可以有效地培养工程化思维模式、训练发现问题解决问题的能力。②虚拟现实技术可以在跨尺度层面扩展教学内容。全自动化工厂车间的工业设备通常是技术高度集成、设备高度封装以及环境高度封闭的。所以，即使身处真实的工厂环境，也无法了解设备的运行规则与工作状态。而虚拟现实技术却可以提供零件级别的虚拟化工厂环境，实现从大型设备整体到基础零件的跨尺度展示与分析，学生可以充分“深入”到设备之中，理解工厂生产中的所有控制过程。③虚拟现实技术使得实践教学的定制化、多元化成为可能。虚拟工厂仅通过简单的软件组件替换，就可以实现实践环境的任意变换与升级，因此可以快速将课堂“搬入”到任意的现代化工厂中。利用虚拟现实技术，实践教学将向着多元化、定制化方向发展。多元化、定制化的实践教学保证了学生可以根据自身兴趣或职业定位需求来选择个性化的实验内容。同时，虚拟现实技术下的实践教学环境可以无缝贴合实际工厂生产过程，从工程化思维层面为学生后续就业提供支撑，并增强就业核心竞争力。

(三)基于Factory IO虚拟平台的实例化教学模式的探索

1.Factory IO虚拟现实平台

Factory IO虚拟现实平台是由美国Real Games公司开发的一款面向自动化技术教育的3D虚拟化工厂软件。该平台内嵌80余种工业部件，涵盖20多种主流工厂场景，具备快速构建虚拟化工厂的能力。通过该平台提供的数字化虚拟仪器，如虚拟PLC、单片机等，可以模拟工厂的全部自动化过程。该平台目前主要被用于工厂虚拟运行实验以及PLC教学训练等众多场合。

2.基于Factory IO虚拟平台的实例化理论教学模式

首先，笔者利用Factory IO提供的各类工业部件、接口以及预设场景，搭建了符合“过程控制系统”课程需求的新型虚拟化教具，涵盖了多种工厂环境、实践环境。其次，在“过程控制系统”课程课堂中，笔者使用上述虚拟化教具，通过跨尺度缩放、视场旋转、控制过程单步调试等手段，加深了学生对“过程”与“控制”概念的理解。最后，探索了虚拟化交互式教学方法：教师依靠Factory IO所提供的网络化分发功能，向学生发布定向实践要求；学生在虚拟环境中独立在线完成规定操作。

下面笔者以“过程控制系统”课程的“单、双容过程的控制与PID调节”一节内容为例，对上述教学模式进行介绍。这一节的内容主要讲授单水箱受控模型、串级水箱受控模型以及控制系统设计方法。传统手段是通过公式推导、图像动画展示、计算软件数值仿真来辅助学生理解。但学生的反馈表明，该部分内容略显枯燥，只能机械化地记忆这些知识。因此，笔者依靠Factory IO提供的各类控件搭建了如图1所示的虚拟化教学平台。

图1 “过程控制系统”课程虚拟化教学平台

该平台由两个虚拟水箱组成，具备独立操作与互操作功能。在课前，学生通过网络系统获取教师分发的仿真环境，并进行独立操作，如注水、放水、控制器参数整定等。学生在探索系统特性的过程中完成课前预习。在课程中，教师讲解并同步操作虚拟设备，如修正PID控制的不同参数、观察系统的被控效果等。这有助于加强学生直观性记忆与抽象记忆的紧密联系，形成体系化的知识结构。课后，学生继续依靠虚拟化系统复习巩固课程内容，并能够开展教师指定的简单科研活动，如探索系统非线性特征、设计先进控制方法、分析数字与模拟系统的区别，等等。这种具备网络化互操作能力的教具与教学模式是“互联网+”技术在教学领域的充分实践。

3.基于Factory IO虚拟平台的实例化实践教学模式

在“过程控制系统”课程实验与课程设计等实践类课程中，笔者进一步依托Factory IO探索了新型实践教学模式，设计了涵盖该课程所有知识点的实验内容与测试体系，具体见表1。

表1 Factory IO环境下“过程控制系统”课程的实验体系

笔者所设计的实践教学模式借鉴了航空飞行员地面模拟训练的方法，包含常规性实验与故障诊断实验，克服了以往实践类课程教学效果无法量化、考核手法单一等缺点。而学生在此实践教学模式中除了完成常规性实验内容以外，还能够充分学习与掌握系统在线调试、故障诊断等相关内容。①常规性实验。通过Factory IO提供的监控模式，学生可以完成常规性实验，教师可以实时监控学生的实验过程，获取学生的实验结果，设定预设指标实现成绩量化与自动评定。②故障诊断实验。基于Factory IO提供的故障诊断模式，学生可以完成故障诊断实验，教师可以远程将学生的实验对象设定为预设的故障模式，如将水箱入水阀门设定为卡死状态等，学生需要在线诊断、调试并解决故障。故障诊断实验主要考察锻炼学生在线故障辨识、分析与解决的能力，同时还能根据故障等级与解决效果量化评估学生的实验能力。

三、基于虚拟现实技术的实例化教学模式在“过程控制系统”课程教学中的实施效果

对于所提出的“过程控制系统”课程虚拟现实技术实例化教学模式，笔者在北京林业大学工学院对部分学生进行了试点化教学探索。通过课后问卷调查与教学反馈，笔者发现虚拟现实技术实例化教学模式在吸引学生兴趣、课程设计创新程度等方面取得了一定扩展，并极大地降低了实验费用。虚拟现实技术实例化教学模式将力图全面服务于北京林业大学“过程控制系统”课程与课程设计。鉴于时间与能力所限，所开发的实验环境仍然有待进一步深入与加强，不过随着探索的深入以及软件平台的更新发展，笔者相信虚拟现实技术实例化教学模式在“过程控制系统”课程等相关自动化专业的其他课程中将得到更广泛的关注。

笔者相信，未来虚拟现实技术将无缝地融入到自动化专业相关课程的教学环节中，同时基于虚拟现实技术的课程辅助软件和设备将会得到进一步发展，这一潮流趋势符合我国未来“互联网+”环境下网络化教学发展的需求[7]。