基于云仿真平台的理虚实一体课程改革实践

吕家将

九江职业技术学院，江西九江 332007

1 理虚实一体教学概念

目前，“学做一体”的理实一体化教学模式已基本替代了理论加实验验证的传统教学模式，教学效果得到认同[1]。但也暴露出设备投资大、更新升级难、场地周转难、安全隐患高、教学管理难等问题[2]。基于虚拟仿真技术，部分学者探索了“理虚实”一体化教学模式。“理虚实”一体化教学是在理实一体教学过程中导入虚拟仿真技术，以虚拟训练项目和实训工厂中的真实操作项目为载体，将理论讲授与实训教学紧密衔接起来。学生通过虚拟项目训练对装置、设备、工艺流程及操作产生一定认识后进入真实操作阶段，进一步强化专业技能[3]。

严水荷在理实一体教学基础上，营建“多平台互通、多资源共享”的信息化环境，构建了“理虚实一体化”的中职会计信息化教学模式[4]；柯玲对基于德国“双元制”的理虚实一体人才培养模式的框架和核心要素进行了解读，并在成都工业职业技术学院进行了实践验证[5]；叶向群探讨了以云课堂和虚拟仿真实验软件为代表的“理虚实”一体化教学思路的意义和发展方向[6]。

2 基于理虚实一体教学的PLC控制技术课程改革思路

传统PLC控制技术教学一般划分为理论学习和技能实训两大部分。理论学习时，由于缺少及时训练，知识掌握不够透彻，而技能实训时，又因为理论知识掌握不够，而感觉无从下手，教学效果不佳。目前，很多学校采取“学做一体”教学方式，让学生在任务完成过程中，加深对知识点的理解，及时掌握所学内容，但存在“教师管理老大难、学生参与靠自觉、教学效果看个人”的情况。另外，目前PLC教材存在过于强调知识体系的齐备、重点不够突出、案例工程性偏弱、任务驱动力度不彻底等问题。针对上述问题，确定了PLC控制技术课程教学改革思路。

第一，紧扣岗位技能标准确定课程内容，提高课程内容的先进性和实用性。

第二，任务驱动形式组织教学内容，且任务载体应为学生易理解、趣味性强或具有工程特性的，助力学生实现从了解知识到应用知识的转变。

第三，开发云仿真平台，解决PLC实训教学设备不足和实践教学组织与评价困难的问题，拓展学习的时间和空间维度。

第四，精心打磨颗粒化数字资源，实施基于云仿真平台的理虚实一体课程教学。

3 基于理虚实一体教学的PLC控制技术课程改革具体举措

3.1 课程内容与载体选择

分析机电设备装调岗位中PLC控制系统设计与调试典型工作任务，遵循学生认知规律，按照由浅入深、由简单到复杂的原则，分解并优选PLC编程典型环节，认真分析PLC教学需要掌握的知识和技能点。课程内容分为四大模块，一为基本指令篇，包括触点、线圈、定时器和计数器等逻辑控制内容；二为功能指令篇，包括传送类、比较类和运算类功能指令等数据处理内容；三为状态编程篇，包括顺控编程思路、状态流程图、SFC编程格式等内容；四是拓展应用篇，包括模拟量编程、高速脉冲输出等实际工业设备PLC控制系统设计等内容。

根据贴近工程实际和便于技能训练的需求，从经典编程案例、企业工程项目分解和技能竞赛内容教学化改造等几方面考虑，优选任务载体。如“竞赛抢答器控制”和“交通灯控制”为学生熟悉的经典编程案例，便于学生理解，提高学生兴趣。“设备三色灯控制”“生产线产品分拣控制”则为企业工程项目分解案例，帮助学生提前熟悉工业控制环节。“智能料仓出料控制”和“成品入库堆垛机控制”则是对技能竞赛内容进行教学化改造的案例，旨在提升学生编程水平。

3.2 PLC控制云仿真平台搭建

基于VPN技术，校企联合开发云仿真平台，如图1所示。以云服务的形式提供配套在线仿真训练资源，用户可以像拥有实际硬件那样进行PLC编程控制、硬件接线等操作。遵循PLC控制系统设计流程，每个仿真资源包含4个仿真环节：控制要求、I/O端口分配、电路设计和编程验证。

控制要求环节如图1（a）所示，提供仿真场景，明确控制对象和任务，并通过仿真动画的形式，将最终需要实现的控制目标直观表达。

I/O端口分配环节如图1（b）所示，用户根据控制要求自定义分配输入/输出元器件名称和PLC输入/输出端地址。

电气设计环节如图1（c）所示，提供各种虚拟控制器件，如PLC、电源、按钮和电动机等。用户可通过左边的元件导航区自由选择元件符号，并自由拖拽到平面场景中，元件可根据需要进行单独的缩放操作，还可查看内部结构图，清楚元件原理和触点布置。元件摆放完成后，通过点击元件的相应端口进行连线。

编程验证环节如图1（d）所示，将PLC程序写入云平台的PLC后，点击左侧控制面板中的按钮等元器件，场景中的动画做出相应动作，同时右侧“端口状态显示”栏的信息将实时更新。

3.3 基于云仿真平台的理虚实一体教学实践

利用课程配套的在线开放课和云仿真平台，课程教学基本流程以“三相异步电机点长动控制”为例，说明其详细教学过程。课前，教师在线发布预习通告，让学生观看微课《PLC编程原则与注意事项》和《辅助继电器M与点长动控制编程思路》，通过测验分析其薄弱点及难点，便于课中能够对症下药、重点分析。课中，第一环节：分组汇报，问题引出。教师回顾点动和长动控制程序，学生小组讨论优化程序并汇报，教师点评各小组方案，并引出“双线圈”问题。第二环节：理论学习，知识积累。从工作原理出发，教师分析“双线圈”导致的后果，进一步加强学生对PLC工作原理的理解，并总结PLC编程特点、原则和注意事项，总结辅助继电器M特点及其应用，强调M的中间转换功能，初步描述点长动控制编程思路。第三环节：平台仿真，全员参与。教师示范点长动控制任务仿真流程，并通过MINT云仿真平台，布置仿真任务：I/O分配——编程验证。学生完成平台任务并提交。第四环节：任务实践，技能提升。示范实验箱PLC接线方法及PLC程序下载方法。学生分组，完成点长动控制任务。第五环节：总结分析，重点强化。教师发布测验，摸底学生掌握程度。学生对课堂内容和学习情况进行总结，并分享学习心得。最后教师总结本次课教学内容，并布置课后任务。课后，通过MINT云仿真平台完成拓展任务，强化重点难点。

4 基于理虚实一体教学的PLC控制技术课程改革思考

配合在线公开课和校本教材，九江职业技术学院机电创新2001班实施了基于MINT云平台的理虚实一体教学改革实践。借助虚拟仿真手段，提供丰富的应用场景和训练任务安排，解决PLC实训教学设备不足和硬件教学组织困难的问题，明显提升学生兴趣，并能够拓展学习的时间和空间维度，教学反响良好。为保证理虚实一体教学的顺利开展，下面几点需要注意。

第一，合理安排课中与课后任务，保证教学内容的完整性。

第二，云平台、数字资源与教材需进行一体化设计。且云平台必须具备实训练习和管理功能，以确保每名学生都能够参与教学活动全过程。

第三，采用线上线下混合教学方法，考核贯穿整个学习过程。课前测验、课中过程考核、课后在线作业等多元化考核方式，帮助教师不断优化教学设计。