职业院校电气类课程教学数字化技术应用初探

莫怀训 刘晓瑞

职业教育与信息技术的融合，不仅要关注学校的教学过程，还应该关注行业发展与信息技术的结合方式。本文从电气类课程教学入手，研究在制造业数字化转型的背景下，通过信息技术与课程教学的深度融合，促进相关专业紧贴国家“十四五”期间数字化转型的要求，从而实现可持续发展。

一、升级信息化教学理念，构建数字教学工具箱

1 .教学理念需从“信息化”升级到“数字化”

面向制造业的相关专业，如机电、电气、数控、机器人等，应该在专业发展中主动转向数字化改造，相关专业课程教学与信息技术的结合方式必须与时俱进，升级转型。与信息技术结合的传统思路主要服务于“利教助学”，但是对于专业所对应的产业数字化发展需要考虑较少。例如，市面上已陆续出现了多种电气仿真软件，但教师在实际授课中并不太愿意使用，认为仿真软件对教学“帮助有限”，不如直接根据实物开展相关知识技能教学。这种思维在产业数字化的时代已然落后，某种程度上已成为专业紧贴时代发展的障碍。

针对制造业相关专业的电气类课程教学，我们应该及时升级到数字化融合理念，引入合适的电气设计与仿真软件，构建数字工具箱，合理设计教学方案，既充分发挥信息技术的传统功能——利教助学、优化过程，也将数字化制造理念——优化设计、辅助制造、数据监测等根据实际情况引入到教学中，并付诸教学实践，从而培养学生成为具有数字化制造理念的新时代制造业人才。

2 .数字化教学工具箱构建原则

要实践数字化教学，必须依赖合适的数字化工具，但目前并不存在包罗万象、适合各方面需求的单个数字化工具，因此，必须构建合适的数字化工具箱。构建数字化工具箱时，选择软件的原则主要有以下几点：其一是易于与信息技术相结合，达到利教助学的目标；其二是便于将制造全链（……设计绘图→仿真优化→选型制造……）数字化的理念引入，为培养数字化制造人才奠定基础；其三是成本具有可行性，目前市面上面向企业、行业的电气类设计、仿真及制造软件大都是专用设计，费用昂贵，在一般职业院校中推广成本很高，也未必适合教学使用。

在目前职业教育电气类课程中可以应用的相关数字化工具比较多。我们选取几个常用的经典工具，针对其突出特点、教学应用、数字化能力培养以及成本等方面进行简单对比分析。

（1）上海宇龙机电控制仿真软件

①突出特点：支持原理图、安装图、实物图绘图设计，元器件和控制对象丰富，可仿真演示；不支持辅助制造；不可自定义。②教学应用：支持在线教学，常用来辅助电气课程教学。③能力培养：可培养学生数字化设计、数字化辅助制造能力。④成本较低。

（2）西门子NX MCD

①突出特点：支持数字孪生技术，可自定义控制对象，但开发难度较大。②教学应用：可作为电气控制的对象来仿真联调。③可培养学生对于电气系统的整体设计能力。④成本较高。

（3）CADe_simu

①突出特点：支持绘图设计、常用元器件，可仿真演示；部分支持辅助制造；PLC主要支持西门子；不可自定义。②教学应用：电气类课程的原理图、安装图绘制及仿真。利教助学能力较好。③能力培养：可培养学生数字化设计、数字化辅助制造能力。④成本较低。

（4）Factory IO

①突出特点：支持数字孪生技术，可部分自定义控制对象，开发难度适中。②教学应用：可对机电系统仿真联调。3D场景逼真度高，互动性好。③能力培养：可培养学生对于电气系统及其控制对象的整体设计。④成本适中。

在实际使用中，还有V-ELEQ、电气CAD、EPLAN、Matlab等工具。我们通常可以采用以上维度对其进行对比分析，从而选择合适的工具构建数字化工具箱。另外还有一些供教育培训使用的电气仿真软件工具，不过其内容相对固定，不可根据任务需求自行设计，属于多媒体互动演示资源，并不算真正的可以培养学生数字化能力的工具。

二、重构电气课程教学内容，培养学生数字制造能力

1 .电气领域的数字制造能力浅析

电气领域的数字化制造主要是指在虚拟仿真、工业互联网等技术支撑下，快速实现产品性能满足用户需求的整个制造过程，主要包含设计数字化、装备数字化和管理数字化等三个方面。

设计数字化主要包括原理图绘制，参数化选型，自動化生成材料明细表、端子表、接线图、安装布置图、总览图等内容，以及原理仿真分析、参数优化等。管理数字化主要包括制造计划、模拟、质量检查、NC编程等。装备数字化主要是把整个制造过程涉及的装备自动化、联网化并数字化到孪生空间，方便监控、灵活调度、数据收集等。

经过研究，我们认为目前针对电气课程教学来说，需要重点培养学生具备相应的数字能力：①原理图绘制、仿真、分析及优化等。本能力是最基础的数字化能力，其他数字化能力基本都在此基础上发展而来。②数字化制造。本能力主要是在原理图或安装图的基础上进一步辅助制造，包含参数化选型、制造材料明细表生成、端子表生成、接线图生成等。③数字孪生技术。本能力是目前比较重要的数字化能力。在智能制造方面，数字孪生通过对产线或设备的仿真与验证，对产品的实际运行进行模拟，可发现潜在故障，优化产品设计等，提高产品质量，减少成本和风险。虽然数字化能力在不同的场景需求下可能还包含其他内容，不过目前比较通用和基础的能力主要是这三项。

2 .电气课程数字化教学内容的选择

在制造业类专业中，电气技术内容不仅极其重要，而且内容丰富，学习时间跨度大，从专业基础到高级应用都有，同时因为概念抽象、理论丰富，导致学习难度也很大。选择的数字化教学内容主要应满足以下条件：①满足相应层次的人才培养需要。②易于与数字化技术相结合，市面上有合适的数字化工具。③便于将制造全链（……设计绘图→仿真优化→选型制造……）数字化以及数字孪生的理念引入，为培养数字化制造人才奠定基础。

经过团队综合研究，电子技术、电气控制、电气制图、可编程控制器技术应用、工业机器人技术应用、检测技术应用、气动技术应用等课程内容均符合以上要求。其中电子技术相关知识技能模块相对独立性较强，在智能制造类专业群中也非专业核心内容，所以可以暂时不开展相关研究。而其他电气类内容可以可编程控制器技术、生产线数字化改造或数字孪生等课程为核心、以项目为抓手整体有机结合起来。

针对智能制造领域，一般的项目内容涉及控制器、人机交互系统、执行机构、工艺流程、数字仿真、自动检测等方面。因此，我们选取的内容应该符合项目整体构建的需求，在内容组织上也尽量遵循项目生命周期的顺序。

3 .融合方案的设计

在前面的研究内容基础之上，采用一一映射式的设计方法，设计出合理的深度融合方案。

方案设计基本方法：课程教学内容的单元模块、数字化工具的各基础应用、数字化设计及制造的流程环节以及实训项目尽量做到一一对应。

设计融合方案时，需解决的关键问题主要有两个：其一是加入软件工具应用之后，课时如何调配才能满足人才培养需要；其二是各类环节之间映射在实践中难以做到一一对应，有些环节根据实际情况需要压缩到一起，那么如何构造真实的映射关系，既能基本体现数字化制造的特点，传达出数字化制造的优点，还能契合学校专业特色和软件系统实际功能，是需要考虑的问题。

责任编辑  魏家坚