基于“元世界”平台的电气控制虚拟仿真课程开发新模式*

任伟

河南建筑职业技术学院 河南 郑州 450064

引言

职业院校智能制造虚拟仿真实训课程建设顺应职业教育发展，满足了高水平复合型智能制造人才培养的需要，通过深化产教融合，资源整合集聚，助推了“三教”改革。但目前建设过程中，大多只进行了立体化教材资源、二维动画、在线开放课程、MOOC公开课等形式的资源开发，仍存在信息技术与职业教育教学融合不够、虚拟仿真技术在实践教学中应用水平不高，同时受制于师资、场地、安全等因素，目前实训条件存在着碎片化、简单化、分散化和失真化等缺陷[1]。另外随着技术的快速发展，学生诉求逐步从单纯的知识受众转向技术能力掌握、独立思考培养和综合素质提升。创新实训教学模式，吸引学生兴趣、提高实训教学效果、改进教学过程体验也是我们当前进行教学创新改革的迫切需要。

传统的“可编程控制技术”“电气控制技术”“变频控制技术”等实训课程采用实训箱、实训台、实训柜等纯硬件方式，可以满足正常的理论与实训演示教学，但实训室建设过程中存在“高投入、高耗材、高管理、难实操、难再现、难升级、难在线、难售后”等痛点。

1 技术方案

世界是由物质和物质的运动组成，物质可以用有限的属性被描述，可以通过借鉴以方块为基础元素构建的《我的世界》这个游戏的开发思路，以元件为基础构建虚拟仿真课程开发“元世界”平台，用“元件”来表述物质，可以是场景、角色（人）、工具、设备等，虚拟仿真实验可以表述为控制节点约束下的元件的属性变化和行为调用[2]。通过应用数字孪生理念，创新应用三维数字技术，按照以虚带实、以虚助实、虚实结合原则，构建一个电气控制系统虚拟仿真课程实训平台。该平台依托大数据、人机交互、三维建模、虚拟现实等数字化技术手段，系统的应用解决了传统实训教学手段不足，二维动画效果不强等因素制约的困境。该方案技术路线如下：①系统采用C/S（客户端/服务器）架构，客户端采用基于.NET平台的Win Form程序，一方面起到调用并定位Unity3D虚拟仿真程序的功能，又兼具Web容器功能，灵活扩展更多互联网平台的业务功能。另一方面客户端通过与服务器的数据通信，减少Unity3D虚拟仿真程序本地运行压力，增加虚拟仿真程序运行稳定性和安全性。②服务端使用的开发语言为Java，使用JavaBean+JDBC架构，数据库使用MySQL。③虚拟仿真实训终端系统软件作为协议转换中间件，以插件形式内置于虚拟仿真程序中，随主程序一起启动，用于配置IO点位进行协议转换，支持与西门子博途、三菱GXWorks2、Matlab/Simulink等外部软件进行数据通信。

仿真平台同时满足三种实训模式，即软件仿真实训模式、软硬件虚实结合仿真实训模式、硬件工艺实训模式，按知识目标培养到技术能力目标培养的教学顺序，创新地实现了接线方式从二维到三维的转变，达到国内先进水平。通过“交互式、体验式”的过程操作贯穿教学全周期，符合教学周期的自然规律。注重“教学内容”和“岗位场景”相结合，突出专业对职业的适应性。软件平台架构如图所示。

图1 软硬件构架

2 功能与应用

通过以上技术方案开发的电气控制虚拟仿真可同时满足三种实训模式，即软件仿真实训模式、软硬件虚实结合仿真实训模式、硬件工艺实训模式。三种实训模式，按顺序依次展开教学，符合教学周期的自然规律[3]。

2.1 软件仿真实训模式

以在线3D资源学习、原理认知、仿真训练等资源学习与原理仿真为主，针对学生进行的理论知识目标培养。该模式集3D资源学习、电气控制柜虚拟仿真接线训练、过程评价、增值性评价考核于一体。

2.2 软硬件虚实结合仿真实训模式

由软件仿真与硬件工艺接线共同组成，兼顾理论学习与技能训练，并以功能性验证仿真与点位接线为主，是针对学生进行的功能性验证与设计思维培养；该模式下支持25个PLC应用场景与真实PLC、触摸屏等设备进行虚实交互，支持I/O点位分配、PLC编程与Wincc组态监控。

2.3 硬件工艺实训模式

以学生的真实设备认知、动手实训实操等硬件工艺训练为主，是针对学生进行的专业技术能力培养；满足设备认知、系统设计、线缆敷设、设备安装、工艺接线、变频控制、伺服控制、步进控制、触摸屏调试、PLC编程、Wincc组态监控等内容。

3 方案应用效果

通过仿真设备认知与仿真场景训练，系统地训练学生的专业技术、实际动手、设计规划、交流沟通、团队协作、效率意识及创新思维等能力，同时培养了其严谨的工作作风和良好的职业素养。解决了多方面教学问题[4]：

3.1 “交互式、体验式”的过程操作贯穿教学全周期

将“硬件实训实操、工艺训练”“软件虚拟仿真学习与训练”“软硬件虚实结合仿真训练”等教学项目相结合，同时满足了理论教学、虚拟仿真功能性验证、硬件实训实操等教学全周期的需求，创新地实现了接线方式从二维到三维的转变，如图2所示，该模式为国内先进水平。

图2 接线方式从二维转到三维转变

3.2 “教学内容”和“行业应用”相结合，突出专业对职业的适应性

通过情景化的教学，解决了教学过程中场景资源少，教学体验差的问题。虚实训练相结合，解决了实训室只有硬件难以启用，或启用后难以恢复还原的教学现状。解决了教学过程中设备耗材成本较高、设备损坏，重复利用率低的问题。虚拟仿真环境中可以反复训练，可同步安全注意事项，人员安全得到保障。

3.3 依托学习数据，实施多维评价

解决了教学过程中只有少数人动手操作的问题，满足更多人次同时进行实训。解决了教学评价难的问题，系统自动监测学员的学习状态，收集仿真训练过程中完成的关键技能信息，自动上传至平台，并生成成绩信息，为过程评价和增值性评价提供数据支持。

4 结束语

教学平台与资源的更新是动态的和不断完善的，后期还应进一步丰富虚拟仿真设备的数量和功能，紧跟新技术、新产品的发展，完善系统的学习功能，方便学生进行独立自主学习，如开发职业资格证书对应实践考核模块，为技能鉴定提供教学和训练支撑。还可以开发更多场景，结合院校特色，重点开发土木建筑领域的电气控制场景，为建筑业升级改造提供支撑。