王亞東

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226000）

MOOC環(huán)境下電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設(shè)的探索

王亞東

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226000）

實驗實踐教學(xué)是理工科類課程教學(xué)體系中的關(guān)鍵組成部分，文章對比電機與電氣控制課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中仿真技術(shù)的運用，講述了MOOC環(huán)境下的虛擬實驗室建設(shè)，使該課程在MOOC環(huán)境下的教學(xué)達到“開放、共享、互通”的設(shè)計理念，為教學(xué)提供真實、可交互的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，構(gòu)建理論學(xué)習(xí)與實踐環(huán)節(jié)一體化的教學(xué)新體系。

MOOC；實驗實踐教學(xué)；虛擬

隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，為推進我國教育事業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)教育大國到教育強國的轉(zhuǎn)變，國家教育部頒布了一系列教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程、高職院校共享型專業(yè)教學(xué)資源庫建設(shè)等建設(shè)項目，精品視頻公開課、精品資源共享課也分別于2011年和2012年啟動，各院校以信息技術(shù)為支撐的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)得到迅猛發(fā)展。2003年4月，國家教育部啟動和實施了國家精品課程建設(shè)計劃項目，我國高校的課程建設(shè)與課程改革工作進入了發(fā)展的黃金期，在經(jīng)歷了精品課程以及精品開放課程兩個重要階段后，已經(jīng)全面進入了高校精品開放在線課程建設(shè)的新時期。大規(guī)模開放在線課程（MOOC）產(chǎn)生于以開放、共享為理念的麻省理工學(xué)院，2003年9月30日麻省理工大學(xué)開放課件（MITOCW）項目網(wǎng)站發(fā)布500門課程，標(biāo)志著開放課件項目正式啟動，開創(chuàng)了互聯(lián)網(wǎng)時代開放共享的教育理念和教育行動。2012年，MOOC（慕課）被廣為傳播，2012年甚至為稱為MOOC年。2015年教育部對于大規(guī)模在線開放課課程（MOOC）的興起，推出了新的建設(shè)應(yīng)用與管理意見。

1 MOOC環(huán)境下實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化的必要性

MOOC與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程如精品課程不同之處在于除了提供視頻資源、PPT、動畫、文本材料外，還為學(xué)習(xí)者建立交互參與機制，不同于精品課程的互動交流或答疑模塊，在每個視頻或知識點旁邊提供各種用戶交互性社區(qū)或討論區(qū)，提倡師生互動、生生討論，是一種雙向的教育模式，其核心理念是開放共享知識，在這一理念的指導(dǎo)下，成功、高效地實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享，是學(xué)習(xí)方式和方法的突破性創(chuàng)新。在這一背景下，除了開展理論課程的MOOC教學(xué)，實驗實踐性課程也應(yīng)該適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，通過MOOC的形式，使學(xué)生對實驗實踐類課程的學(xué)習(xí)進入一種全新的教學(xué)模式當(dāng)中。經(jīng)調(diào)查研究表明，通過MOOC學(xué)習(xí)文科類及計算機類課程相對容易，而對于理工科而言，由于實驗實踐環(huán)節(jié)的缺失，在僅提供課程理論學(xué)習(xí)的情況下，學(xué)生往往因過于單調(diào)、枯燥、抽象等原因而中途放棄，僅有少部分學(xué)習(xí)習(xí)慣好、目的明確的學(xué)生才能堅持完課程的學(xué)習(xí)，造成學(xué)生的大量流失，與“共享”知識的初衷不符。因此研究MOOC環(huán)境下實踐教學(xué)是非常必要的，不僅對于實驗實踐教學(xué)本身，對于輔助在線理論課程的教學(xué)也有著非常重要的作用。

2 電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設(shè)的探索

（1）課程性質(zhì)。電機與電氣控制課程是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)及電氣自動化等專業(yè)的重要技術(shù)專業(yè)課，是在電工基礎(chǔ)、機械與電氣制圖課程基礎(chǔ)上，開設(shè)的一門理論和實踐相結(jié)合的專業(yè)核心課程，目的是讓學(xué)生熟悉和掌握電機控制電路的基本環(huán)節(jié)及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生對電機及電氣、典型機床控制電路進行維修、改造和設(shè)計的能力，是培養(yǎng)電子類專業(yè)自動控制方面技能的核心精品課程，是學(xué)生參加國家職業(yè)資格技能鑒定維修電工（中級）的必備課程，同時也是參加維修電工（高級）技能鑒定的基礎(chǔ)課程，是一門注意實踐教學(xué)的課程，該課程的MOOC化也面臨著特殊問題，即如何突破實踐教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化。一般而言，演示類型的實驗內(nèi)容其MOOC化技術(shù)相對容易實驗，可通過實驗視頻、動畫、游戲軟件等可以實現(xiàn)，在實驗內(nèi)容本身的設(shè)計上通過方法的不同不斷推陳出新。而技能操作型、實驗實踐型為主的實驗則應(yīng)該結(jié)合實驗或操作環(huán)節(jié)的部分或全部虛擬化來實現(xiàn)。

（2）課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中應(yīng)用的虛擬仿真技術(shù)。在傳統(tǒng)的電機與電氣控制課程的教學(xué)中，為了能夠滿足職業(yè)需求，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，幫助學(xué)生理解器件結(jié)構(gòu)、電路工作原理等，在課程教學(xué)中，應(yīng)用了不同的電氣仿真軟件來幫助教學(xué)。①CADe_SIMU是一款設(shè)計電路的繪圖仿真軟件，可以快捷繪制電路原理圖，并實現(xiàn)電路仿真，該軟件入手簡單，學(xué)生零基礎(chǔ)也可以根據(jù)需求，選擇元器件，完成原理圖的繪制并實現(xiàn)仿真，有助于學(xué)生理解電路構(gòu)成、工作原理等。②V-ELEQ（Virtual-Electric Equipment）是一種實現(xiàn)電路設(shè)計、檢測的模擬仿真軟件。它與CADe_SIMU軟件不同的是不僅可以完成電氣控制原理圖的繪制仿真，還可以進行接線圖的繪制和仿真。學(xué)生應(yīng)用該軟件可以根據(jù)原理圖完成各電器元件的布局、連線和測試排故，其功能強大的同時，對學(xué)生繪圖知識基礎(chǔ)的要求較高，同時它的元器件圖形符號與我國的標(biāo)準(zhǔn)不同，進一步加大了學(xué)生入手的難度。③PLC仿真軟件，西門子PLC軟件仿真功能較強，三菱PLC需要軟件仿真時，在安裝編程軟件GX Developer的同時，還需安裝GX Simulator，或者直接使用三菱GXWorks2進行程序仿真，但其界面簡單，無法看到形象的輸出動作。三菱還有一款模擬仿真軟件GX-TRN-BEG-CL軟件，在同一界面上，可以進行程序編寫、仿真，并可以直接看到控制設(shè)備的動作情況，形象而直接，但可實現(xiàn)的仿真控制程序較少，無法自主的完成控制系統(tǒng)的搭建。這一類型的軟件通過虛擬儀器技術(shù)、仿真技術(shù)，使在日常的教學(xué)變得更為方便而形象，在操作真實的硬件設(shè)備之前，學(xué)生已經(jīng)有了接近于真實的操作體驗，保證了實踐教學(xué)的質(zhì)量。但這種實現(xiàn)，依然停留在物理實體層面的開放，經(jīng)以計算機技術(shù)來輔助實驗環(huán)節(jié)，還沒有突破到網(wǎng)絡(luò)層面。

（3）MOOC環(huán)境下的電機與電氣控制課程虛擬實驗室建設(shè)。電機與電氣控制精品在線開放課程的建設(shè)，在實現(xiàn)理論教學(xué)的同時，應(yīng)該構(gòu)建完善的虛擬實驗室，虛擬實驗室應(yīng)是虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)和基于WEB遠程控制的融合，用戶在精品在線開放課程的平臺上，就可以完成上述的虛擬仿真操作。目前已有部分高校初步建立了類似的虛擬實驗室，如清華大學(xué)建立的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)等，但相關(guān)系統(tǒng)并沒有獲得大規(guī)模的普及，其最大障礙是目前許多技術(shù)與MOOC或其他技術(shù)相聯(lián)系，也沒有得到整合和統(tǒng)一。電機與電氣控制的虛擬實驗室應(yīng)與eDX平臺上Websim的軟件虛擬類似，用戶在學(xué)習(xí)《電路與電子學(xué)》時，只要用鼠標(biāo)將電阻與電源連接，立刻會有虛擬的電流模擬出來，形象而直接，有助于學(xué)生理解。大連理工大學(xué)軟件工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心以及北京郵電大學(xué)虛擬仿真教學(xué)中心也有類似的應(yīng)用。

電機與電氣控制精品在線開放課程的虛擬實驗室應(yīng)能完成該課程所有的實驗實訓(xùn)操作，包括虛擬工作臺和虛擬器材庫，可以完成電機繼電器控制的原理圖繪制、仿真接線、通電調(diào)試及排故，電機PLC控制的程序編寫、接線、下載調(diào)試以及控制對象的仿真。①原理圖的繪制及仿真，該部分有助于學(xué)生理解電路結(jié)構(gòu)、工作原理及動作過程等，其元件庫應(yīng)該包含現(xiàn)有電機繼電器控制的所有器件如電源、開關(guān)、主令電器、接觸器、繼電器及電機等，可實現(xiàn)電機的起動控制、速度控制、制動控制等，仿真效果與CADe_SIMU類似（CADe_SIMU無法實現(xiàn)反接制動控制），文字符號與圖形符號應(yīng)與國家標(biāo)準(zhǔn)一致。②電機繼電器控制仿真接線與調(diào)試排故。該部分的仿真與原理圖仿真類似，但器材庫內(nèi)容更多，比如接觸器，其系列較多，如CJ、CJX等，各系列接線又有細微的差別，所以器材庫涵蓋內(nèi)容更多，至少應(yīng)與自己學(xué)校實際一致，盡量減少虛擬與實際之間的差別。學(xué)生在這一部分實訓(xùn)時，根據(jù)原理圖，選擇合適的元器件，完成元器件的布局，元器件之間的接線，通電調(diào)試，除了接線工藝外的實訓(xùn)內(nèi)容，如布局的合理性，接線的經(jīng)濟性等都應(yīng)得到體現(xiàn)。③電機PLC控制虛擬仿真。目前PLC的仿真平臺或軟件較少，功能單一，不夠形象，如三菱GX-Simulator等。該部分的仿真實訓(xùn)應(yīng)與GX-TRN-BEG-CL軟件類似，首先根據(jù)控制對象的不同，如位置控制、速度控制、方向控制等選擇輸出對象，其次完成PLC的選型及程序編寫，第三步完成PLC的I/O接線，最終下載調(diào)試，在其界面上可同時觀察到程序運行情況及輸出對象的變化。這里的PLC仿真有兩種情況，一種是把控制信號和被控制對象虛擬仿真，通過接口電路傳送至PLC，經(jīng)PLC處理后的信號，經(jīng)接口電路驅(qū)動被控對象模型實現(xiàn)相應(yīng)的控制動作，學(xué)生可以在仿真界面觀察PLC程序及被控對象的運行情況，實現(xiàn)PLC控制程序的調(diào)試，簡單點說，就是實驗平臺需要PLC硬件，其核心也是PLC，輸出設(shè)備是虛擬的；另一種是完全的虛擬PLC技術(shù)，這種技術(shù)平臺需要將虛擬PLC仿真、，虛擬通信、工業(yè)組態(tài)軟件以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機結(jié)合，用戶在無任何硬件設(shè)備的前提下，就可以完成器件選型、程序編寫、I/O連線、下載調(diào)試等一系列實驗，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)的要求。以上三種形式均要求元器件庫全面，控制對象多種多樣，這是因為一般在實驗過程中，實驗內(nèi)容一般分為基礎(chǔ)驗證型、綜合應(yīng)用型、創(chuàng)新研究型三類，學(xué)生根據(jù)課程的需求以及自身的特點，在完成基礎(chǔ)驗證、綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上，還可以通過創(chuàng)新研究型的實驗獲得拓展提高，有利于培養(yǎng)其產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)研究方面的能力。

此外，學(xué)生在實驗實踐的同時，虛擬實驗室可通過人工智能軟件或?qū)W生之間的相互評分系統(tǒng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行評測，比如實驗室可對每個學(xué)生完成項目的質(zhì)量、時間或完成度進行評分和排名，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生也可以通過相互間的觀摩、互動等形式獲得進一步的提高，而實驗管理者和教師也可以通過虛擬實驗室所記錄的學(xué)生實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，及時發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)過程中的共性問題，為進一步改進和提高實驗教學(xué)提供參考依據(jù)，充分體現(xiàn)了MOOC發(fā)展的開放性和交互性。

3 結(jié)語

慕課發(fā)展到現(xiàn)在，在線開放課程數(shù)量正在急劇增加，但其目前各在線課程主要還是以文科類為主，就算是理工科，其提供的學(xué)習(xí)內(nèi)容也是以教學(xué)視頻、PPT以及各種文字資料為主，仍然維系著傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，與MOOC的提出者所倡導(dǎo)的“開放、共享、互通”這一核心理念相距甚遠，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)本就就是工科類專業(yè)學(xué)習(xí)過程中必不可少的一部分，其本身又具有典型的互動特性，因此在慕課盛行的今天，如何將學(xué)生實踐技能納入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)節(jié)，推進實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化改革是非常必要的。要利用各種先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和教學(xué)理念，抓住機遇，建立虛擬實訓(xùn)中心、實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化平臺，為課程教學(xué)提供真實的、可交互的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，構(gòu)建理論學(xué)習(xí)與實踐環(huán)節(jié)一體化的教學(xué)新體系。

［1］鄧紅濤，查志華，田敏.“慕課”推動下的實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化改革［J］.中國電力教育，2014，（33）：114-115.

［2］孫青，艾明晶.MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學(xué)研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2014，31（8）：192-195.

［3］張亞東，王見之.慕課時代功能學(xué)實驗教學(xué)改革探索［J］.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2015，17（8）：723-725.

［4］周天沛，代洪.虛擬PLC仿真實驗平臺的設(shè)計［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，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

江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院校級課題［SY20161207-14］

王亞東（1980-），男，江蘇南通人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：自動控制。