鄭 淵

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404）

疫情防控常態(tài)化背景下，線上線下混合式教學(xué)模式已經(jīng)在高職教育教學(xué)中推廣普及，通過現(xiàn)代信息化技術(shù)手段，將在線教學(xué)和傳統(tǒng)“線下教學(xué)”的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，促進(jìn)了知識(shí)的內(nèi)化吸收，提高了教學(xué)效率。但是對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的電氣類課程來講，線上實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為混合式教學(xué)模式中的薄弱環(huán)節(jié)，因此如何有效提高線上實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果已經(jīng)成為PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)等電氣類課程混合式教學(xué)模式改革亟待解決的問題。[1]

一、傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式存在的問題

實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生動(dòng)手能力的主要途徑，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)一般是教師在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室示范操作后學(xué)生再分組練習(xí)，這種實(shí)踐教學(xué)方式存在以下幾個(gè)突出的問題：

（一）教師示范操作的有效性不高

學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐之前一般需要教師先示范操作，但是一方面由于空間較大導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)室后面部分學(xué)生難以看清教師的示范操作或者難以聽清技術(shù)要點(diǎn)，另一方面由于教師部分演示操作可能步驟較為繁瑣，部分學(xué)生沒有全部記住。由于以上兩方面的原因?qū)е聦W(xué)生容易在實(shí)際操作中出現(xiàn)問題，降低了教師示范操作的有效性。

（二）校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)不足

由于同時(shí)開設(shè)PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)課程的班級(jí)較多，所以PLC實(shí)訓(xùn)設(shè)備還是存在相對(duì)不足的情況，一般是2～3個(gè)人共用1個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)，每學(xué)期能安排15～20次左右的實(shí)訓(xùn)，每個(gè)學(xué)生的平均實(shí)踐課時(shí)比例僅占總課時(shí)的20～30%，影響了學(xué)生實(shí)踐能力的提升。實(shí)際上由于設(shè)備成本以及占地面積等原因，大部分實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室很難做到人均一臺(tái)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，從而導(dǎo)致學(xué)生的平均動(dòng)手實(shí)操時(shí)間降低。

（三）實(shí)訓(xùn)設(shè)備利用率不高

與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課上人均動(dòng)手時(shí)間相矛盾的是，受到課程開課學(xué)期等因素的影響，實(shí)訓(xùn)室的總體利用率不高。例如PLC實(shí)訓(xùn)室在PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)課程集中開設(shè)的上學(xué)期利用率能達(dá)到70～80%左右，而在下學(xué)期的利用率則在20～30%左右，在周末以及晚自習(xí)時(shí)間段，設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)。

（四）難以適應(yīng)疫情防控背景下的實(shí)踐教學(xué)

在疫情防控常態(tài)化背景下，必須做好不在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)開展實(shí)踐教學(xué)的準(zhǔn)備，這是傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式無法達(dá)成的，必須借助虛擬仿真以及現(xiàn)代信息化技術(shù)手段才能實(shí)現(xiàn)。

基于以上原因，有必要開展基于虛擬仿真和現(xiàn)代信息化技術(shù)手段的線上實(shí)踐教學(xué)模式改革。

二、線上實(shí)踐教學(xué)模式改革

通過近兩年的實(shí)踐教學(xué)改革，探索了通過線上直播軟件、虛擬仿真軟件以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等信息化技術(shù)手段開展實(shí)踐教學(xué)等方式，取得了良好的教學(xué)效果。

（一）利用超星學(xué)習(xí)通線上直播操作示范

教師在示范演示PLC的外部接線、變頻器參數(shù)設(shè)置以及電氣故障檢測(cè)等操作步驟時(shí)，可以打開學(xué)習(xí)通APP或者頭戴式直播設(shè)備進(jìn)行線上直播，使得包括遠(yuǎn)程居家學(xué)習(xí)在內(nèi)的全部學(xué)生都能清楚地看到和聽到教師的示范操作和技術(shù)要點(diǎn)。學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)通直播的回放功能反復(fù)觀看教師示范，看清楚每一個(gè)細(xì)節(jié)，從而提高教師示范的有效性。學(xué)生也可以通過平臺(tái)向老師請(qǐng)教問題或者上傳自己的操作視頻，邀請(qǐng)老師或其他同學(xué)評(píng)價(jià)，增加師生以及生生之間的互動(dòng)，完善課程考核評(píng)價(jià)體系。

（二）利用純仿真軟件進(jìn)行線上實(shí)踐教學(xué)

利用宇龍機(jī)電虛擬仿真軟件可以進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的外部接線以及虛擬編程調(diào)試，如圖1所示。學(xué)生可以自己選擇PLC以及按鈕、開關(guān)、接觸器等各種類型的低壓電器元件然后在實(shí)際實(shí)訓(xùn)臺(tái)上接線之前先進(jìn)行線上模擬實(shí)物接線。該軟件還能夠設(shè)置虛擬線路故障并模擬故障現(xiàn)象，為學(xué)生提供了虛擬的萬用表以便模擬排除電氣故障。這種虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)方式既提高了實(shí)訓(xùn)的安全性也有利于實(shí)踐技能的課堂內(nèi)化吸收，提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率。該方式的優(yōu)點(diǎn)是無須PLC硬件即可實(shí)現(xiàn)仿真接線和編程調(diào)試，缺點(diǎn)是目前僅支持三菱FX、歐姆龍CPM1A和西門子S7-200三個(gè)系列的PLC，而且有點(diǎn)數(shù)和硬件加密狗的限制。此外，一些大品牌的PLC如西門子、歐姆龍等，它們的編程軟件一般都會(huì)有配套的離線虛擬仿真軟件用來進(jìn)行PLC程序的虛擬仿真，但是不能仿真外部接線以及實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程。

圖1 純虛擬仿真軟件

（三）利用PLC硬件+在線仿真軟件進(jìn)行線上實(shí)踐教學(xué)

SKPIN-11型PLC仿真軟件內(nèi)部提供了虛擬的輸入輸出設(shè)備，需要配合實(shí)際的PLC硬件使用。該仿真軟件適用于所有帶以太網(wǎng)接口的PLC，例如西門子S7-200 SMART、S7-300還有S7-1200/1200等，只需要輸入該P(yáng)LC的IP地址仿真軟件就可以直接連接實(shí)際的PLC硬件，然后用真實(shí)編程軟件編程并下載程序，最后通過仿真軟件內(nèi)的虛擬輸入輸出設(shè)備驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可，如圖2所示。該仿真軟件現(xiàn)有電機(jī)長(zhǎng)動(dòng)、運(yùn)料小車等23個(gè)虛擬場(chǎng)景，基本可以滿足PLC教學(xué)需要，而且后續(xù)可以繼續(xù)開發(fā)增加實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景且無點(diǎn)數(shù)和硬件加密狗的限制，這類軟件的缺點(diǎn)是不能仿真PLC外部輸入設(shè)備，即仿真軟件中的虛擬按鈕、開關(guān)和限位不能直接控制輸入點(diǎn)的通斷，而是控制中間變量，如位存儲(chǔ)器M或變量存儲(chǔ)器V。

圖2 PLC硬件+虛擬仿真軟件

（四）利用硬件+物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)踐教學(xué)

在工業(yè)4．0背景下，物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（或者成為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)）和互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，可以通過互聯(lián)網(wǎng)（以太網(wǎng)、GPRS、3G、4G、WIFI、LORA等方式上網(wǎng)），采集實(shí)訓(xùn)室PLC、觸摸屏等設(shè)備的數(shù)據(jù)或者程序，傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的云數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)PLC程序的遠(yuǎn)程上傳下載、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、在線編程、設(shè)備診斷、程序維護(hù)和故障報(bào)警等功能[2]，如圖3和圖4所示。只要將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到PLC實(shí)訓(xùn)室的交換機(jī)上，學(xué)生就可以遠(yuǎn)程登錄PLC做相關(guān)的PLC實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以利用Web端圖形化組態(tài)界面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可視化配置，也可以通過手機(jī)APP在線監(jiān)控PLC或者查看報(bào)警信息。學(xué)生遠(yuǎn)程使用這種實(shí)踐教學(xué)方式時(shí)，需要和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐學(xué)習(xí)的學(xué)生配合好才能完成相關(guān)的實(shí)訓(xùn)任務(wù)。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)

圖4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

三、線上實(shí)踐教學(xué)保障措施

（一）校內(nèi)PLC實(shí)訓(xùn)室開通網(wǎng)絡(luò)并完善網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)

將校內(nèi)PLC實(shí)訓(xùn)室的PLC全部接入網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)PLC在線實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)處理學(xué)生的在線實(shí)訓(xùn)申請(qǐng)、設(shè)備在線開通以及在線實(shí)訓(xùn)考核等功能，使得學(xué)生可以遠(yuǎn)程通過仿真軟件連接實(shí)訓(xùn)室內(nèi)的PLC進(jìn)行仿真練習(xí)。

（二）安排專人值守實(shí)訓(xùn)室

由于部分PLC實(shí)訓(xùn)室連接了實(shí)際硬件被控對(duì)象，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程練習(xí)時(shí)，為了確保設(shè)備安全以及實(shí)訓(xùn)過程中設(shè)備出現(xiàn)問題后能夠及時(shí)得到處理，需要安排專人值守實(shí)訓(xùn)室。

（三）配套相應(yīng)的在線實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)

線上實(shí)踐教學(xué)不是簡(jiǎn)單地把設(shè)備搬到互聯(lián)網(wǎng)上讓學(xué)生自己練習(xí)，還需要教師依托超星學(xué)習(xí)通等平臺(tái)開發(fā)上傳相應(yīng)的線上實(shí)踐教學(xué)資源，例如微課、線上實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書等，學(xué)生的線上實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)軌跡也需要記錄下來作為課程分析和成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)。

四、結(jié)語

線上實(shí)踐教學(xué)突破了時(shí)間和空間的限制，使得學(xué)生可以更加靈活的安排自己的實(shí)踐學(xué)習(xí)，得到更加充分的實(shí)踐技能鍛煉，與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式形成有效互補(bǔ)。學(xué)生通過線上實(shí)踐教學(xué)方式，可以在課前熟悉教師發(fā)布的實(shí)踐自學(xué)任務(wù)，也可以在課后進(jìn)行鞏固練習(xí)或完成相關(guān)拓展實(shí)踐任務(wù)，從而進(jìn)一步完善了電氣類課程線上線下混合式教學(xué)模式。