1、第 卷第期 年月天津职业院校联合学报 全虚拟环境下的 应用技术课程实训教学设计探索刘斌（天津市河西区职工大学，天津 ）摘要：应用技术课程是高职院校机电类相关专业的重要必修课之一，课程内容与工业生产实际紧密相连，具有很强的实践性，因此实训教学必不可少。部分高职院校因经费、场地等条件所限，实训设备数量和质量不能满足实训教学需求。文章探索在不需要任何传统实训仪器设备的前提下，在计算机上利用 、组态王三个软件配合使用，在全虚拟环境下完成 应用技术课程实训教学的各个项目任务，提高了本课程实训教学的质量和效率。关键词：全虚拟环境；实训中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：刘斌（），男，
2、天津市人，天津市河西区职工大学讲师，主要从事高职机械自动化专业 理论教学与实训教学研究工作。引言可编程控制器（，简称 ）是一种专门在工业环境下应用的工业控制装置，可以控制各种类型的机械设备或生产过程，被誉为工业生产的大脑和指挥官，被公认为现代工业自动化的三大支柱（、机器人、）之一。有着编程简单、抗电磁干扰、防潮防湿、稳定性高、可靠性强等优势，被广泛应用在机械加工、电力、石油、钢铁、水泥、环保和造纸等诸多行业领域。由 、存储器、输入输出接口、电源、通信接口等功能模块组成。其工作原理简单理解就是在计算机端使用专用软件编写控制程序，把控制程序下载到 中运行，的输入接口接收它所连接的外部输入设备（如按
3、钮、开关等）给出的信号，经过控制程序逻辑运算后产生输出信号，输出信号通过 的输出接口传送至所连接的外部输出设备（如电动机、灯等），最终达到控制外部设备的目的。随着市场对 相关人才的需求越来越大，高职院校机电类相关专业都把 应用技术作为重要的必修课之一。此课程所涉及知识与工业生产实际紧密相连，具有很强的实践性，因此实训教学必不可少。实训教学方式按时间顺序经历了早期的利用多媒体进行授课、中期的利用定制实训设备进行授课和近期的利用模拟仿真软件配合实训设备进行授课。随着技术的不断进步，实训课程的教学质量越来越高，但还存在一些具体的问题和矛盾亟待解决。本文探索一种在全虚拟环境下的 实训教学方法，不使用
4、、电动机、继电器、按钮等传统实训设备，只需要在计算机上利用软件搭建实训环境来完成实训各项任务，既具有较高的可行性，又可以解决现阶段实训教学方式中存在的问题和矛盾。一、高职院校 相关课程实训教学发展历程及存在的问题（一）多媒体视频或课件演示阶段及其存在的问题在早期不具备实训设备的条件下，教师以板书形式展示实训过程和实训程序，需要在黑板上先画出电路图和 编程的梯形图，工作量大且耗费时间。在信息化设备普及后，教师使用 课件替代了板书书写，使用多媒体视频展示实训操作过程，让学生直观了解 的工作原理和操作步骤，提高了课堂效率。但学生没有亲自动手操作的机会，导致教学形式单调乏味，学生很难对 学习产生浓厚兴
5、趣。（二）使用定制的 实训设备阶段及其存在的问题多数高职院校都是聘请教学装备仪器制造公司专门为 实训定制 实验箱或实验台。定制设备的编程系统大多数是设备生产公司仿照国外品牌的编程系统自主研发编写的，在编程符号、界面、操作步骤等方面与实际工程应用均存在较大差异，学生毕业进入企业还需经过二次培训才能操作工程实际中所用的 设备。定制设备提供了有限的几个指定实训项目模块，定制项目之外的项目无法进行实训操作，导致师生只能按照指定项目的预定思路完成实训，如果有新的项目或同一项目有创新思路是无法在原有定制设备上实现的，定制设备不能二次开发的局限性不利于学生发散思维和创新思维的培养。定制设备一般利用按钮代替真
6、实生产环境中复杂的输入设备，利用 灯代替被控机械设备，比如在“控制电机正反转”项目中用 灯代替了电动机，用一个小灯亮起代表电动机正转，用另一个小灯亮起代表电动机反转。这样虽然也达到了理解控制程序原理和观察控制结果的实训目的，但是将被控机械设备的启动停止简单地抽象成 灯的亮灭，忽略了设备运行时的相对位置变化和对其他部件产生的影响等重要细节，降低了对实际生产过程的还原度，增加了学生对项目实际工作过程的理解难度，而且学生实训过程中缺乏身临其境的代入感。除此之外，有许多实际生产项目是定制设备难以实现的，比如污水处理项目、流水生成线项目等等。更关键的问题是定制 实训设备价格不菲且设备体积较大、零件较多，
7、多数高职院校因资金和场地条件限制，根本不可能做到实训课上同时让每个学生独立操作一套实训设备，这就降低了实训成效。同时因为定制设备研发周期短、测试周期短、研发人员水平有限等原因导致定制设备的使用故障率高，检修成本高，进一步降低了实训课程的开出率。（三）使用工业级 配合组态王软件阶段及其存在问题近些年来，使用工业级 配合组态软件的“一半真实 一半虚拟仿真”实训方式成为主流，广泛被高职院校应用，较多的文献资料也对此进行了探索研究。使用工业级 （如西门子、三菱、欧姆龙等品牌 ）完成项目中的控制功能，在计算机上使用组态王软件模拟所有信号输入设备（如按钮、行程开关）和信号输出设备（即被控制对象，如电动机、
8、小车、生产流水线等），二者通过数据线实现相互通信。在计算机上点击组态王软件中设定的虚拟按钮发送信号传递给 ，经过逻辑控制后输出信号传递给计算机上组态王软件中的虚拟电机或者虚拟小车，组态王软件最终呈现出电机转动或者小车移动的动画，整个操作过程简单直观，最终实现的效果一目了然。对工业级 进行编程和操作可以使学生一步到位地掌握真实生产环境下的自动化控制技能，为毕业后无缝对接工作岗位奠定坚实基础。但是以上实训方式也存在诸多问题：虽然组态软件模拟了所有输入设备和输出设备，节省了一部分资金投入和空间占用，但是实训过程还是需要为每位学生配备一台 真机和一台电脑。工业级 设备尤其是市场占有率高的国外知名品牌，
9、每台价格均在两千元以上，且每台 设备又需要一个电源插口，因此实训课程无法在普通计算机机房完成，必须新建实训室。据此计算，一个 人的教学班如果达到人手一套实训设备的要求，至少需要投入 万元以上建一间 平方米以上的实训室。所以，此种实训教学方式依然未彻底解决本文开篇所述的高职院校因经费、场地等条件所限实训设备数量和质量不能满足实训教学需求的问题和矛盾。此外，在校期间未完成的实训任务或者教师留的实训作业，学生回到家中因没有 设备而无法进行练习，即便在电脑上可以进行编程练习，也没有 设备进行程序测试验证，这样严重阻碍了学生利用课余时间钻研 实训技能的热情和积极性。二、全虚拟环境下完成 实训的解决方案为
10、了解决上述问题和矛盾，笔者在多年的 实训教学过程中探索出在全虚拟环境下完成 实训的解决方案，经过教学实践证明此方案具有较好的可行性，取得了理想的教学效果。全虚拟环境的意思是每位学生只需要一台计算机就可以完成 应用技术课程实训教学的各个项目任务，而不需要任何 、电机、按钮、电线等传统的实训设备。方案整体思路，如图所示，是在计算机上把 、和组态王三个软件配合使用：在 中编写实训项目的程序，然后将程序下载到 自带的模拟器 中运行；在组态王软件中建立含有虚拟输入设备和虚拟输出设备的演示动画，并在组态王软件中控制虚拟输入设备向 模拟器发送输入信号；模拟器接收到输入信号，通过逻辑运算得到输出信号结果并将其
11、发送给组态王软件；组态王软件接收到输出信号后使虚拟输出设备按照输出信号结果运转，最终以动画的形式展示出来。值得强调的是，组态王和 模拟器之间的信号对接传输因为两个软件所用的数据格式不同而不能直接完成，需要 软件作为桥梁，把信号数据进行处理转换之后才能完成组态王和 模拟器之间的信号双向对接传输，这一点也是本文所述解决方案的关键所在。下面利用一个真实实训案例展示全虚拟环境下完成 实训的具体过程。图全虚拟环境 实训整体思路示意图三、实训案例本校为高职应用电子技术二年级学生开设 应用技术课程，教材选用电子工业出版社出版的 三菱 应用实例教程，此教材为“十三五”职业教育国家规划教材。本案例选自项目电动机
12、控制程序设计中的实例车库门控制程序设计。实训软件选用针对三菱品牌 编写程序的 软件、三菱 服务器 软件和北京亚控公司生产的组态王软件。（一）控制要求用 控制车库门自动开关，该车库门可由手动或自动方式进行控制，当有车来时，车库门自动开启；当来车入库到位后，车库门自动关闭；当车出库时，车库门自动开启；当车移出车库门外，车库自动关闭；在任何时刻可以通过手动方式控制车库门的开启、关闭和暂停。（二）控制程序输入输出地址单元及其对应控制功能，如表所示。表输入输出地址单元及其对应控制功能 软软件地址控制功能 手动开门 手动关门 手动暂停 来车到位检测开关 停车到位检测开关 开门到位检测开关 关门到位检测开关
13、 开门 关门在 软件中将控制程序梯形图编写完成，如图所示，将控制程序下载至 软件自带的 模拟器并运行。图控制程序（三）设置是三菱品牌标志，是 的缩写，是应用于工业控制的对象链接与嵌入，它是由一系列用于过程控制和制造业自动化领域的标准接口、属性和方法组成的，采用 结构，其设计目标是为现场、自动控制应用和企业应用软件之间提供开发一致的接口规范，为来自不同厂商的软硬件提供即插即用“”的连接。因此采用 标准，不同的客户软件都将自己的数据暴露在统一的规范下，使得数据交换的双方变动透明简易，从而避免繁杂的专项驱动软件的开发、升级维护等工作。采用 技术能使组态王与 之间建立实时通讯，快速实现组态王与 的数据
14、交换。在 中将上一步控制程序中的所有输入信号 至 和输出信号、都建立可供下一步组态王软件使用的数据接口，如图所示，起到打通 模拟器和组态王软件之间数据通道的重要作用，使得上述两个软件能够建立通信。（四）组态王仿真动画组态王软件由北京亚控技术有限公司生产，广泛应用于工业现场自动控制监控领域。其将所需监控的工艺流程模拟于开发平台上，并设置各自属性，将相应的数据进行动态连接，画面运行系统为在线监控环境，将工程浏览器中开发的监控画面与实时数据建立连接，并依据各自的数据进行动态交换，以显示现场的实时状况。工程组态系统一般是先在工程浏览器设计制作完毕，然后在画面运行系统运行。图 设置此案例中门在完全打开时
15、会触碰 ，门完全关闭时会触碰 ，小车在车库外会触碰 ，小车停到车库指定停车位后会触碰 。小车和车库门同时运动，且运动中会触发不同的输入触点，情况多变又复杂。因此传统的定制设备无法很好地还原此过程的实际场景，如果没有场景辅助，学生理解程序难度非常大。利用组态王软件将所有输入触点、输出触点、门和小车的运动情况进行动画模拟仿真并借助 软件与 模拟器进行实时通讯，使场景和物体之间的相互逻辑关系一目了然，有效提高了教学效果。小车开始处于初始位置，如图（）所示；点击车左移或车右移按钮可以控制小车左右移动，当小车触碰 来车到位检测开关时，车库门自动缓缓打开，如图（）所示；当小车停到指定车位触碰 停车到位检测
16、开关时，车库门自动缓缓关闭，如图（）所示；当小车离开指定车位准备离开车库时，车库门自动缓缓打开，如图（）所示；当小车出库再次触碰到 来车到位检测开关时，车库门自动缓缓关闭，如图（）所示。在任意时刻手动按下 开门、关门、停止都可以即刻改变开关门的状态，总体实现手动、自动双功能的效果。图组态动画过程示意图四、总结运用上述全虚拟环境下的实训方案，从根本上解决了本文开篇所述的 实训教学过程中存在的问题和矛盾，实现了不新建实训室、不新购置 及相关设备，仅在现有计算机机房的条件下就可以通过上机在全虚拟环境下完成 实训任务的目的，实现了在校实训时每个学生可以人手一台计算机同时进行训练且学生在家亦可继续练习的目的，实现了在校实训使用的编程软件即为日后工作中生产实际所用软件而不必二次培训的目的。通过教学实践验证，此方案具有较好的可行性，取得了良好的教学效果。参考文献：廖常初 西门子人机界面 北京：机械工业出版社，徐桂敏，杨正祥现代电气控制设备及 教学方式改革与实践实验室研究与探索，（）马少华 虚拟仿真技术在 实验教学中的应用研究 价值工程，（）张玉广，高金宇，金宁宁，杨溢帆基于西门子 组态技术的 实训教
