液气电控制技术课程虚拟仿真实验教学系统开发与实践论文

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　　摘要：针对液气电控制技术课程理论教学中存在的知识体系复杂、理论分析抽象、时间规范严格、实训设备不足等问题， 利用 Unity 3D 技术， 提出了虚拟仿真实验项目的设计思路， 设计并开发了一个支持远程在线实操演练、学生自主实验和系统自行评测 的实验教学系统， 系统分为液压传动、气压传动、机- 电- 气 (液) 3 个模块。以机械手搬运机构的安装与调试和 PLC 控制线路的 安装与调试为典型案例， 详细介绍了系统的示范教学、自主练习、考试测评 3 种学习模式。其中， 示范教学将抽象理论形象化， 自主练习将专业技能规范化， 考试测评则将职业能力标准化。实践证明， 该系统有助于打造岗课赛证融通式理虚实课堂， 巩固立德树人的育人成效， 提升学生的专业素养和创新能力， 推进教育信息化改革创新的进程。

　　( 1. School of Automatic Control, Liaoning Equipment Manufacturing Vocational and Technology College, Shenyang 110161. China;2. Liaoning Open University, Shenyang 110034. China)

　　Abstract: In view of the problems existing in the teaching of hydraulic and pneumatic and electrical control technology course theory, such as complex knowledge system, abstract theoretical analysis, strict time specification, and insufficient training equipment and so on, using Unity 3D technology, the design idea of virtual simulation experiment project is proposed, and an experimental teaching system is designed and developed to support remote online practical exercise, student independent experiment and system self-evaluation. The system is divided into three modules: hydraulic transmission, pneumatic transmission, mechanical-electrical-pneumatic (hydraulic). Taking the installation and debugging of the manipulator handling mechanism and the PLC control circuit as typical cases, the three learning modes of the system including demonstration teaching, independent practice and examination and evaluation are introduced in detail . Among them, demonstration teaching visualizes abstract theories, independent practice normalizes professional skills, and examination and evaluation standardizes professional abilities. The practice has proved that the system is helpful to create a theory-virtual-actual classroom that integrates job, course,competition and certificate, consolidate the effectiveness of moral education, improve students' professional quality and innovation ability, and promote the process of educational informatization reform and innovation .

　　Key words: hydraulic and pneumatic and electrical control technology; virtual simulation; experiment teaching; job, course, competition and certificate; educational informatization

　　0 引言

　　液气电控制技术是液压技术、气动技术、 PLC 技术 等学科相互渗透、紧密结合而形成的一体化技术， 是当 今工业科技的重要组成部分， 也是我国高等职业教育中， 机电一体化、机电设备维修、机械设计制造及其自动化 等多个工科专业的必修专业课程之一[1-2]。该课程的理论 部分主要涉及流体力学、液压传动、气压传动、电气控 制与 PLC 等课程， 具有知识体系复杂、理论分析抽象、 算法理解困难、实践规范严格等特点， 采用传统的单一 理论授课方式很难激发学生的学习兴趣， 无法与理实一体、知识技能双修的培养目标对接。

　　随着现代信息手段的植入和“互联网+”技术的推 广， 传统的教学方式在教与学的关系上发生了革命性的 改变[3]， 职业教育大力提倡信息化技术与教学内容深度 融合， 教育部先后发布了 《关于 2017—2022 年开展示范 性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》 和 《关于开展国 家虚拟仿真实验教学项目建设的工作通知》 [4-5]， 明确了 虚拟仿真实验教学是提高学生动手能力、拓宽学生创新 视野、保证实验规范化和安全性的重要建设内容， 尤其 适用于目前因疫情影响而大力推广的线上及远程教学。

　　因此， 受到了很多高校的重视， 并在很多专业课程中都 得到了成功应用[6-9]。

　　综上所述， 本文将虚拟仿真技术植入液气电控制技 术课程的理实一体化教学中， 设计并开发了相应的虚拟 仿真实验教学系统， 有利于培养学生的专业素养、工程 思维和创新能力， 建设开放共享型精品在线“金课”，对 接新技术、新材料、新设备、新工艺， 打造岗课赛证融 通式课堂， 推动理虚实一体化的实战演练， 引入企业岗 位情境的操作规程和规范， 培养学生专注、细致的工作 作风， 使学生既有守正的责任感又有创新的荣誉感。

　　1 课程特点及传统教学中存在的问题

　　1.1 课程特点

　　( 1) 知识体系复杂。液气电控制技术课程内容涉及 多个学科， 内容宽泛。在教学设计上， 往往要把一个完 整的机- 电-气 (液) 系统拆分成若干个知识点， 再传授 给学生， 这种碎片化的教学方式往往注重局部而忽视了 整体， 造成学生只学不用， 缺乏对液气电控制技术的整 体认识， 不能将知识融会贯通。

　　( 2) 理论分析抽象。液气电控制技术课程涵盖了液 压、气压、电气元件的结构认知、原理分析、回路设计 等内容， 若无实物或仿真模型， 则内容抽象、晦涩， 很 难激发学生自主学习的兴趣。

　　( 3) 实践规范严格， 与工程实际联系紧密。随着液 气电与智能控制、计算机控制等先进技术结合的越来越 密切， 已经成为装备制造业机电设备日常维护、保养不 可缺少的一部分[10- 12]， 相关活动已经逐步趋于规范化， 学生必须在实践中才能逐步掌握解决问题的步骤， 提高 工程创新能力。

　　1.2 传统教学中存在的问题

　　( 1) 灌输式学习， 难以学以致用。通过本课程的线 上直播和线下面授， 虽然大部分学生能够掌握液气电控 制系统的基本组成、原理分析及完成简单的设计， 但是 对元件的选择、回路装调、方案验证等实操技能却知之 甚少， 无法形成“做中学-学中做”的良性循环。

　　( 2) 教学模式单一， 无法推动岗课赛证相互融通。传 统的教学模式没有精准对接装备制造业岗位工作规范和职 业能力要求， 所设计的教学项目往往缺乏典型性和应用性， 课堂教学与证书、竞赛缺乏融通，不利于课堂教学对接新 技能、新规范， 增加了学生考证和竞赛培训的时间成本。

　　( 3) 缺乏共享型的实验教学平台， 无法辅助开放教 学。目前， 市面上的虚拟仿真软件多为单机版或局域网 版， 且缺乏教师示范和评分系统， 无法实现形象直观、 互动性强、可测可评的开放共享型虚拟仿真实验教学平 台， 导致理论教学和实践教学难以有效融合， 不利于学 生对专业知识和职业技能的双向提升。

　　2 虚拟仿真实验教学系统设计

　　2.1 设计思路

　　( 1) 学生为主， 教师为辅。采用以学生为主体， 教 师为主导的教学模式， 运用任务驱动法来组织教学， 教 学内容强调少、精、宽、新， 授课方式由连续型注入式 转变为跳跃型拓展式， 教学形式通过网络技术由单一的 灌输式教学转化为多层次的互动交流。

　　( 2) 岗课赛证， 相互融通。一方面， 学生在完成学 习任务的过程中深刻体验真实的工作情境， 通过分析、 解决问题来实现知识和技能的关联; 另一方面， 学生以 竞赛的形式开展实训学习和考证训练， 不但锻炼学生的 专业技能、现场应变、工程思维等职业能力， 还提升证 书培训的效果。

　　( 3) 多元教学， 沉浸学习。建设在线精品开放课程 实现 PC 端和 App 端同步学习， 满足学生多元化的学习需 求， 开发设计集文字阅读、音视频收听收看， 交互性练 习活动于一体的虚拟实验项目， 建立人机交互、协同共 享的多模态沉浸式智慧学习空间[13]。

　　2.2 总体设计

　　液气电控制技术虚拟仿真实验教学系统以液压技术、 气压技术、电气控制基础理论为主要内容， 课题组采用 Unity 3D 技术， 设计并开发了一个支持远程在线实操演 练、学生自主实验和系统自行评测的实验教学系统。该 系统分为液压传动、气压传动、机- 电-气 (液) 3 个模 块， 总体结构如图 1 所示。

　　2.3 液压传动虚拟仿真系统设计

　　液压传动模块可分为元件选用、设计验证、回路装 调 3 个部分， 其中， 列出元器件清单并正确选择元器件 是实践操作的基本技能， 也是液气电控制技术课程教学 的重点。下面以基础元件库的建立为例说明虚拟仿真教 学系统的设计和开发过程。

　　根据液压传动的实验需求， 液压元件库中需要包含 的元件模型主要由液压泵、换向阀、溢流阀、节流阀、 液压缸和液压马达等， 需要先在 SolidWorks 软件中进行 建模， 在通过模型外观材质编辑使其在 Unity 3D 中更容 易识别， 然后采用 3ds Max 实现渲染， 提高模型外观还 原度。例如， 先导式溢流阀将其壳体的材质选择为金属 覆盖， 调压手柄的把头设置为黑色漆面， 即可对单一模 型实现多维材质结构。

　　2.4 气压传动虚拟仿真系统设计

　　气压传动模块可分为元件拆装、回路设计和装调排 故 3 个部分。气动系统中采用 FESTO 公司[14] 生产的气动 元件为原型， 仍然先在 SolidWorks 软件完成换向阀、节 流阀、减压阀、气缸、气动辅件、检测元件的三维建模， 再通过 3ds Max 进行桌子、控制台等场景建模， 使其更接近真实场景， 建模完成后， 通过 3ds Max 转换成*.FBX 格式， 贴图信息则以*.PNG 格式导入， 所有模型导入到 Unity 3D 平台上后即可进行虚拟平台的开发， 包括气动 元件拆装、典型回路设计、系统装调和排故等内容， 开 发流程如图 2 所示。

　　为了增强视觉效果， 通过添加场景选择函数实现元 件展示和元件拆装界面的切换， 对于元件拆装动画， 则 需要设置触发器来实现。

　　2.5 机- 电-气 (液) 虚拟仿真系统设计

　　这部分实验内容属于进阶性的提高学习， 分为电气 (液) 系统和 PLC-气 (液) 系统两部分， 选择了电控切 断装置、送料机控制系统、开关门控制系统家具试验机、 分拣系统、气动机械手等多个工业、生活中的真实案例为 学习任务，体现岗课赛证一体化的教学设计，通过对机电 一体化设备调试员/维护员的典型工作任务分析， 形成场 景情境，再融入技能大赛和职业证书考核内容，从机械装 配、制定控制策略、气 (液) 连接，电气连接、调试运行 等多个方面进行虚拟仿真练习及测试， 实现沉浸式学习 体验， 既激发了学生学习兴趣又巩固了课程学习成效。

　　3 应用实例

　　本文开发的液气电控制技术虚拟仿真实验教学系统 支持示范教学、自主练习、考试测评 3 种教学模式。教 师在讲授理论知识的同时可以借助该系统开展虚拟仿真 示范教学， 直观形象地展示学习内容， 巩固学生对理论知识的掌握度， 增加学习的趣味性; 学生也可以自主练 习， 明确操作规范熟悉操作流程， 并在练习中可以切换 最佳视角观察操作现象， 确认是否完成练习任务， 从操 作中探究知识与技能的必然联系， 实现同步提高。另外， 学生还可随时利用考试模式进行自测自评， 改进不足， 降低专业知识的学习壁垒。

　　下面分别以一个气动装调项目和一个电气装调项目 为例， 从示范教学、自主练习、考试测评 3 个方面介绍 系统的具体应用。

　　3.1 机械手搬运机构的安装与调试

　　( 1) 示范教学。机械手是典型机电一体化设备[15]， 该实验任务包括机械拆装、气动连接、电气连接、程序 编制、系统运行 5 个部分。由于机械结构复杂， 学生往 往难以理解其基本构造， 也就无法实现控制任务。借助 本项目开发的虚拟仿真实验系统， 在讲解结构组成时可 配合观看机械拆装示范， 帮助学生理解真实机械手的主 要组成原理， 图 3 所示为机械手机械拆装示范演示实例。 学生在使用时， 首先打开软件导航选择实验任务， 进入 机械手机构机械拆装任务， 点击菜单栏中的操作示范进 行观看， 每一部件拆装时都有对应的讲解和规范说明， 启发学生思考， 完成认知基础学习。

　　( 2) 自主练习。学生在观看示范演示后， 随即可以 进入操作练习， 自主进行探究式学习， 以机械手的气动连接任务为例， 先展示气动连接原理图， 便于学生识别 气动元件， 然后按照气路连接的顺序， 依次将气泵、气 动三联件、换向阀、调速阀、气缸用气管连接起来组成 回路， 在连接过程中， 屏幕会自动切入最佳视角， 便于 学生查看具体的连接位置， 如图 4 所示。

　　( 3) 考试测评。学生在操作练习完成后， 可切换至 考试模式进行学习测评， 要求在规定的时间内完成操作 步骤， 验证任务结论， 并从规范性、正确性、快速性等 几个指标进行综合评分， 学生交卷后即可看到考试得分、 成绩排名等信息， 如图 5 所示。此外， 还可导出 Excel 表格存档， 便于教师了解学生学习情况， 及时调整教学 策略。

　　3.2 PLC 控制线路的安装与调试

　　( 1) 示范教学。 PLC 的控制任务包括电气接线、程 序编制、系统运行 3 个内容。例如， 在电气接线环节中， 将输入/输出设备依次与 PLC 的输入/输出端子相连， 每 一个过程都配有 PLC 外部接线图与其一一对应， 再结合 教师讲解， 既清楚又直观， 如图 6 所示。

　　( 2) 自主练习。学生使用实验系统分步骤完成操作 练习， 通过局部放大观察接线具体位置， 帮助学生理解 电气接线的规范和考核标准， 迅速提高学生的专业技能， 如图 7 所示。通过实验使学生掌握电气布局要长短适宜， 整体美观。

　　( 3) 考试测评。在考试模式下，“帮助”按钮是失效 的， 学生需独立完成接线、编程及调试任务， 每一阶段 都按完成情况给予分项评分， 如图 8 所示。便于学生查 找自身薄弱环节， 为今后学习指明方向， 学生在自测自 评中不断成长， 为解决工程实际问题奠定基础。

　　4 结束语

　　课题组经过长期的研究和实践， 将信息技术手段深 度植入理实一体化教学中， 通过虚拟仿真实验教学系统 的开发， 解决了现有实训设备少、占地面积大、实验时 间短等诸多问题， 为新工科背景下的实验教学提供了全 新的实验环境， 拓宽了新的改革方向。根据“任务驱动、 自主学习、以虚促实、德技双修”的设计思路， 通过岗 位构建任务方案、课堂巩固理论知识、竞赛激发学习兴 趣、证书验证学习效果， 形成了岗课赛证融通式教学模式， 学生通过虚拟仿真教学系统中的示范教学、自主练 习、考试测评等实战演练环节， 涵养了工程思维和工匠 精神， 提升了专业素养和创新能力。

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