“電氣控制與可編程控制器”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

黃 瓊

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 合肥 230051)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為專業(yè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)的一個(gè)重要組成部分，其教學(xué)手段的信息化、網(wǎng)絡(luò)化已是大勢(shì)所趨。利用多媒體技術(shù)開(kāi)發(fā)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)、形象、直觀地進(jìn)行模擬，不僅有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的觀察能力，而且也解決了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備普遍存在的落后、偏少等問(wèn)題，可極大地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[1-4]。

“電氣控制與可編程控制器”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，僅靠書本知識(shí)和一般的上課聽(tīng)講，很難達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)成為該課程教學(xué)中的重點(diǎn)。課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是要求學(xué)生在充分理解課堂教學(xué)內(nèi)容和已有的基本實(shí)驗(yàn)操作技能的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深對(duì)常用低壓電路元件、交直流電動(dòng)機(jī)、可編程控制器的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)，熟悉各種電氣器件的工作原理和工作過(guò)程，掌握對(duì)異步電動(dòng)機(jī)等控制對(duì)象實(shí)施控制應(yīng)用程序編程等實(shí)際操作技能。由于涉及到的電氣器件種類多，器件內(nèi)部工作過(guò)程及協(xié)作關(guān)系不易觀察，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)老師講解不清，學(xué)生聽(tīng)之乏味，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法很難做到讓學(xué)生能清楚掌握各種不同電氣器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。此外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常常需要大量的電氣器件實(shí)物及配套測(cè)試設(shè)備，要求操作者有較高的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的困難及較大的損耗造成當(dāng)大批學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)法讓每個(gè)學(xué)生都能有充足的設(shè)備和時(shí)間親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此造成了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，離教學(xué)目標(biāo)和要求存在較大差距的現(xiàn)象，如何提高該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果成為亟待解決的問(wèn)題。為此，我們作了一些新的嘗試，通過(guò)充分利用多媒體技術(shù)，以功能強(qiáng)大的可視化集成開(kāi)發(fā)軟件Delphi作為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并借助SolidWorks、3DS Max、Flash等二維和三維主流圖像處理軟件，研制開(kāi)發(fā)了功能完善、內(nèi)容豐富、界面友好的“電氣控制與可編程控制器”課程多媒體輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)[5-8]。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作方案與整體架構(gòu)

1.1 整體設(shè)計(jì)和制作方案

輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是在一定專業(yè)理論知識(shí)的指導(dǎo)下，依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)而設(shè)計(jì)的能直接或間接反映實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，因此整體方案設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到非常重要的作用[3]。輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中需經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：①應(yīng)依據(jù)課程教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)大綱，明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目的和要求；②在分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，確定合理的教學(xué)方案，并選擇確定可實(shí)現(xiàn)方案中各功能的開(kāi)發(fā)工具和運(yùn)行平臺(tái)；③需從實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容出發(fā)，提煉出軟件系統(tǒng)將展示的主要教學(xué)內(nèi)容；④需做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)素材的制作和整理等材料準(zhǔn)備工作；⑤在選好開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件的總體程序流程框架設(shè)計(jì)、文本和腳本設(shè)計(jì)和程序的調(diào)試工作[9-12]。

依據(jù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體要求，“電氣控制與可編程控制器”動(dòng)態(tài)演示輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)主要包含了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)過(guò)程演示及實(shí)驗(yàn)思考等內(nèi)容，在各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中能將各種電氣控制與可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)相關(guān)儀器設(shè)備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程以及操作方法等以圖片、動(dòng)畫、視頻等多媒體形式真實(shí)展現(xiàn)出來(lái)。軟件系統(tǒng)可在單機(jī)、局域網(wǎng)中安裝使用，也可鏈接在校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生網(wǎng)上在線預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)[13-14]。軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和制作流程如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)的整體架構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。整個(gè)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)系統(tǒng)由啟動(dòng)頁(yè)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分類頁(yè)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容頁(yè)等三級(jí)頁(yè)面組成。用戶通過(guò)啟動(dòng)頁(yè)面上設(shè)置的功能按鈕進(jìn)入具體課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分類頁(yè)，其中有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分支，每個(gè)分支下分別將交、直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與控制實(shí)驗(yàn)和PLC控制實(shí)驗(yàn)各自所屬的具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了動(dòng)態(tài)演示，并且在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示界面中又提供了該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)思考作業(yè)等內(nèi)容齊全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示，學(xué)生可通過(guò)選擇相應(yīng)的功能按鈕，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)具體操作視頻的過(guò)程中同時(shí)也可隨時(shí)調(diào)看相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目詳盡的內(nèi)容文字說(shuō)明[15]。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)合理、界面友好，充分利用了Delphi強(qiáng)大的可視化的集成功能，軟件系統(tǒng)管理員可自由添加和修改相應(yīng)內(nèi)容，系統(tǒng)通用性和功能拓展性較強(qiáng)。

2 動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)的制作

2.1 開(kāi)發(fā)工具

本演示系統(tǒng)采用Delphi7.0作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)， Delphi是基于面向?qū)ο蟮目梢暬_(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)方便，功能強(qiáng)大，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)支持功能[12]。通過(guò)設(shè)計(jì)具有交互功能的媒體播放器界面，將實(shí)驗(yàn)中的各類電機(jī)拆裝過(guò)程、交通信號(hào)PLC控制等通過(guò)實(shí)例動(dòng)態(tài)地展示給學(xué)生。

2.2 動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1系統(tǒng)的主要界面

界面的主要功能是完成系統(tǒng)的啟動(dòng)、數(shù)據(jù)的載入和調(diào)用，對(duì)后續(xù)相關(guān)操作進(jìn)行引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。界面的制作應(yīng)遵循簡(jiǎn)便性、一致性、通用性的原則?；谶@些原則，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和制作時(shí)采用了Delphi提供的設(shè)計(jì)工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各界面中根據(jù)需要設(shè)置了文本窗口、視頻窗口、相關(guān)按鈕和必備的菜單項(xiàng)等部件，確保整個(gè)界面的簡(jiǎn)潔和容易操作。

本系統(tǒng)中設(shè)置了三類界面形式，分別是：

(1) 系統(tǒng)歡迎主界面。作為系統(tǒng)啟動(dòng)后的主頁(yè)面，設(shè)置了本輔助教學(xué)軟件所對(duì)應(yīng)的課程名稱、制作單位以及進(jìn)入按鈕，并配以與“電氣控制與可編程控制器”課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的圖片作為整個(gè)頁(yè)面背景，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)歡迎主界面

圖4 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及演示界面

(2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容列表界面。結(jié)合“電氣控制與可編程控制器”課程內(nèi)容，將課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)分成課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)纱箢?，并分別下設(shè)了電氣控制類和PLC控制類兩個(gè)二級(jí)分項(xiàng)，每個(gè)分項(xiàng)下又分列了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱，學(xué)生可通過(guò)該頁(yè)面中顯示的項(xiàng)目類別、名稱，快速進(jìn)入到所選項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容界面進(jìn)行學(xué)習(xí)。

(3) 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及演示界面。作為本輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的核心界面，該界面是由4個(gè)功能區(qū)域組成，分別是：選項(xiàng)按鈕區(qū)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇區(qū)、文本介紹區(qū)和動(dòng)態(tài)演示區(qū)(見(jiàn)圖4)。選擇按鈕區(qū)位于該界面的最上部，水平羅列了若干選項(xiàng)按鈕，通過(guò)選擇相應(yīng)的按鈕，可以在界面右邊的文本框中顯示相應(yīng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、原理、步驟、要求等具體的實(shí)驗(yàn)信息；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇區(qū)位于文本介紹區(qū)的上部，由一個(gè)下拉選項(xiàng)框組成，其中含有系統(tǒng)所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表，學(xué)生可通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，快速的轉(zhuǎn)到不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示界面；界面的左邊大部分區(qū)域?yàn)閯?dòng)態(tài)演示窗口，該窗口中既能展示二維、三維圖像和動(dòng)畫，也能通過(guò)下方的播放按鈕實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)視頻文件的瀏覽；文本介紹區(qū)內(nèi)主要展示所有相關(guān)的文字信息，可通過(guò)下拉滾動(dòng)條瀏覽所有的文字內(nèi)容。通過(guò)與課程內(nèi)容相關(guān)的圖像、動(dòng)畫、視頻等多媒體信息動(dòng)靜結(jié)合的全面展示，既能使學(xué)生學(xué)習(xí)到在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法操作的知識(shí)內(nèi)容，也提高了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

2.2.2素材的制作和處理

(1) 二維素材的制作。為了能全面展示PLC控制電路的控制過(guò)程與設(shè)備的操作步驟，本系統(tǒng)采用Flash動(dòng)畫制作軟件制作出了與實(shí)際PLC控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備全貌一致的模擬操作面板，學(xué)生可以通過(guò)鼠標(biāo)在模擬操作面板上完成相應(yīng)操作，即可控制開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)會(huì)有相應(yīng)的文字提示，使學(xué)生在實(shí)際開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)前就可通過(guò)模擬練習(xí)熟悉掌握PLC控制實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和工作步驟。

(2) 三維素材的制作。交、直流電動(dòng)機(jī)的拆裝實(shí)驗(yàn)是課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的重點(diǎn)，使用三維實(shí)體造型及動(dòng)畫制作技術(shù)能將實(shí)驗(yàn)中各種電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部特征清清楚楚的展現(xiàn)出來(lái)，并實(shí)現(xiàn)了抽象物體形象化。本系統(tǒng)中我們分別使用了3DS Max、SolidWorks等三維造型軟件實(shí)現(xiàn)了8種典型型號(hào)的電動(dòng)機(jī)組成部件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)展示以及電機(jī)裝配、拆卸全過(guò)程模擬，通過(guò)使用Delphi環(huán)境下提供的多媒體對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，以視頻文件的格式實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的詳盡展示。

3 實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)軟件系統(tǒng)的應(yīng)用

在近2年的“電氣控制與可編程控制器”課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)實(shí)際教學(xué)中，該系統(tǒng)得到了進(jìn)一步的完善和豐富，功能和效果也得以明顯體現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

3.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)改革，教學(xué)效果顯著提升

采用文字、圖像、動(dòng)畫等多媒體形式為學(xué)生提供了全新的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練方法，通過(guò)將該系統(tǒng)與本課程網(wǎng)絡(luò)課件進(jìn)行鏈接，可使學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)前的充分預(yù)習(xí)，特別是對(duì)于部分需要學(xué)生實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，通過(guò)提前熟悉實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容和具體操作方法，大大減少了實(shí)驗(yàn)教師的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)輔導(dǎo)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

3.2 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高，專業(yè)技能訓(xùn)練能力增強(qiáng)

通過(guò)圖像、動(dòng)畫、視頻等多種直觀表達(dá)方式，更加方便學(xué)生細(xì)致觀察各種電氣器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特征，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的生動(dòng)性、趣味性和吸引力，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲。同時(shí)，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物模擬，使學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室外方便地開(kāi)展相關(guān)操作技能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，對(duì)于高職院校電氣自動(dòng)化專業(yè)技能型人才的培養(yǎng)提供了新的途徑。

3.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間得以延展，有效緩解實(shí)踐教學(xué)資源不足

學(xué)生可通過(guò)校園網(wǎng)，隨時(shí)學(xué)習(xí)和了解整個(gè)課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容和過(guò)程，起到了延展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)過(guò)程的模擬演示和動(dòng)畫演練，有效解決了當(dāng)前由于部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量上的相對(duì)缺乏，無(wú)法滿足每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手開(kāi)展技能訓(xùn)練的難題。

4 結(jié) 語(yǔ)

“電氣控制與可編程控制器”課程動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)是開(kāi)展該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的一個(gè)重要組成部分。作為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)輔助教學(xué)手段，通過(guò)運(yùn)用逼真的二維和三維動(dòng)畫、視頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的演示和模擬訓(xùn)練學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)前提前掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，熟悉實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的全過(guò)程，并可以有針對(duì)性的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而加深了學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解。由于時(shí)間和技術(shù)條件等因素的限制，軟件系統(tǒng)仍有許多方面需要改進(jìn)和完善，諸如在本系統(tǒng)的現(xiàn)有基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮Delphi在數(shù)據(jù)庫(kù)方面的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)中添加相關(guān)電氣器件模型庫(kù)模塊，從而能將更多更全的電氣控制相關(guān)技術(shù)信息展現(xiàn)出來(lái)。

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