仿真技術(shù)在高職院校鐵道供電專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

四川管理職業(yè)學(xué)院 龍 雄 劉玉寶 顏 偉 周小紅 鄭 丹

1 引言

仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。仿真通過仿真工具實現(xiàn)，仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機以及一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目標(biāo)仿真器、負(fù)載仿真器、環(huán)境仿真器等。仿真軟件包括為仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真教學(xué)也稱為模擬教學(xué)，就是用計算機來模擬真實自然現(xiàn)象或社會現(xiàn)象，學(xué)生模擬扮演某一角色進行技能訓(xùn)練的一種教學(xué)方法。仿真教學(xué)能在很大程度上彌補客觀條件的不足，為學(xué)生提供近似真實的訓(xùn)練環(huán)境，提高學(xué)生職業(yè)技能。

2 仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的特點

將仿真技術(shù)引入高職教育的某些教學(xué)環(huán)節(jié)，模擬真實的實驗、實習(xí)過程，生動展現(xiàn)實驗設(shè)備的構(gòu)造、工作原理、工藝流程，讓學(xué)生在虛擬但逼真的環(huán)境中進行操作實踐，可以驗證原理定理、觀察實驗現(xiàn)象，在模擬真現(xiàn)場中操作，達到訓(xùn)練技能的目的。學(xué)生置身于仿真環(huán)境中，可以充分調(diào)動感覺、運動和思維，極大地提高學(xué)習(xí)效率。曾經(jīng)有教育心理學(xué)家對采用仿真教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)進行比較，試驗結(jié)果表明：仿真教學(xué)模式下，學(xué)生可以記憶約70%的內(nèi)容，而傳統(tǒng)的“教師講，學(xué)生聽”教學(xué)模式下，學(xué)生只能記憶約30%的內(nèi)容。仿真教學(xué)具有如下特點：

1）形象直觀性。仿真遵循相似原理的基本原則，利用仿真技術(shù)可以模擬出與真實環(huán)境近乎相同的特性環(huán)境。在仿真軟件中可以靈活地設(shè)置各種參數(shù)、模擬條件，就可以自如地模擬真實世界中的各種情況，并且逼真地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)重點、難點，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力都能起到積極的作用。

2）安全可靠性和全面性。一方面，與真實實驗相比，在仿真過程中所涉及到的設(shè)備、元件、儀器儀表等都是虛擬的，即使在操作過程中出現(xiàn)錯誤或失誤也能有效防止對設(shè)備和人員帶來的安全隱患。另一方面，隨著仿真技術(shù)研究的深入，各種仿真軟件在設(shè)計時已能充分考慮各種實際因素對實際研究的影響及作用形式，充分考慮到虛擬實驗設(shè)備的運行特性、負(fù)載變化、環(huán)境影響等各種因素，在操作過程中能設(shè)定各種事故及極限運行狀態(tài)。通過仿真，可以了解真實世界中無法實現(xiàn)的危險性操作，或者臨界條件。

3）良好的交互性。在仿真教學(xué)中，真正體現(xiàn)了學(xué)生為主體教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，學(xué)生在教學(xué)過程中扮演主要角色。仿真軟件強大的交互性能使學(xué)生可以置身于各種復(fù)雜環(huán)境中，自己動手設(shè)置各種實驗參數(shù)，并及時地得到結(jié)果，更好地認(rèn)識和解決所遇到的問題，進而激發(fā)學(xué)生的求知欲望，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

4）提高學(xué)生學(xué)習(xí)能動性。仿真軟件一般都是獨立操作，獨立完成，學(xué)生必須開動腦筋認(rèn)真分析問題，從而才能準(zhǔn)確地解決問題。仿真軟件的操作不存在限制，學(xué)生可以海闊天空地想象，進行各種各樣的設(shè)計，并迅速地通過仿真看到結(jié)果。學(xué)生們主觀能動性的提高，就意味著教師可以騰出手來做更多的教學(xué)工作，或進行有針對性的指導(dǎo)工作。通過仿真訓(xùn)練，學(xué)生們充分了解自己所學(xué)的知識，應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用前景等，將理論與實踐相結(jié)合，增強了對專業(yè)技術(shù)的認(rèn)識，從而激發(fā)敬業(yè)精神。通過計算機仿真，在虛擬環(huán)境中由于錯誤的操作而產(chǎn)生的安全事故，學(xué)生能提高警覺，分析故障原因，掌握排除故障的技巧?？傊抡娼虒W(xué)作為一種教學(xué)手段，能更好的提高學(xué)生學(xué)習(xí)能動性。

5）卓越的經(jīng)濟性。在鐵道供電專業(yè)教學(xué)資源中，相比動輒上千萬的變電所等硬件教學(xué)資源，仿真教學(xué)資源屬于“軟投入”，重點在仿真軟件的建設(shè)，且仿真軟件隨著技術(shù)的能發(fā)展不斷地升級，能較好地適應(yīng)教學(xué)需求的波動，從而大大節(jié)約了實驗設(shè)備、儀器儀表等教學(xué)資源的資金投入，提高了教育資金的使用效率。

3 仿真技術(shù)在教學(xué)中的技術(shù)應(yīng)用分析

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》指出：職業(yè)教育要把提高質(zhì)量作為重點，以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，推進教育教學(xué)改革，實行工學(xué)結(jié)合、校企合作、頂崗實習(xí)的人才培養(yǎng)模式。在職業(yè)教育教學(xué)各環(huán)節(jié)中應(yīng)強化實踐教學(xué)，突出實踐動手能力、專業(yè)能力、職業(yè)能力培養(yǎng)。然而許多行業(yè)領(lǐng)域?qū)?yīng)的專業(yè)教學(xué)引入大型且價格昂貴的教學(xué)設(shè)備不現(xiàn)實，運用仿真工具培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能成為一種有效的途徑。

1）仿真教學(xué)環(huán)境的操作流程與規(guī)則立足于實際業(yè)務(wù)操作規(guī)范，虛擬操作環(huán)境與真實操作體驗基本一致，以牽引變電所運行與維護課程為例，若利用仿真實現(xiàn)牽引變電所實訓(xùn)教學(xué)，學(xué)生可以利用計算機模擬變電所值班員崗位，在仿真環(huán)境中進行對設(shè)備控制、監(jiān)測等實際操作，與真實的業(yè)務(wù)環(huán)境進行交互，實現(xiàn)雙向良性互動。

2）借助仿真技術(shù)，可以模擬故障與不正常運行狀態(tài)的發(fā)生，將學(xué)生置于各種復(fù)雜、突發(fā)業(yè)務(wù)環(huán)境中，進行有針對性的聯(lián)系，提高自身動手解決問題的能力。

3）仿真工具安裝投入運行后，學(xué)生可將仿真軟件安裝在個人計算機內(nèi)，結(jié)合任課教師上課的演示，便可在課余時間自主學(xué)習(xí)，受教室、師資等條件約束大大減小，具有極大靈活性。

4）仿真平臺提供虛擬的業(yè)務(wù)環(huán)境，避免對真實系統(tǒng)的影響。在牽引變電所實訓(xùn)中，學(xué)生模擬扮演變電所值班員的身份，可以嘗試各種日常及極端操作演練，提高職業(yè)技能水平。另外，仿真平臺能提供創(chuàng)新的考核方式，能準(zhǔn)確量化評估學(xué)生業(yè)務(wù)操作能力，實現(xiàn)自動化考核，從而激勵學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)掌握操作技能。

4 仿真技術(shù)在高職鐵道供電專業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前，在高職鐵道供電專業(yè)各門課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，部分專業(yè)基礎(chǔ)課程在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)引入了仿真技術(shù)。

1）仿真技術(shù)在電工電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用。目前比較常用的電工電子技術(shù)仿真的常用仿真軟件有：PSpice 仿真軟件，模擬及混合信號saber仿真軟件，PLECS仿真軟件，PSIM仿真軟件，CASPOC仿真軟件，基于Matlab的Simulink仿真軟件，EWB仿真軟件等。如EWB仿真軟件是一種專門用于電子電路設(shè)計與仿真的軟件，它提供了幾千種電子元件與虛擬設(shè)備（示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等），在集成的開發(fā)環(huán)境中進行電路設(shè)計、分析與仿真，可由老師上課演示，課后學(xué)生能根據(jù)課堂所講內(nèi)容進行無障礙性實驗，不用擔(dān)心安全問題，也排除了元器件損耗和儀器損壞，非常適合教學(xué)及實驗。

2）仿真技術(shù)在PLC課程中的應(yīng)用。PLC相關(guān)課程常用的仿真軟件有三菱公司的GX simulator和西門子公司的STEP 7 V11 —TIA Portal仿真軟件等。如三菱公司的GX軟件的使用：創(chuàng)建一個“新工程”---編寫梯形圖---啟動仿真---軟元件調(diào)試---梯形圖的監(jiān)視執(zhí)行---軟元件狀態(tài)監(jiān)控和時序圖監(jiān)控---PLC運行和退出。學(xué)生在個人計算機中安裝該軟件，便可利用自己的課余時間編寫不同功能的程序，并且能夠通過軟元件調(diào)試和監(jiān)控，不斷的修正和完善自己的作品。以該軟件為核心，也可進行更深層次的仿真教學(xué)軟件開發(fā)，使得仿真情景更接近真實的業(yè)務(wù)環(huán)境。

3）多媒體智能考核維修電工仿真教學(xué)軟件的應(yīng)用。利用生動的動畫演示，配合語音對電路工作原理進行講解；可通過半透明的原理圖上的提示進行相關(guān)操作；具有與設(shè)備一致的實驗項目和實物元件介紹；具有實驗?zāi)康牡拿枋?、實驗器材的展示、典型電路的分析、電路原理聲動同步的解說、元件布局模擬操作、電路原理的模擬接線，模擬現(xiàn)場的工業(yè)仿真等功能。所有圖標(biāo)及器件均采用3D建模，通過美工處理，整體畫面美觀大方。通過軟件的教學(xué)及仿真，能激發(fā)學(xué)員的思維、增強學(xué)員的感性認(rèn)識，更好地剖析教學(xué)的重點、難點。軟件中的項目內(nèi)容都和實訓(xùn)設(shè)備相關(guān)，學(xué)生在去實驗室之前，就可以對實操項目在理論和感觀上有個初步的認(rèn)識。

5 基于仿真技術(shù)的高職鐵道供電專業(yè)教學(xué)改革

以PLC課程教學(xué)中應(yīng)用GX simulator為例，從教材建設(shè)、教學(xué)方法、師資培訓(xùn)、考核方式等方面進行基于仿真技術(shù)的教學(xué)改革探討。

1）建設(shè)與教學(xué)內(nèi)容配套的仿真實驗和實驗教材。開發(fā)與教學(xué)內(nèi)容配套的仿真實驗，研究能利用仿真技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容整合方式，加強利用仿真技術(shù)的本專業(yè)教材建設(shè)。如PLC課程可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容從易到難設(shè)計“基本定時器程序”、“基本計數(shù)器程序”、“簡易呼叫系統(tǒng)”、“傳動帶控制”“電機控制”“電梯控制”“全自動洗衣機控制”等項目實驗內(nèi)容。通過程序的調(diào)試及運行結(jié)果的測試，進而加強學(xué)生對梯形圖、指令語句的掌握。在實際教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)學(xué)生實際情況，提出不同功能的項目要求，讓學(xué)生在實驗過程中不斷的提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。目前鐵道供電類專業(yè)仿真實驗的教材較少，多數(shù)使用教學(xué)設(shè)備廠家提供的設(shè)備使用指導(dǎo)手冊，建設(shè)含有仿真項目的道供電類專業(yè)教材非常必要。

2）基于仿真技術(shù)的教學(xué)方法、手段改革。仿真技術(shù)可用于課堂演示、學(xué)生實驗，也可以用于學(xué)生課后作業(yè)、復(fù)習(xí)、自學(xué)等，可以改進教學(xué)方法、豐富教學(xué)手段、拓展知識技能。在課堂教學(xué)中進行仿真演示、操作，能使抽象的知識點變得直觀、形象、容易理解，可以將規(guī)律、原理有傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，變成學(xué)生探索式、研究式學(xué)習(xí)。仿真實驗與真實實驗相結(jié)合，可使學(xué)生的操作能力和理論結(jié)合實際的能力得到提高。如PLC課程中“全自動洗衣機控制”項目既可以在仿真軟件中實現(xiàn)，也可用電機代替洗衣機，用真實的PLC去控制電機的轉(zhuǎn)動，進而呈現(xiàn)真實的實驗結(jié)果。

3）考核方式改革。傳統(tǒng)的課程考核成績由平時成績和期末筆試成績兩部分構(gòu)成，平時成績由學(xué)生平時出勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況等決定，期末考試內(nèi)容多為記憶性的知識原理考查，這種考核方式往往造成死記硬背就能得高分的現(xiàn)象。引入仿真教學(xué)，可將課程考核成績改為由平時成績、仿真操作成績和期末筆試成績?nèi)糠?，且仿真操作成績?quán)重不小于30%，這樣的考核方式更能體現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況，也體現(xiàn)了重學(xué)習(xí)過程的考核創(chuàng)新。

6 結(jié)束語

職業(yè)教育的發(fā)展與行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，依托行業(yè)培養(yǎng)出高素質(zhì)的技能型人才，培養(yǎng)的畢業(yè)生才能滿足市場和企業(yè)的職業(yè)要求。而以鐵路行業(yè)為代表的許多行業(yè)領(lǐng)域?qū)?yīng)的相關(guān)專業(yè)教學(xué)無法引入大型且價格昂貴的教學(xué)設(shè)備，那么在現(xiàn)代職業(yè)教育應(yīng)用仿真平臺培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能將成為一種有效的辦法。

[1]張麗.現(xiàn)代職業(yè)教育仿真實訓(xùn)課程開發(fā)與教學(xué)改革[J].遼寧高職學(xué)報,2015(1).

[2]王華,李有軍,劉建存.MATLAB電子仿真與應(yīng)用教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[3]成明華.仿真技術(shù)在鐵路電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海鐵道科技,2007(3).

[4]張永春.仿真在高校電氣類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報,2012(1).

[5]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》,2010.

[6]滑濤.計算機仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用探析[J].山東工業(yè)技術(shù),2014(2).