分析虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用

分析虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用

王宗魁

济南市技师学院山东济南250031

摘要：机电一体化是集机械、电子、计算机技术和控制技术等诸多学科为一体的综合性学科。机电一体化专业主要开设机械、电子电气以及计算机技术等相关课程，这些课程除了基础的理论教学之外，还会涉及到实践教学。这些实践课程可以帮助学生在实践过程中结合课堂理论，巩固所学的知识。此外，通过实践教学还可以帮助学生提高团队协作能力和创新能力。本文通过分析机电一体化实践教学的不足，研究了虚拟仿真技术的优势及功能，并提出了将其运用到机电一体化实践教学中的具体措施。

关键词：虚拟仿真技术；机电一体化教学；应用

引言

一些高职高专院校的工科专业，主要培养学生将课堂知识与实际操作相结合的能力，实验教学课程也是工科类专业的重点课程，我国许多高校都为学生设立了专门的实训基地，供学生进行实践学习。但由于专业的实践教学设备比较复杂且造价昂贵，部分院校缺乏足够教学设备，许多学生并没有机会真正的进行实际操作学习，更多的是观看教师操作，因此，学生的实际操作能力得不到提升，不利于日后投身于相关专业的工作。为了让学生也能亲身的进行实践操作，部分院校开展了基于虚拟仿真平台技术的实践教学，有效的解决了因为教学设备昂贵和缺乏导致实践课程难以开展的问题。

1目前机电一体化实验教学的不足

1.1实验教学课程情况不理想

由于院校自身规模和资金情况，一些专业的实验教学设备数量很少，在进行实验教学时不能确保每一位学生学都能进行实际操作，有的是几个人共用一台设备，或者干脆就是观看教师操作，再加上一些院校的学制短，课程安排比较紧张，导致实验教学课程开展情况不理想。此外，部分院校的学生自主学习能力差，课堂中理论教学质量不理想，即便学生进行实际操作，也是模仿教师的操作过程，没有真正掌握设备的原理和功能，不能真正结合自己的理论知识进行实际操作，最终实践课程的教学质量也不理想。

1.2实训基地开放时间短

目前，学生进行实践实训的途径有两种，一是日常学习过程中在校内实训基地进行实践学习，另一种是毕业前夕参加校外顶岗实习。校外的顶岗实习大多是以教会学生如何工作为目的，工作之外的操作技巧一般不会过多的传授，所以不会像学校里一样系统化的教授学生知识。校内实训只有在进行实验教学课程的时候才能进行，而且学生进行操作之前教师要占用较长的课上时间，来详细地指导学生怎样去使用教学设备，导致学生自主操作的机会变少。此外，校内的实训基地只有上课时会开放，并且考虑到教学设备的保养与维护还有学生的人身安全，一般不会让学生在课余时间自己进行实践操作。

1.3缺乏教学经费和教学设备

目前国家对技术类院校的投入较少，一些学校的实验教学设备不能及时更新，不得继续使用已经被淘汰的教学和设备，导致学生学的知识跟不上时代的步伐。同时由于大部分院校资源有限，能够投入教学用途的专业设备较少，一旦教学设备在教学中出现故障，就会影响教学进度。

2虚拟仿真技术的功能与优点

2.1三维建模功能

虚拟仿真技术的优势主要体现在它的三维建模功能，通过建立虚拟的三维模型，帮助学生更深入的了解机电一体化教学设备的工作原理和结构组成，巩固学生的理论知识。目前，一些院校的机电一体化仿真实验室都配备了带有三维CAD软件的教学计算机，老师可以通过计算机中的虚拟设备进行实践教学，让每一名学生都拥有实际动手操作的机会。

2.2控制虚拟仿真设备

在虚拟仿真实践教学中，学生可以通过计算机完成对虚拟设备的操作与控制。三维模型建立之后，学生可根据课程需要，在虚拟平台上开展各种实验，比如：模拟交通信号灯工作的实验和模拟电梯运行的实验等等。虚拟仿真技术涉及到很多领域的虚拟仿真，如：机械仿真、电子电路仿真以及液压与气动系统的仿真等。这些仿真平台可以满足教学过程中大部分实验课程的需求，为学生提供实验操作平台。另外教师在实验教学过程中可以给学生布置相应的仿真实验，让学生结合理论知识，进行自主编程或者团队合作共同完成实验，以提高学生的团队协作能力和自主学习与创新能力。

3虚拟仿真技术在机电一体化实验教学的应用

虚拟仿真技术主要是为学生提供了实训机会与平台，通过构建虚拟的教学设备与仪器，让机电一体化和其他相关专业的学生在没有真实设备的情况下也能实际动手操作。

3.1利用虚拟技术分阶段进行机电一体化实验教学

机电一体化的实验教学应该由浅入深进行，因此，教师可通过虚拟仿真技术实现这一目的。首先，开展基础实验的仿真教学，如：电工电子理论基础实验、机械电气与PLC实验、电气控制原理实验等。其次，进行机电一体化的专业实验设计教学，如：数控机床的电气控制实验、传感器模拟实验等。最后是进行机电一体化实际工作的仿真实验教学，如：PLC控制的工业生产线实验、控制工业机器人的实验等。

这样一来，有效的将教学范围缩小，引导学生循序渐进的学习理论知识和实际操作知识。基础性的实验可以先指导学生进行电子线路的连接和组装，帮助学生了解机电一体化设备的线路结构和连接原理以及各种组成元件。第二阶段的课程可以从简单的机电设备入手，指导学生对其进行控制，能够自己判断设备故障并且自主解决故障。最后一个阶段就要结合将来学生可能会从事的工作岗位，有目的的安排学生进行实验，通过虚拟的三维动画，让学生了解本专业具体的工作岗位与职责。这种虚拟的仿真教学教学成本低，而且相对安全，不会出现因设备故障导致学生受伤的情况，还能满足不同课程的实验要求。

3.2建立互联网教学平台

机电一体化的虚拟仿真教学平台具有资源共享的特点，因此，各院校应该通过互联网，将彼此的教学平台联系起来，这样既能方便教师寻找教学资源，又能拓展学生的视野，让他们了解其他学校的实验课程。同时各院校的专业教师还可以组织学生进行一些线上的虚拟仿真比赛，让学生将学到的知识运用到实际工作中，学生既可以在比赛中发现自身的不足又能增长见识，学习自己不具备的知识与技巧。

3.3应用于学生自主学习，自主考核

将虚拟仿真平台应用于机电一体化实验教学的另一个应用实例就是学生可以通过虚拟仿真平台进行自主学习和自主考核，学生通过选择已经建立好三维模型的实验课题进行试验，通过编程的形式，教师规定的或者自已喜欢做的一些课题实验。同时，虚拟仿真平台还具备自动判断程序和自动评分的功能，学生在编写程序之后，经过计算机判断可以告知学生程序中的错误，并且为实验结果打分，这样便可加深学生对错误点的印象，帮助学生及时改正，这样学生就可以通过虚拟仿真技术进行自主学习与考核。

结语

虚拟仿真技术应用于机电一体化实验教学中，可以有效的缓解学生实践操作机会少的困境。而且仿真实验可以将机电设备的工作情况生动的展示给学生，帮助学生真正了解设备的工作原理，对于一些需要准备过程较为复杂的实验，借助虚拟仿真技术，可有效减少对于实验器具和材料的需求。另外，虚拟仿真技术也可用于其他的专业及课程，比如：数控专业、工程建筑专业等，都能帮助学生更深入地理解和掌握理论知识，通过时间与理论结合，提高学习效果。

参考文献：

[1]王辉，张长泉.虚拟仿真实验中心在《机电一体化》实验教学中的应用[J].科技展望，2016，26（20）：241.

[2]刘洋，倪亚玲，吴婷婷.虚拟仿真技术在机电一体化实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2016，14（05）：11-13+25.

[3]李祝庆.虚拟仿真技术在高职机电一体化实验教学中的应用[J].中国高新区，2017，（11）：74.