一、產(chǎn)生背景
目前我校機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程如微機(jī)原理、控制工程等課程的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中存在諸多問(wèn)題：一是，課堂教學(xué)多以理論教學(xué)為主，教學(xué)中需要很多硬件設(shè)備，一般理論課堂難以輔助硬件進(jìn)行教學(xué)，即便演示，效果也不好。二是，機(jī)電專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室由專(zhuān)人管理，學(xué)生除了上課外，平時(shí)難得有機(jī)會(huì)實(shí)踐，而采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如單片機(jī)大多是成品,學(xué)生很難參與其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，因此學(xué)生動(dòng)手能力也很難得到提高。三是，配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備多采用實(shí)驗(yàn)箱或硬件仿真器配目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板，這種配置方式直接導(dǎo)致該課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限、實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)工作量大等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。四是，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、落后，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高，由于技術(shù)的不斷更新，設(shè)備的不斷老化，實(shí)驗(yàn)儀器也會(huì)很快落后。
針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目構(gòu)建了一個(gè)適合“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)的機(jī)電專(zhuān)業(yè)虛擬仿真軟件，把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)課堂，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的無(wú)縫銜接，讓理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，老師根據(jù)授課要求隨意切換理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境。
二、仿真軟件架構(gòu)
該模擬仿真軟件的整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 整體框架圖
軟件系統(tǒng)的構(gòu)成和搭建。該系統(tǒng)讓不同功能的動(dòng)畫(huà)模塊、指令編譯模塊等能相對(duì)獨(dú)立開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)完成后又能很方便地完成各模塊的拼接。
構(gòu)建模型及對(duì)三維場(chǎng)景的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維建模。在真實(shí)生產(chǎn)線(xiàn)中，PLC控制著氣缸、電機(jī)等部件的運(yùn)行，準(zhǔn)確地對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模并賦予其相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作動(dòng)畫(huà)對(duì)于驗(yàn)證PLC程序的正確與否非常重要。在關(guān)鍵的地方設(shè)置虛擬的傳感器和虛擬的光電傳感器作為信號(hào)輸入源。
編譯和轉(zhuǎn)換程序的開(kāi)發(fā)。其核心是開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬PLC算法系統(tǒng)，用于模擬真實(shí)的PLC。系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：位邏輯指令。這類(lèi)指令用于描述存儲(chǔ)器或繼電器的值,它包括觸點(diǎn)指令和輸出指令。定時(shí)器計(jì)數(shù)器指令，這類(lèi)指令包括接通延時(shí)定時(shí)器加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器。
虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐。用戶(hù)登陸界面的搭建和后臺(tái)管理，實(shí)驗(yàn)講解和演示界面，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和評(píng)分系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)講解和演示界面包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的文字說(shuō)明和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物視頻，幫助學(xué)生更好的了解和認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)裝置。試驗(yàn)運(yùn)行和評(píng)分系統(tǒng)通過(guò)虛擬 PLC系統(tǒng)解析指令表控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，驗(yàn)證程序的正確性。評(píng)分系統(tǒng)作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況的考核系統(tǒng)，評(píng)定學(xué)生成績(jī)并匯總成表格提供給教師。
三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、方法、效?/strong>
目的：
（1） 了解三菱Q系列PLC的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理；
（2） 熟悉PLC基本指令并運(yùn)用編程軟件編寫(xiě)梯形圖程序；
（3） 編寫(xiě)PLC程序完成對(duì)整個(gè)灌裝工位的運(yùn)行控制
實(shí)驗(yàn)方法描述：
首先，學(xué)生通過(guò)觀看虛擬仿真軟件中的教學(xué)視頻與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)對(duì)實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行掌握；接著，將PLC程序下載到仿真軟件中，觀察運(yùn)行結(jié)果并驗(yàn)證的程序的正確性；若程序不正確，可不斷將更新后的程序下載入仿真程序中進(jìn)行驗(yàn)證；試驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行評(píng)分并成績(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。
效果：
（1）該虛擬系統(tǒng)具有逼真的場(chǎng)景，可完成對(duì)生產(chǎn)流程模擬仿真，還能將學(xué)生自主開(kāi)發(fā)的PLC程序下載到已經(jīng)搭建好的虛擬生產(chǎn)平臺(tái)中，讓虛擬生產(chǎn)線(xiàn)按照學(xué)生的預(yù)想去運(yùn)行，實(shí)時(shí)反映程序運(yùn)行效果，加深了學(xué)生對(duì)于PLC、電機(jī)控制、傳感器的認(rèn)識(shí)與掌握程度，極大地減少了試錯(cuò)成本；
（2）突破了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)套數(shù)、場(chǎng)地和師資等各方面的限制，同時(shí)虛擬場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)可大大提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主觀能動(dòng)性。
四、實(shí)驗(yàn)方案特色
（1）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路：
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了不限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨時(shí)進(jìn)行修改，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可根據(jù)指令表軟元件顏色的變化判斷程序的通斷，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)只能觀察IO指示燈亮滅等不直觀的情況。同時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的變更而對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行更新，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案受儀器設(shè)備老化的限制，更為師生提供了一個(gè)不受時(shí)間、空間限制的實(shí)驗(yàn)方案。
（2）教學(xué)方法：
本項(xiàng)目構(gòu)建一個(gè)適合“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)的機(jī)電專(zhuān)業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，把實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)課堂，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的無(wú)縫銜接，讓理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)同時(shí)進(jìn)行，老師根據(jù)授課要求隨意切換理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境，老師能夠做到“教中做、做中教”，學(xué)生能夠做到“學(xué)中做、做中學(xué)”，達(dá)到真正意義上的“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)要求，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融為一體，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，強(qiáng)化學(xué)生的職業(yè)能力，提高教學(xué)效果。
（3）評(píng)價(jià)體系：
系統(tǒng)采用按點(diǎn)評(píng)分的策略，可以檢測(cè)到學(xué)生操作過(guò)程的薄弱知識(shí)點(diǎn)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)與評(píng)價(jià)結(jié)果更有針對(duì)性，同時(shí)大大減輕了教師的教學(xué)強(qiáng)度。
（4）傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展:
利用機(jī)電傳動(dòng)虛擬仿真和實(shí)際兩套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，機(jī)動(dòng)學(xué)院在后續(xù)開(kāi)發(fā)上已進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)。機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)發(fā)、校企結(jié)合自主實(shí)習(xí)模式的探索、機(jī)電綜合類(lèi)學(xué)生競(jìng)賽等都已作為利用這兩套系統(tǒng)，進(jìn)行后續(xù)建設(shè)的內(nèi)容，旨在通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方法，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。
