一、产生背景

目前我校机电类专业课程如微机原理、控制工程等课程的课堂教学及实验中存在诸多问题：一是，课堂教学多以理论教学为主，教学中需要很多硬件设备，一般理论课堂难以辅助硬件进行教学，即便演示，效果也不好。二是，机电专业实验室由专人管理，学生除了上课外，平时难得有机会实践，而采用的实验设备如单片机大多是成品,学生很难参与其中的细节设计，因此学生动手能力也很难得到提高。三是，配套的实验设备多采用实验箱或硬件仿真器配目标实验板，这种配置方式直接导致该课程的实验项目有限、实验时间过长、设备维护工作量大等现实问题。四是，实验设备不足、落后，单片机实验室建设成本高，由于技术的不断更新，设备的不断老化，实验仪器也会很快落后。 

针对上述问题，本项目构建了一个适合“教、学、做”一体化教学的机电专业虚拟仿真软件，把实验室搬进课堂，实现理论教学和实践教学的无缝衔接，让理论教学和实践教学同时进行，老师根据授课要求随意切换理论教学和实践教学的环境。

二、仿真软件架构

该模拟仿真软件的整体架构如图1所示。

图1 整体框架图

软件系统的构成和搭建。该系统让不同功能的动画模块、指令编译模块等能相对独立开发，开发完成后又能很方便地完成各模块的拼接。

构建模型及对三维场景的控制。执行机构的三维建模。在真实生产线中，PLC控制着气缸、电机等部件的运行，准确地对这些机构进行建模并赋予其相对应的动作动画对于验证PLC程序的正确与否非常重要。在关键的地方设置虚拟的传感器和虚拟的光电传感器作为信号输入源。

编译和转换程序的开发。其核心是开发一个虚拟PLC算法系统，用于模拟真实的PLC。系统主要包括以下几个部分：位逻辑指令。这类指令用于描述存储器或继电器的值,它包括触点指令和输出指令。定时器计数器指令，这类指令包括接通延时定时器加计数器、减计数器。

虚实结合的教学实践。用户登陆界面的搭建和后台管理，实验讲解和演示界面，实验运行和评分系统。实验讲解和演示界面包括实验指导书的文字说明和现场实物视频，帮助学生更好的了解和认识实验装置。试验运行和评分系统通过虚拟 PLC系统解析指令表控制执行机构的动作，验证程序的正确性。评分系统作为学生实验情况的考核系统，评定学生成绩并汇总成表格提供给教师。

三、实验目的、方法、效果

目的：

（1） 了解三菱Q系列PLC的基本结构与运行原理； 

（2） 熟悉PLC基本指令并运用编程软件编写梯形图程序； 

（3） 编写PLC程序完成对整个灌装工位的运行控制

实验方法描述：

首先，学生通过观看虚拟仿真软件中的教学视频与实验指导书对实验要求和实际运行情况进行掌握；接着，将PLC程序下载到仿真软件中，观察运行结果并验证的程序的正确性；若程序不正确，可不断将更新后的程序下载入仿真程序中进行验证；试验结束后系统自动进行评分并成绩写入数据库。

效果：

（1）该虚拟系统具有逼真的场景，可完成对生产流程模拟仿真，还能将学生自主开发的PLC程序下载到已经搭建好的虚拟生产平台中，让虚拟生产线按照学生的预想去运行，实时反映程序运行效果，加深了学生对于PLC、电机控制、传感器的认识与掌握程度，极大地减少了试错成本；

（2）突破了实际的实验系统台套数、场地和师资等各方面的限制，同时虚拟场景的实现可大大提高学生的实验兴趣和在实验过程中的主观能动性。

四、实验方案特色

（1）实验方案设计思路：

本虚拟仿真实验室为学生提供了不限次数的实验机会，学生可根据实验结果随时进行修改，实验过程中可根据指令表软元件颜色的变化判断程序的通断，解决了传统实验时只能观察IO指示灯亮灭等不直观的情况。同时可根据实验内容的变更而对虚拟仿真系统进行更新，突破了传统实验方案受仪器设备老化的限制，更为师生提供了一个不受时间、空间限制的实验方案。

（2）教学方法：

本项目构建一个适合“教、学、做”一体化教学的机电专业虚拟实验室，把实验室搬进课堂，实现理论教学和实践教学的无缝衔接，让理论教学和实践教学同时进行，老师根据授课要求随意切换理论教学和实践教学的环境，老师能够做到“教中做、做中教”，学生能够做到“学中做、做中学”，达到真正意义上的“教、学、做”一体化的教学要求，将理论教学和实践教学融为一体，提高学生的动手实践能力，激发学生的创新思维，强化学生的职业能力，提高教学效果。

（3）评价体系：

系统采用按点评分的策略，可以检测到学生操作过程的薄弱知识点，是实验教学与评价结果更有针对性，同时大大减轻了教师的教学强度。

（4）传统教学的延伸与拓展:

利用机电传动虚拟仿真和实际两套实验系统，机动学院在后续开发上已进行很好的设计。机电综合实验课程的开发、校企结合自主实习模式的探索、机电综合类学生竞赛等都已作为利用这两套系统，进行后续建设的内容，旨在通过虚实结合的方法，提升学生学习兴趣，提高教学效果。