张 璟，李 昶

（鄂州职业大学，湖北 鄂州 436000）

教育部在2018年4月印发了《教育信息化2.0行动计划》，文件中指出：“要加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要。”虚拟仿真技术为职业教育信息化资源建设、实训教学的“课堂革命”带来了前所未有的机遇。教育部、财政部在2019年3月印发了《关于实施中国特色高水平高职学校和专业建设计划的意见》，指明了新时代职业教育高质量发展的方向和路径，提出加快推进职业教育信息化，大力推进“互联网+”“智能+”教育新形态，推动教育教学变革创新。因此，高职院校实训室建设实现信息化、智能化是大势所趋。应基于虚拟仿真技术深化“互联网+”信息化教学改革，进一步完善虚拟实训室等信息化教学资源，构建一个虚实结合的、有效互动的、资源共享的、快速反馈的沉浸式教学环境，实现不同虚拟仿真技术与教学实施的高效融合和不同学习环境的多场景创建。本研究以“PLC技术”课程为例，探索实施基于虚拟仿真技术的PLC实训教学，采用多元化教学模式，根据不同学习阶段选择不同的虚拟仿真技术，通过分层设计虚拟的情景系统，为学习者创建丰富的仿真场景，让学习者在不同的学习阶段实现自主建构学习。

一、虚拟仿真技术在“PLC技术”课程中的应用现状

PLC是电气自动化领域的核心控制器件，“PLC技术”课程是航空机电技术专业群的核心课程之一。该课程具有较强的实践性和应用性，对实训要求较高。“PLC技术”的传统实训教学过程中存在实训装备成本较高和实训项目的可扩展性、迁移性较差等问题。开展基于虚拟仿真技术的PLC技术实训教学资源建设与应用，既能解决PLC实训教学中存在的三高、三难问题，又能满足我国职业教育信息化对虚拟仿真资源的建设要求。

目前，对于虚拟仿真技术如何应用于PLC实训教学，省内外职业院校、高等学校主要采取单一的虚拟仿真软件。一种是基于MCGS等组态技术或FX-TRN-BEG-C仿真系统的全虚拟仿真，其设计优点是画面逼真，缺点是开发时间较长，项目扩展性较差；另一种是综合GX-Develop-C V8和GXSimulator-6C软件的仿真调试，此类仿真系统适合让学生在巩固知识点的基础上切实提高程序设计能力，缺点是可视性较差，不利于初学或自学。

虚拟仿真技术服务实训教学具有复杂性，仍有诸多问题，如虚拟仿真技术如何精准服务于PLC实训教学，实训教学模式如何改革，等等。因此，本研究从虚拟仿真技术在“PLC技术”课程中的应用入手，基于建构主义学习理论，根据“以学生为中心”的教学理念，遵循学生的认知心理规律，针对传统实训模式存在的问题，探究基于虚拟仿真技术的课程实训多元化教学模式构建，旨在让虚拟仿真技术更有效地助力人才培养质量的提升。

二、基于虚拟仿真的“PLC技术”课程教学模式的构建

（一）理论基础

1.“以学生为中心”的教学理念。“以学生为中心”不是教学方法，是教育理念的创新。对于“以学生为中心”，如果仅从字面理解，很容易产生误解。例如：有的教师为了“以学生为中心”，考虑照顾学生的学习兴趣，因此在教学内容上大刀阔斧地删减，导致教学目标不能完成。这种对“兴趣”的理解就是误解，需要正确理解“以学生为中心”的含义。“以学生为中心”是要以学生的发展为中心，引领学生主动学习，通过更有趣的教学设计吸引学生的注意，激发学生的兴趣。“以学生为中心”是要学生对自己的学习负责，要学生自己主动自觉学习。要实现这种目标，教师需要根据学生的特点和学习要求精细划分教学设计。以学生学习为中心，是教师引领学生有效学习，进入高阶学习。

正确理解“教师主导”的含义。教师是教学过程的设计者，教学环境的营造者，学生学习过程中的引导者、支持者、辅导者和合作者，这才是“教师主导”的真实意义。实现“教师主导”并不轻松，这需要教学内容和教学方法的设计都必须精细化、个性化和有前瞻性。要根据学生未来的需求安排学习内容，采取多种措施和手段激励和鼓励学生，激发学生自发学习的兴趣。

在设计单元教学环节时，应精细化设计课前、课中和课后三个阶段，包括学生和教师各自的活动内容和步骤、活动设计的目的、活动成果的检测评价方法等，尤其在课后要认真撰写教学反思和改进措施。

2.“建构主义”学习理论。建构主义学习理论认为，知识的建构来源于学习者的个人体验，学习者在他人的帮助下，使用一定的学习资料，通过建构的方法得到知识。基于建构主义学习理论，教师在不同的学习阶段应选择适当的教学模式。学生不应该是知识的被动接受者，而应该是知识、能力和素养的主动建构者。

所谓教学，就是教师帮助学生在大脑中构建自己的专业认知模型。教学的核心是“学”而不是“教”，所以教学必须“以学生为中心”。

3.“经验之塔”学习理论。“经验之塔”学习理论认为，教育应该从具体的体验开始，逐步过渡到抽象的经验。认知心理学是探讨心理如何被组织而产生智能思维，以及心理如何在脑中实现的科学。它告诉我们：教师需要考虑让天生的好奇心保持并思考；高阶技能的培养需要学生自己内化；一个人思考什么就会记住什么；在已知事物的架构下理解新事物；学习效果评价能激励学生充分练习，从而达到熟练自如的程度；初期认知和后期认知截然不同，可以让优秀学生教生手学生；人获取信息大部分靠视觉；大脑是用进废退的；教师的教学是需要练习的。

基于此，教师需要遵循学生的认知规律，在不同的学习阶段，选择适当的虚拟仿真技术，采用多元教学模式，分层设计学习项目，以学生的有效学习为核心，通过可评测的学习效果，引导激励学生自主学习。

（二）研究内容

1.解构与重构“PLC技术”课程内容。传统的教学内容以教师的“教”为中心，关注的是知识的传授。而以学生为中心的教学是以学生的“学”为中心，关注学生的有效学习。具体来说，是以学生的学习成果为导向，以社会的需求和科学的发展为指引，用科学的方式分析学生的学情，以学生的有效学习为核心，学生的学习效果可评测，从而良性驱动学生自主学习。

传统的课程设计展现的是教学的内容，都是细碎的知识点，最终要干什么、能干成什么都很抽象。“以学生为中心”的课程内容是展现学习成果，学生知道要达到什么结果，教师为了促成这个结果，开展一系列的教学设计。这种学习是有目的的，教学设计也是有针对性的。

“PLC技术”课程使用的教材分为7章，分别是PLC概述、PLC的基本结构与工作原理、三菱FX3U系列PLC、编程软件、MCGS软件、PLC控制系统的设计与应用、PLC在工业控制中的应用举例。根据“经验之塔”学习理论，学生的学习应该从具体的经验开始，逐步过渡到抽象的经验。因此将教学内容解构，重新整合为3个模块：基于FX-TRNBEG-C仿真系统的全虚拟仿真教学、综合GX-Develop-C V8和GX-Simulator-6C软件的仿真调试与实物相结合的虚实结合教学、基于MCGS等组态技术的PLC控制系统的设计与应用。解构与重构后的课程内容如表1所示。

表1 课程内容体系

2.有机融入课程思政的一体化教学设计。根据航空机电技术专业群的特点，从顶层开始进行系统设计，在人才培养方案中贯彻“课程思政”的精神。从人才培养方案的设计到课程标准的制定，最后落实到每节课每个教学环节，进行一体化教学设计，将课程思政融入学生学知习技的过程中，实现潜移默化的价值引领效果。

通过深学细悟习近平新时代中国特色社会主义思想，着力提升政治素养，努力做到真学真信真用，从思想上提升专业课教师对“课程思政”的认知。在教学实施过程中，教师是最好的榜样。教师胸怀祖国，就能培养学生服务人民的爱国精神；教师在技能操作上勇攀高峰，就能培养学生敢为人先的创新精神；教师追求真理、严谨治学，更易培养出学生淡泊名利、潜心研究的奉献精神。

教师还要与时俱进，紧跟时事，充分挖掘思政教育元素，开发学生喜闻乐见的课程思政资源，让思政元素自然地融入到课堂教学中。

3.分析各类虚拟仿真软件的特点与优势。传统“PLC技术”课程实训模式主要是“理实一体化”，在介绍完PLC系统设计流程后，采用PLC实训台，开展相应项目的验证性实验。这样的教学过程，以教学内容的完成为目的，对初学的学生不太友好。建构主义学习理论认为知识的建构来源于学习者的个人体验，若出师不利，学生往往会降低对后续学习的兴趣。

针对这一情况，通过分析FX-TRN-BEG-C仿真学习系统、GX Developer和GX-Simulator-6C编程软件、MCGS组态软件等仿真软件的优势，遵循学生的认知规律，在不同的学习阶段，选择适当的虚拟仿真技术，分层设计学习项目，建构基于虚拟仿真技术的多元化实训教学模式，有利于帮助学生实现自主建构学习。

不同学习阶段仿真软件的选择：针对“零基础”的学生，重点是如何从“零”开始“深入浅出”地实施虚拟仿真教学，教学的难点是使学生乐于学习、易于接受。此阶段可采用FX-TRN-BEG-C三菱学习软件。该虚拟仿真系统可以逼真地模拟现实世界的事物和环境，有利于培养学生在实验环节的创新实践能力。通过此虚拟仿真软件，在教学实践中适时播放相关的工程应用案例视频，及时将所学知识和实际应用过程联系起来，帮助学生实现知识的迁移，让学生有获得感，激发学生求知的欲望，引领学生轻松入门PLC技术。对于初学者来说，通过该虚拟仿真软件可以快速高效地学会编程，激发内生创新动力，达到事半功倍的效果。

在学生已经掌握了基本的编程思路后，需要学习设计更多工业现场的真实控制任务。采用企业级MCGS组态技术或三菱GX works2和GT Works3软件联合，搭建全虚拟的PLC系统控制场景，既能实现应用场景的可视化虚拟再现，也能增强实训项目的可扩展性和迁移性。使用GX Works2和GT work3联合进行虚拟仿真，还能方便地模拟出不同应用场景、不同行业的PLC控制系统的个性化设计需求，增强实训过程的画面感和娱乐性，突出对学生PLC控制系统设计能力的培养，提高学生学习的自主性和有效性，激发学生自主探究的能力和创新意识。

4.反向教学设计矩阵。传统的人才培养模式是以教师“教”为中心，以书本知识内容的传递为核心。“以学生为中心”的人才培养是以学生的“学”为中心的，以学习成果为导向，以社会的需求和科学的发展为指引，用科学的方式分析学生的学情，以学生的有效学习为核心，学生的学习效果可评测。

因此，本课程设计分为5个步骤：分析—设计—开发—实施—评估。这与传统教学设计有以下几个不同之处：

（1）教学设计的流程不同。以前是目标——教师教——学生学——考核评估，逻辑衔接出现断档。而反向教学设计则非常清晰地指明了学与教的逻辑关系，学生为主体，教师为学生提供帮助，帮助学生建构自己的知识、能力和素质，这才是真的以学生为中心。

（2）教学目标的撰写方式不同。以前在描述教学目标时，要么拔高难度，要么难度太小，要么事无巨细，所有内容全写上，没有重点。根据40/40/40原则和布鲁姆目标动词描述方式，以“十字路口机械手的PLC控制系统”为例，撰写新的教学目标如表2所示。

表2 十字路口机械手的PLC控制系统设计教学目标（续表）

表2 十字路口机械手的PLC控制系统设计教学目标

5.基于BOPPPS模式的教学活动设计。以“部件分配系统的PLC控制程序设计与仿真”为例对教学活动进行说明：

（1）导入环节。通过聚焦时事新闻——“双11的快递量再创新高”，引导学生讨论这背后的快递分拣工作是如何实现的，让学生通过自身感受体会天量快递的分拣难度，想象部件分配系统的工作过程。

（2）学习目标。熟练应用PLC控制系统的程序设计流程；自行设计程序，使得物料分拣系统能够合理地工作。

（3）前测环节。采用判断题、排序题等方式，帮助学生回忆之前的程序设计经验，了解学生对编程思路的理解程度和对程序设计流程的熟悉程度。

（4）参与式学习。学生分小组研讨设计方案，开始实施设计。教师观察各小组的实施情况，及时回应小组请求，鼓励学生积极参与。小组设计完成后，推荐优秀小组代表分享设计经验，激发学生参与课堂活动的热情。

（5）后测环节。理论性内容采取选择题和排序题的方式检测；项目程序设计题采取小组互评、教师点评的方式打分，作为课程过程考核的积分；程序设计题设计有评分量表。

（6）总结。总结PLC控制系统的设计步骤；总结物料分拣系统的编程设计思路。

6.机械手系统的设计报告Rbric，见表3。

表3 机械手系统的设计报告Rbric

三、特色与创新

（一）特色

在不同学习阶段选择运用不同的虚拟仿真软件进行PLC实训教学，遵循学生的认知心理规律，分阶段创建可视化的PLC控制系统虚拟教学场景，降低学习者对不同行业、不同需求的PLC应用环境的陌生感，引导学生将学习的重点聚焦在PLC控制系统设计的各个环节上，有利于激发学习者的学习兴趣，实现有效自主建构学习。

（二）创新点

基于建构主义和“经验之塔”学习理论，以学生为中心，采用多元教学模式，在不同学习阶段选择不同的虚拟仿真技术开展教学。帮助学生在初学阶段轻松入门，在经验积累阶段有效聚焦学习重点，让虚拟仿真技术更有效地服务于人才培养质量的提升。

总 结

“PLC技术”课程旨在根据PLC控制系统设计岗位需求，通过合理精准地使用虚拟仿真技术，培养符合岗位能力要求的高素质技术技能人才。为实现这一目的，在实训环节应充分利用虚拟仿真技术，构建多元化教学模式，实施“课堂革命”。将“以学生学习为中心”和“以学习效果为中心”的原则贯穿于教学设计中，帮助学生更有效地学习。