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摘要：当前自动化专业的实验教学多为实物实验，由于实验器材数量有限、实验设备较为落后等客观因素影响，学生实验课程学习难度高、积极性低已经成为一个突出难题。以控制类实验为例，使用半实物仿真技术设计虚拟被控对象使用真实控制器进行控制，采用虚实结合实验教学的方式进行教学，事实证明将半实物仿真技术应用于自动化专业实验教学上能加深学生对控制实验的理解，激发学生的学习兴趣，能够有效提高学生对于教学内容的理解提升教学质量。

关键词：自动化;人才培育;半实物仿真;学科教育

自动化是一个多学科、领域融合交叉的专业，不仅涉及传统的工业、机械、化工、国防等领域如今还扩展延伸至人工智能、物联网、机器人等领域，专业要求学生有较强的综合学科素质，以及理论与实践结合的能力[1-4]，因此自动化学科实验教学的重要性日益凸显。在实验教学中目前还存在着教学仪器成本昂贵、设备维护困难、使用条件复杂等问题。随着计算机、通信以及互联网等技术的高速发展[5，6]，全球范围内出现了大量远程实验室和虚拟实验，能够实现实验资源共享。2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》，发展规划明确了建设各级各类优质数字教育资源的工作目标，全国各大高校都积极开展虚拟仿真实验项目建立虚拟仿真实验室，目前记录在册的已覆盖人文社科、理工、农林医药三个学科大类、41个学科类别、共计两千余个虚拟仿真教学实验。在计算机、电子信息、微电子领域也有许多虚拟仿真实验室出现，如浙江大学的网络实验室（Netlab）、UNILabs、WebLab-Deusto以及本校的自动化类虚拟仿真实验中心。本校的虚拟仿真实验中心学生只需通过网页端即可访问，学生使用该平台不仅能实现远程设备共享同时还能具有强烈沉浸感，在学生的实验教学中有较为明显的效果。虚拟仿真实验室虽然优点明显但也存在其缺点，自动化专业作为控制类学科下属的专业，对学生的理论知识和实践能力要求较高，学生在学习控制器的时候需要实际动手操作才能加深对控制原理的理解和对控制器的认知，纯虚拟实验不能完全满足学生需求，半实物仿真采用虚拟被控设备和真实控制器相结合的方式能够有效解决纯虚拟仿真学生无法操作真实控制器的尴尬[11，12]，也解决了使用实验箱等实体设备被控对象非真实性强、沉浸感过低的弊端，提高了学生学习的体验感和积极性。

一、高校实验课程教学现状

高校的人才培养分为应用型人才培养和学术型人才培养两个类别，应用型人才是指将专业知识和技能应用于所从事的专业社会实践的一种专门的人才类型，是熟练掌握社会生产或社会活动一线的基础知识和基本技能，主要从事一线生产的技术或专业人才。自动化专业本科教学所进行的主要工作即为培养学生的控制类学科思想为需要进一步深入研究的学生奠定坚实的学术基础，同时培养学生的控制类工程应用能力为将来要走向工作岗位的学生培养良好的动手实践能力和解决问题的思维。人社部数据显示，我国制造业高技能人才只占技能人才总量的28%，与发达国家相比仍然有较大差距，为加快建设制造强国，既需要研究型人才，也需要高素质技术技能型人才，因此近年来国家大力发展培养应用型、技能型人才，推动众多高校向应用型本科转型为国家培养更多高素质技能型人才。目前我校自动化与信息工程学院实验教学中心拥有如PLC控制实验室、过程控制实验室以及智能技术及其应用研究实验平台实验室等多个实验室，这些实验室在本科教学中培养学生专业知识、分析问题、解决问题的能力起到重要作用，但是在目前的实验教学中仍存在以下几点问题。

（一）学生的实验能力培养是一个系统性工程

各个不同的实验课程存在内在联系，但是在目前实际教学中由于课程结构设置等原因，不同课程由各个不同的教师进行授课，在授课过程中每个教师都有不同的教学方式和教学手段，一些本有联系的课程被孤立开来，学生无法系统性学习，导致学生缺乏知识体系的完整性结构。

（二）实验教学缺乏层次性

当前的实验课设置基本都是按照理论课程来制定的，学生在学习了一门理论课程之后就进行相关课程的实验课，但是实验课的教学其实需要一个循序渐进的过程，学生需要从入门到易再到难的步骤进行学习。现在的实验课和理论课严重挂钩导致实验课的进行缺乏层次性，导致学生学习难度增大学习门槛变高，进而抑制了学生创新能力的培养。

（三）实验教学的教学方式单一

大多为验证性实验，缺乏对学生创新性和创造性能力的培养，很多实验采取教师演示一次，学生原样照搬的方式进行教学，这种教学方式极大削弱了学生学习的积极性，同时对于学生实验结果的评判缺乏一个科学、标准化的评价体系。

（四）实验教学体系需要给学生提供足够的实验空间和机会

由于资源、经费、器材等因素影响学校能够给学生提供的实验平台有限，这个问题可以通过学校与企业合作让学生去相关企业实习来解决，但实际情况是薄弱学生没有实习机会锻炼实验和实践能力。

二、自动化专业实验教学平台改革思路

自动化专业所对应的一级学科为控制科学与工程，控制理论的学习和控制器的应用是其专业教学的核心，随着学生对控制理论和控制器学习的不断深入需要学生通过实验等手段将学习的控制理论应用于控制器之上，在这个过程中有一些问题不断暴露出来，主要体现为一下几个方面：①学生对于控制器的掌握还多停留在书本上，对于真实控制器的应用，特别像PLC等工业上广泛使用的控制器的使用经常会出现PLC无法连接、误操作等问题。②学生初次使用控制器对应的编程软件时控制器无法正确完成编译、链接、下载等功能。③一些大型或贵重的被控设备数量有限不能满足学生对实验设备的需求。④现有的实验设备较为单一学生能进行的实验项目较少不能满足学生多样化。

由于在自动化专业的实验课程中存在上述问题，为提升教学水平、增强学生实践能力，将半实物仿真技术引入实验课程中让学生使用实验软件操控真实控制器控制虚拟被控对象，打破传统实验模式，开展具有真实性、创新性、综合性的实验教学，突出学科特点解决实际问题，同时针对实验教学内容、教学形式、教学方案进行改革，主要体现在以下几个方面。①任务驱动，逐步深入。结合半实物仿真技术的实验教学看重“教、学、实践一体化”，根据不同的教学阶段为学生布置不同的实验任务，指引学生完成从入门到易再到难的全流程实验，采用循序渐进的方式将学生的理论知识应用到实际领域中来，帮助学生加深知识理解，提高工程能力。半实物仿真实验教学平台能够为学生提供不同难度的控制实验，让学生有分析实验需求、解决实验问题、完成实验效果的机会，能够锻炼学生遇到问题思考解决问题的能力，同时尽可能激发学生的主观能动性，为学生创造较好的学习实验氛围。②教师引导，学生主导。大学教育的一个核心理念就培养学生的自主学习能力，利用半实物仿真实验教学平台能通过平台让学生在任何时候和地点都能做实验，同时教师可以通过教学平台和学生互动，了解学生的学习效果和实验情况。在整个过程中教师不直接干预学生的实验，只起到引导和答疑的作用，学生通过搜集资料、分组讨论、自主实验等方式自己负责自己的实验和进度，通过这种方式在增强学生专业实践水平的同时锻炼学生的自主学习能力。③真实模拟，实操训练。实验使用虚拟仿真技术再现真实被控对象，能够解决实际场景中实验仪器不足甚至根本缺乏实验仪器或实物实验成本高昂的困难，学生使用半实物仿真实验教学平台能够多次进行实验不用担心实验过程造成仪器损坏等问题，有利于学生实验积极性启发学生思维、锻炼学生工程水平从而提高实验教学质量。

三、基于半实物仿真技术的教学实验模式研究

（一）半实物仿真实验教学平台框架搭建

以本校自动化与信息工程学院的自动化专业为例，结合本专业人才培养方案与课程体系设置安排，构建一套采用半实物仿真技术的控制实验平台，用于专业学生进行控制器的学习和实验，系统采用从入门到易再到难的阶梯式实验流程安排了不同难度的控制实验，循序渐进地使学生进行学习。系统框架分为硬件和软件两个部分，系统结构框架如图1。

硬件部分包括控制器和中间信号转换模块，控制器可以根据教学任务进行选取，中间信号转换模块的核心使用ARM微处理器，模块功能根据系统实际需求绘制PCB板进行制作，模块软件部分使用Keil软件进行编程完成上位机与控制器之间的通信功能。软件平台部分使用3dsMax软件进行对系统的被控对象进行3D建模，并使用Unity引擎进行实验场景的搭建，场景搭建中需要对模型进行骨骼绑定、仿真参数设置、运动动画制作等流程，并使用C#语言编写脚本完成被控对象的受控逻辑和通信等功能的编程，此外还需要在Unity引擎中进行UI设计和交互设计方便学生能够简单地上手使用。软件平台的结构如图2所示。

（二）半实物仿真教学平台实验设计

实验教学平台的课程设计需要有足够的层次化和阶梯性，需要避免一开始学生接触的实验难度过高而打击学生学习积极性，因此本半实物仿真实验教学系统在设计之初结合本校自动化专业本科的实验课程，精心挑选了由易到难的不同实验如水塔实验、传送带实验、电梯实验等，以循序渐进的方式为学生提供学习环境和空间。

具体实验设计以传送带实验为例，该传送带实验系统的功能如下：在传送带开动时工件盘最初未装载工件，当工件盘驶过红外检测开关时生产线上的气动阻挡开关会弹出阻挡工件盘继续移动，并且机械臂会抓取工件将其放到工件盘上，当工件安放完毕则收回启动阻挡开关，工件盘继续移动到生产线终点，终点的红外检测装置检测到带工件的工件盘后会将工件取下从而完成一个装卸流程。该实验包含了多个控制逻辑点，学生在进行实验时如果没能在对应的逻辑点进行控制实验就不会正常进行，因此最大程度还原真实传送带系统，让学生能真实体验到对实验控制的完成。

本系统3D模型的绘制使用3Dsmax软件完成，该软件是目前市面上最强的建模软件之一能精确搭建真实物体模型，如图3所示，控制系统的搭建使用Unity引擎完成，该引擎是一个功能强大的商业游戏引擎能够实现复杂场景中的各项动作和功能，能够还原物理世界中的重力、反射、光照效果等，本系统的实验场景功能效果图如图4所示。

四、结语

随着国家推进应用型人才培养的战略不断实施，自动化专业作为当前热门的工科专业之一理所应当需要承担为社会输送大量应用型人才的责任，这为各个高校的人才培养模式带来了一定程度上的压力，同时也驱动这各个高校进行进一步的课程创新改革工作。本校在此基础上针对自动化学科实验教学过程中所存在的实际问题设计，使用Unity引擎开发了一个半实物仿真教学系统，该系统结合了虚拟仿真与实物实验两方面的优点，既使用了真实控制器又解决了难以使用真实被控设备的问题，能够充分达到自动化学科实验教学的教学目的，对培养自动化专业学生理论与实践能力起到推动作用。

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