虚拟平台在机电一体化教学中的应用

基于虚拟平台的新型冠状病毒肺炎居家隔离期间机电一体化教学

摘要

在全球范围内爆发的疫情迫使我们改变了生活方式，其中包括避免面授课程。因此，出现了一个重要问题：如何开展以项目开发为重点的课程（如机电一体化课程）的在线教学？本文介绍了在在线课程中使用的平台，包括Factory I/O、Overleaf、Tinkercad和FluidSIM，用于替代面授实践。文中阐述了该课程的开发过程、课程特点以及在在线模式下通过这些平台完成的实践内容。主要目的是表明，通过为课程各主题选择合适的在线工具，可以有效替代面授实践。使用在线平台和仿真软件有助于获得与实验课程相关的新型教学技能。总体而言，在线平台提供了替代性且新颖的工具，可将大部分课程内容转化为在线模式。

索引术语 —新型冠状病毒肺炎, Factory I/O, FluidSIM, 机电一体化, Overleaf, Tinkercad.

一、引言

由于新型冠状病毒肺炎（据理论起源于中国武汉），几乎改变了所有人的生活方式。该病毒影响了社会的各个领域，如商店和工业，教育领域也不例外，因为已无法前往学校和大学上课，学生不得不通过虚拟方式完成课程。

这对教师和学生来说都是巨大的挑战，因为他们不习惯远程授课，教师需要将课程调整为在线模式。为此，教师和教授们开始寻求各种在线平台的支持，以帮助学生更好地理解课堂计划中的概念。一些针对此次危机的举措和应对措施使得有关使用Google Meet、Zoom等在线教学平台的信息得以共享[1]。此外，越来越多的活动已转移到虚拟活动和在线项目中，这具有实用性和成本效益[2]。例如，第22届能源转换大会暨展览会便通过在线视频形式展示主题内容[3]。

在线课程对于机电一体化等课程来说更加困难，因为这类课程主要侧重于通过使用嵌入式板卡（主要是Arduino）的实践和项目来展示传感器与执行器的操作；因此，由于无法进入大学实验室，教授们使用了一些仿真平台来帮助向学生介绍不同类型的执行器和传感器。以下段落简要描述了用于成功开展教学的平台。

FluidSIM 是一款用于创建、仿真和研究电‐气动、电‐液压、数字和电子电路的综合性软件[4]。文献中有若干研究文章讨论了使用 FluidSIM 软件对液压系统进行仿真和建模[5]，也有一些文章探讨了利用 FluidSIM 设计、仿真并测试医疗床侧轨和锁扣的抗力与可靠性[6]。

Factory I/O 是一种仿真软件，可在其中以三维方式模拟工厂环境以学习自动化技术。该软件设计易于使用，允许通过选择常见的工业部件快速构建虚拟工厂[7]。已有研究文献探讨了使用 Home I/O 和 Factory I/O 仿真器向大学和高中生教授控制知识[8]，甚至有文献研究了 Factory I/O 和 KUKASim 仿真软件在工业自动化中的应用[9]。Tinkercad 是一套免费的在线软件工具集合，面向三维设计、电子学和代码创建[10]。一些研究探索了使用 Tinkercad 仿真电机电路，以帮助制造机械臂来为老年人和残疾人喂食[11]，甚至有研究论文探讨了在智利瓦尔帕莱索地区利用 Scratch 和 Tinkercad 向一群小学生开展编程实践和电子计算教学的经历[12]。Overleaf 是一款易于使用的在线LaTeX编辑器，提供现代协作写作工具，有助于使科学和研究更加高效、开放和透明[13]。已有研究论述了使用在线编辑器 Overleaf 创建编程代码，以帮助化学家更方便地在工作中引入化学公式[14]。此外还有一项研究评估了在线编辑平台 LaTeX 所拥有的一款扩展插件的易用性，该插件旨在辅助研究人员和作者进行连续文本创作和非连续文本创作[15]。

本文旨在提出一种基于数字平台的替代方法，并总结在因疫情导致居家隔离期间，将该方法应用于机电一体化课程中的经验教训。

II. 使用的平台

为了解决必须以虚拟方式讲授机电一体化课程的问题，采用了一些平台和数字软件，具体如下所述：

A. FluidSIM

该仿真软件非常易于使用，如图1所示，尽管其图形质量在我们将要介绍的平台中较低，但在课程中用于了解液压和气动执行器的外观（如活塞）、气动肌肉以及用于控制它们的各种电磁阀类型时，非常有用。

如图1所示，FluidSIM主界面的右侧用于放置待仿真的组件。左侧是元件库，包含各种类型的执行器、电源、不同类型的分配阀等。

B. Tinkercad

Tinkercad平台是一个在线仿真器，您可以在其中开发从三维设计到电路设计的各种项目，而后者正是我们机械课程所关注的重点。该平台非常有趣，因为它使用起来非常简单且实用，此外还包含大量广泛用于制作电路的组件，例如：电阻、LED灯、电位器、电池、步进电机和伺服电机、各种类型的传感器以及面包板等众多组件。

该仿真器的操作非常简单，因为其界面非常直观。该平台内置了 Arduino UNO 的仿真，这使得进行项目变得更加容易。此外，对于该平台提供的每个组件，仿真器指定 Arduino UNO 各端口的操作方式。例如，连接是接到接地还是信号。因此，连接非常容易实现，甚至为了使其更像实际电路的布局，还会使用原型板来更好地分布组件。

最后，在图3所示的“代码”部分，有三种模式：第一种是积木代码，对于不熟悉Arduino编程方式的用户非常有用；第二种是文本模式，即在Arduino IDE中通常使用的编程方式；第三种是文本与积木的结合模式。请注意，该部分提供了一个串行RS‐232监视器，类似于Arduino IDE中使用的监视器，可用于向Arduino输入数值或参数。

C. Factory I/O

Factory I/O 是一款非常有趣且完整的仿真软件，因为本机电一体化课程中讨论的多种传感器和执行器都可以集成其中，因为在 Factory I/O 仿真器中，生产线是在仓库环境场景内进行模拟的。

工厂中可以添加不同类型的传感器、传送带以扩大生产线，以及用于积聚所运输的不同产品的斜坡等其他元素。

Factory I/O 本身已包含一些默认场景，这些场景受到典型工业应用的启发，范围从简单的生产线到包含更多元素和更复杂情景的仿真。图4展示了在 Factory I/O 中创建新项目时的启动界面，可以看出界面非常简洁：右侧显示一个包含所有可用对象的框，左侧是查看生产线构建情况的区域，顶部则用于启动仿真、更改视图和添加驱动器。

在生产线设计完成后，下一步是对执行器、传感器和其他组件进行编程，以使生产线按预期运行。这是通过仿真中各个元素的驱动器完成的，这些驱动器可与其他元素连接，在设定条件下执行特定操作，从而使系统按预期工作。为此，控制时会打开一个窗口，如图5所示。

图5的左侧部分显示了控制I/O，可以使用真实可编程逻辑控制器中常见的功能通过功能块图进行编程。右侧部分是主要部分，因为生产线的所有部件都在此处连接，以按照既定的标准运行。最后，在左上角是仿真开始和暂停的位置。

请注意，这种仿真软件非常吸引人，因为它允许选择工业中使用的控制器，如微控制器、SoftPLC、Modbus 等其他技术。

D. Overleaf

Overleaf 是一个在线 LaTeX 编辑器，具有用户友好的特点，因为它易于使用，并且 Overleaf 编辑器本身会为文本提供所需的格式化。它还提供了来自期刊和机构的模板，有助于撰写科研论文、简历、信件、书籍等；它支持多用户功能，因此可以与他人实时协作，使其在研究和科研论文写作中具有吸引力。

它的操作一开始可能看起来有点困难，因为如图6左侧所示，存在代码行，似乎需要编程知识才能使用。但实际上并不需要，因为这些代码仅用于格式化文档，使所有内容保持统一，并具有高质量外观。因此，在这一部分，用户只需在文档的不同章节和子章节中输入文本即可。

对于插入图像，只需几行简单的代码。通过这些代码，Overleaf 会根据图像的位置在页脚处自动添加连续编号。

对于参考文献引用，也需要特定的代码行，以保持格式一致，您可以使用同一模板中默认提供的代码。

图6的右侧显示了最终文档的外观，左侧是放置代码、文本、图像等的位置。最左侧出现一个栏，其中可以看到所有已上传到平台的文档，并可在文档中访问这些文件，例如，要在文档中插入图像，必须先从计算机将图像上传到平台，然后通过代码行将其插入文档。

三、实践结果

在整个机电一体化在线课程中，开展了一些实践，主要目的是学习如何使用上述不同的仿真软件和平台，并了解课堂上通常讨论的执行器和传感器的操作。所开展的实践如下：

在Tinkercad平台上进行了两项实践：第一项如图7所示，通过串行监视器控制两个直流电机。该实践允许在串行监视器中输入内容以对电机执行操作。如果在串行监视器中输入字母“D”，则上方电机开启，另一个电机关闭；如果输入字母“I”，则上方电机关闭，下方电机开启；输入其他任何字母时，电机状态均不改变。此第一项实践所用的代码如图8所示。

在Tinkercad仿真平台上进行的第二次实践如图9所示，包括控制一个伺服电机，使其从0到180度移动，然后返回其初始位置。

用于控制伺服电机的代码非常简单，如图10所示。

在Factory I/O软件中进行了一项实践，如图11所示，该实践包括使用滚筒传送带、滚筒挡块、低坡传送带以及一个作为推箱装置的气动执行器（具有两个状态）构建一条小型生产线。带有各自反射板的反射式光电传感器，以及箱子发射器和移除器。

对于该生产线的控制，使用了I/O控制驱动程序以及图12所示的控制逻辑，其原理是当箱子经过第一个传感器时，滚筒挡块升起，以防止箱子掉落至地面；当箱子经过第二个传感器时，当第二个传感器第二次被激活时，传感器控制的箱体发射器让一个新箱子通过，随后箱体推送器启动，将箱子吹过生产线旁边的斜坡，在此处箱体移除器将其拾取。

对于FluidSIM平台，没有安排实际练习，但在课堂上展示了一些示例，以帮助我们更好地理解气动和液压中的活塞与阀门类型，并了解它们的使用方式。由于我们只能下载该软件的演示版本，且该版本不允许保存项目，因此程序的使用受到限制。第一个示例聚焦于气动执行器，并进行了两次仿真，如图13所示，左侧的执行器是由5/3电磁阀控制的单作用气缸，具有压缩空气供能；右侧的则是两个由5/3电磁阀控制的气动肌肉，同样由压缩空气供能。

图14所示的第二个练习侧重于液压执行器，包括由4/3电磁阀控制的单作用气缸，以液体作为动力源，并在气动执行器基础上增加了额外元件。该系统还包括一个与电磁阀相连的油箱，使液体能够流入油箱并回流。

IV. 讨论

学生和教授在在线课程中的体验令人满意。在以往的课程中，学生通常认为实验实践比常规课堂上的理论课更有收获，并且通过实验项目学会了解决课程中提出的问题。

然而，在当前疫情形势下，情况发生了彻底改变。例如，为了通过虚拟平台衡量教授在整个课程中的表现，并与常规课程进行比较，对最近两年机电一体化元件课程的教师评价进行了对比。表一显示了2018年和2020年的教师评估结果，可以看出，今年由于新型冠状病毒肺炎疫情，使用虚拟平台并未影响学术水平，学生依然保持了优秀的知识吸收。根据这些评估结果，学生赞赏为转为在线模式所付出的努力，特别是为每次虚拟实验实践所设计的活动类型。

学生在虚拟课程中的表现也令人满意，在这方面，他们与往年的表现保持一致，这意味着尽管从面对面授课转变为虚拟授课，学生的学习并未出现倒退。表二显示了2018年至2020年的平均成绩。

V. 结论

使用在线平台和仿真软件在学术上和职业上都非常重要；尽管事实上，这是一个艰难的学期，COVID‐19的到来改变了我们的正常生活，也迫使我们在线完成不同的课程，这促使教师们寻找新的工具来向学生传授知识。尽管这比面对面教学更加复杂，尤其是对于《机电一体化元件》这类实践性很强的课程而言，但这种居家隔离反而帮助我们更好地理解了原本计划的教学内容，并掌握了本文中提到的各种软件和平台，这些工具在未来将非常有用。例如，Overleaf平台可用于提交质量很好的报告和演示文稿，而Factory I/O软件未来可能在工业领域得到广泛应用。

总之，机电一体化元件课程令人满意，尽管项目本可以使用物理执行器和传感器来完成，但通过个人计算机以虚拟方式学习其他非常有用的工具也是可行的。此外，在疫情期间，教授对学生表现出的高度责任感对课程产生了重要影响，他引入了新的工具以充分利用课堂时间。

表一 学生对教师的评价

课程	年份	评分	描述∗
机电一体化	2020	100	优秀
机电一体化	2019	91	优秀
机电一体化	2018	84	很好

∗优秀（90–100），很好（87–89），良好（84–77），满意（74–76），平均（70–73），低于平均（67–69），差（64–60），不及格（60）。

表二 机电一体化课程成绩平均分

课程	年份	平均分	描述∗
机电一体化元件	2020	93	优秀
机电一体化元件	2019	94	优秀
机电一体化元件	2018	93	优秀

∗优秀（90–100），很好（87–89），良好（84–77），满意（74–76），平均（70–73），低于平均（67–69），差（64–60），不及格（60）。