劉 潤(rùn) 李成哲 朱先勇 孫愛(ài)軍 曲曉海

吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心 吉林長(zhǎng)春 130025

理工類專業(yè)的高等教育過(guò)程應(yīng)以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向，以生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)為培養(yǎng)手段，以提高實(shí)踐能力為培養(yǎng)目標(biāo)，為電子、電氣、機(jī)械等制造業(yè)培養(yǎng)有工程素養(yǎng)、有實(shí)踐技能的一線優(yōu)秀操作與指導(dǎo)人員。工程訓(xùn)練是工科學(xué)生在高等教育階段最重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在應(yīng)用型復(fù)合人才培養(yǎng)過(guò)程中具有不可替代的位置。電工實(shí)訓(xùn)是現(xiàn)代工程訓(xùn)練中不可或缺的實(shí)踐性教學(xué)模塊，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行電氣專業(yè)培訓(xùn)的重要過(guò)程，是工科專業(yè)本科教學(xué)中對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)成果直接影響高等教育的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)水平。

目前國(guó)內(nèi)部分高校因經(jīng)費(fèi)短缺、重視程度不夠等原因，造成電工實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的投入不足。特別是在一些重點(diǎn)院校，大量的教育經(jīng)費(fèi)被分配到實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)環(huán)節(jié)，而對(duì)于與生產(chǎn)實(shí)際緊密聯(lián)系的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)投入明顯不足。導(dǎo)致電工實(shí)訓(xùn)設(shè)備的更新跟不上社會(huì)先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的需要，教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)。

為了解決上述問(wèn)題，筆者提出了基于ElecworksTM的理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的設(shè)計(jì)，以安裝ElecworksTM軟件的計(jì)算機(jī)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改善當(dāng)前傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)。建設(shè)理實(shí)一體化的電工實(shí)訓(xùn)室可以給學(xué)生提供仿真的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生可以將機(jī)電一體化工程中的理論與實(shí)際相結(jié)合，盡快掌握電氣設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)安裝、布線等各項(xiàng)實(shí)用技能，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與工程實(shí)際的“無(wú)縫連接”。

1 ElecworksTM軟件介紹

ElecworksTM是一款高端電氣設(shè)計(jì)軟件，該軟件能夠幫助用戶改善信息化管理平臺(tái)，而且為用戶開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)模式，有助于用戶在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段減少成本，縮短新產(chǎn)品的上市周期。

ElecworksTM使用標(biāo)準(zhǔn)的Windows操作界面，幫助用戶在更短的時(shí)間內(nèi)完成更出色的設(shè)計(jì)，幫助用戶在項(xiàng)目最初階段通過(guò)單線圖工具和元件管理功能。包含國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)，幫助工程師快速高效地繪制圖紙。實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并完成布局。原理圖首次采用智能布線，根據(jù)原理接線信息，對(duì)于已經(jīng)完成的布局裝配體，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布線。操作簡(jiǎn)單，使用ElecworksTM設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需掌握任何特殊指令。首次采用智能工具菜單引導(dǎo)用戶設(shè)計(jì)，無(wú)論項(xiàng)目大小，允許多個(gè)設(shè)計(jì)師同時(shí)工作于同一項(xiàng)目。

實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣的協(xié)同設(shè)計(jì)，允許在同一項(xiàng)目下的用戶進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，無(wú)論是一次圖、原理圖、設(shè)備管理或I/O表，還是3D電氣裝配環(huán)節(jié)，都可以有效地分享數(shù)據(jù)、協(xié)同設(shè)計(jì)。自動(dòng)生成端子排、接線圖，交叉引用實(shí)時(shí)更新，自動(dòng)編輯線號(hào)、PLC的I/O列表，實(shí)現(xiàn)3D電氣結(jié)構(gòu)、零件裝配、端子設(shè)計(jì)與電氣原理圖的同步設(shè)計(jì)。

ElecworksTM進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)時(shí)間較晚，目前在國(guó)內(nèi)使用較少，僅部分行業(yè)龍頭企業(yè)在工程實(shí)現(xiàn)及部分高校在教學(xué)過(guò)程中使用。但其強(qiáng)大的電氣機(jī)械協(xié)同設(shè)計(jì)功能必將在電氣機(jī)械等設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

2 理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)方案

傳統(tǒng)的電工實(shí)訓(xùn)，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程大致由繪制電氣原理圖、設(shè)計(jì)安裝圖、器件選型、設(shè)計(jì)接線圖、安裝與接線、檢測(cè)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等組成。由于受工具、材料和設(shè)備的限制，造成實(shí)訓(xùn)占用課時(shí)長(zhǎng)、能完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目少以及實(shí)訓(xùn)完成率低等問(wèn)題。

傳統(tǒng)的電工實(shí)踐教學(xué)并沒(méi)有專門(mén)針對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化相關(guān)專業(yè)軟件等方面的教學(xué)內(nèi)容。理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)在以往教學(xué)模式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要內(nèi)容有：

(1)對(duì)電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中常規(guī)教學(xué)內(nèi)容重新整理，對(duì)家庭模擬照明電路部分和三相電路控制系統(tǒng)部分的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行修訂，選取工程及生產(chǎn)中較為普遍使用的照明電路、三相電機(jī)控制電路、PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)等現(xiàn)今工程上流行的相關(guān)內(nèi)容作為主要教學(xué)內(nèi)容。

(2)利用先期購(gòu)買(mǎi)的ElecworksTM軟件對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容所需二維、三維電氣原理圖進(jìn)行繪制。同時(shí)編寫(xiě)、制訂相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)大綱、教案。

(3)引入教育版ElecworksTM軟件30套左右，并應(yīng)用到工程訓(xùn)練的電工實(shí)習(xí)部分中。

擬建設(shè)的理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室平面圖如圖1所示。模擬布線設(shè)計(jì)區(qū)/理論學(xué)習(xí)區(qū)安裝30臺(tái)學(xué)生用計(jì)算機(jī)；電氣元件展示區(qū)放置工程上常用的電氣元器件展品或展板；實(shí)踐操作區(qū)擺放6組工作臺(tái)，每4～5名學(xué)生一個(gè)工作組，工作臺(tái)上根據(jù)不同的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容擺放常用實(shí)訓(xùn)所需設(shè)備，進(jìn)行常用器件認(rèn)知，導(dǎo)線、工具使用等內(nèi)容的實(shí)訓(xùn)。輔以配套的實(shí)訓(xùn)設(shè)備及檢測(cè)工具、儀器。

圖1 理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室平面圖

3 理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的教學(xué)內(nèi)容

最終建成的工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中綜合布線基本技能單項(xiàng)訓(xùn)練開(kāi)展電工工具操作技能、機(jī)柜與配線架的安裝、管路穿線、模塊與配線架的端接、室內(nèi)布線線路等電工基本內(nèi)容；模擬布線項(xiàng)目訓(xùn)練開(kāi)展二維、三維電氣原理圖設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容；施工現(xiàn)場(chǎng)布線工程項(xiàng)目訓(xùn)練開(kāi)展由理論到實(shí)踐的機(jī)電一體化工程訓(xùn)練。

圖2 工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)

其中模擬布線項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)過(guò)程的主要流程如圖3所示。學(xué)生在掌握了電氣設(shè)計(jì)基本知識(shí)、電氣元器件使用方法、ElecworksTM軟件使用方法后，根據(jù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師的要求設(shè)計(jì)二維電氣原理圖，然后生成施工現(xiàn)場(chǎng)三維效果圖，最后在計(jì)算機(jī)上完成模擬施工現(xiàn)場(chǎng)布線操作，生成元器件清單等工作。

圖3 模擬布線項(xiàng)目訓(xùn)練教學(xué)過(guò)程

學(xué)生按照三維效果圖安裝電氣控制柜。電氣控制柜3D效果與實(shí)物對(duì)比如圖4和圖5所示。

圖4 電氣控制柜3D效果

圖5 電氣控制柜實(shí)物比對(duì)

4 理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的預(yù)期效果

理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室的教學(xué)模式旨在使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。密切理論教師與實(shí)訓(xùn)教師的合作，相互學(xué)習(xí)，共同提高，培養(yǎng)一支高素質(zhì)的師資隊(duì)伍。將實(shí)踐教學(xué)同理論教學(xué)結(jié)合起來(lái)，讓學(xué)生直接參與到生產(chǎn)實(shí)踐中，使學(xué)生真正理解理論知識(shí)，掌握技術(shù)流程、技術(shù)規(guī)范等，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)、實(shí)踐及總結(jié)的過(guò)程中提高能力，達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。

理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室成果應(yīng)用到工程訓(xùn)練中心電工教學(xué)模塊中，計(jì)劃開(kāi)設(shè)4學(xué)時(shí)的實(shí)踐/實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，每年可承擔(dān)5 000人次的教學(xué)任務(wù)?；贓lecworksTM的理實(shí)一體化電工實(shí)訓(xùn)室，不但可以大大降低工程訓(xùn)練中電工實(shí)習(xí)部分的教學(xué)成本，還可以增加實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，擴(kuò)充工程訓(xùn)練內(nèi)容，達(dá)到較好的教學(xué)效果。此外，所使用的ElecworksTM軟件目前居世界前沿水平，將其應(yīng)用到工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)活動(dòng)中，在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際同行業(yè)中尚不多見(jiàn)。

本設(shè)計(jì)成果可應(yīng)用于機(jī)械、汽車、材料、交通、管理、通信、電子、儀電、生物與農(nóng)業(yè)等學(xué)科本科生的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)。此外，本設(shè)計(jì)成果也可用于高等教育本科生教學(xué)階段高年級(jí)學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)過(guò)程。應(yīng)用成功后，可考慮與軟件提供方合作，對(duì)本科生及研究生等開(kāi)展專業(yè)軟件培訓(xùn)和認(rèn)證，面向?qū)W校和社會(huì)電氣設(shè)計(jì)愛(ài)好者提供培訓(xùn)與認(rèn)證工作，頒發(fā)相關(guān)證書(shū)，提升學(xué)校的社會(huì)影響力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種新的電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)解決方案，提高了工程訓(xùn)練教學(xué)質(zhì)量。ElecworksTM是目前全球唯一一款2D～3D機(jī)電一體化設(shè)計(jì)軟件，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上利用該軟件，完成從2D電氣原理圖繪制到3D柜內(nèi)裝配圖和布線圖的設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)今行業(yè)發(fā)展的客觀需求與電氣設(shè)計(jì)技術(shù)革新的必然趨勢(shì)。筆者率先將專業(yè)的國(guó)際領(lǐng)先的電氣設(shè)計(jì)工具引入工程實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域，培養(yǎng)了理論能力扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的機(jī)電一體化復(fù)合型人才。

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