基于MATLAB的熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程教學(xué)方法研究

謝潔飛，何 伯，辜良瑤

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，已成為當(dāng)前高等教育教學(xué)面臨的重要課題，其中，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，不斷創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，是提高高等教育教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程是我校熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)主干專(zhuān)業(yè)課程，理論性實(shí)用性較強(qiáng)，涉及面較廣，其教學(xué)過(guò)程有課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，在熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)課程體系中占有十分重要的地位。針對(duì)熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀，從提高教學(xué)效果和質(zhì)量角度出發(fā)，結(jié)合MATLAB數(shù)值計(jì)算軟件特點(diǎn)，改革該門(mén)課程的教學(xué)方法和手段，對(duì)于激發(fā)學(xué)生興趣，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)、增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力等都具有非常重要的作用。

1 熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程是在原《熱能動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)》與《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》兩門(mén)課程的基礎(chǔ)上合并而成，主要包括測(cè)控信號(hào)的獲取、分析、和處理方法；測(cè)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、數(shù)學(xué)模型、以及時(shí)域頻域響應(yīng)特性分析；測(cè)控系統(tǒng)校正方法等內(nèi)容，其概念抽象，理論性強(qiáng)，涉及面廣，包含大量復(fù)雜深?yuàn)W的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和圖形曲線。該門(mén)課程要求學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，特別是對(duì)復(fù)變函數(shù)和積分變換這兩門(mén)工程數(shù)學(xué)課程的基礎(chǔ)知識(shí)要求更高。

《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是教師通過(guò)課堂板書(shū)的形式講授課程內(nèi)容，絕大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中都感到課程內(nèi)容抽象，難以理解。近年來(lái)，雖然教師在教學(xué)過(guò)程中采用了多媒體教學(xué)技術(shù)和方法，課堂教學(xué)在一定程度上變得形象生動(dòng)，但由于測(cè)控技術(shù)概念本身的抽象性和數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，學(xué)生僅僅依靠做習(xí)題來(lái)鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，對(duì)課程中大量抽象性?xún)?nèi)容仍然不十分理解，工程應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容也不能實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試、分析，致使多媒體教學(xué)效果并不理想。此外，該門(mén)課程在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)操作步驟在相應(yīng)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行操作，并觀察相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析和總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，在某種程度上能夠提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深課堂內(nèi)容的理解，但是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可修改參數(shù)有限，觀察效果不理想，學(xué)生缺少主動(dòng)性和積極性。

因此，從提高教學(xué)效果和質(zhì)量的目的出發(fā)，迫切需要采用新的思路對(duì)《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行新的改革。隨著數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB的普及應(yīng)用，將MATLAB軟件應(yīng)用于《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，不失為一種新的教學(xué)方法和教學(xué)手段。

2 MATLAB軟件功能與作用

MATLAB軟件目前是國(guó)際控制界最流行的數(shù)值計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算、數(shù)值分析、符號(hào)運(yùn)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、測(cè)試信號(hào)分析與處理、計(jì)算結(jié)果可視化等功能，編程效率極高，只需簡(jiǎn)單的幾句語(yǔ)句就可以完成。在國(guó)外高等院校，MATLAB已成為本科生、研究生必須掌握的基礎(chǔ)軟件，但國(guó)內(nèi)將MATLAB軟件應(yīng)用于機(jī)電類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)中尚處于起步和探索階段?！稛崮軇?dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程應(yīng)用到的數(shù)學(xué)知識(shí)多、理論性強(qiáng)、難以系統(tǒng)地掌握其基本方法、原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。經(jīng)過(guò)多年教學(xué)嘗試，將MATLAB數(shù)值計(jì)算軟件應(yīng)用于《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程理論與實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，能夠使該門(mén)課程中的基本概念和理論方法易于理解，可以將學(xué)生從繁瑣復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)中解脫出來(lái)，從而激發(fā)學(xué)生興趣，加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，還能提高學(xué)生利用現(xiàn)代科技手段和所學(xué)理論知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 理論教學(xué)方法改革

《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程理論教學(xué)主要采用多媒體和黑板板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)方法。多媒體教學(xué)信息量大，能夠節(jié)省教師和學(xué)生時(shí)間，遇到一些難以理解的公式和例題的推導(dǎo)，可以在黑板上完成，在一定程度上提高了學(xué)生聽(tīng)課效率和教學(xué)效果。但是，由于學(xué)生高等數(shù)學(xué)及工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)不夠扎實(shí)，學(xué)生在聽(tīng)課過(guò)程中仍然覺(jué)得教學(xué)內(nèi)容抽象、難以理解、概念模糊、思路混沌，學(xué)習(xí)效果不佳。因此，在本課程的理論教學(xué)過(guò)程中，絕對(duì)不能回避抽象和復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。為了改變這一教學(xué)現(xiàn)狀，可以采取以下措施：

（1）結(jié)合MATLAB軟件功能，制作多媒體課件。MATLAB軟件強(qiáng)大的圖形處理和計(jì)算可視化功能能夠使得課程中的一些抽象概念和基本理論表達(dá)直觀，容易理解，從而豐富了教學(xué)手段。例如，在結(jié)合周期性方波信號(hào)講授周期性信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)方法時(shí)，可以通過(guò)MATLAB軟件很形象直觀地進(jìn)行圖形表達(dá),圖1為某方波信號(hào)及其各階諧波疊加逼近的情形；在講解一階和二階系統(tǒng)的階躍輸入響應(yīng)特性時(shí)，直接可以通過(guò)step命令繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性曲線，圖2為某二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線；在講解信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、以及濾波概念時(shí)，同樣可以通過(guò)MATLAB軟件做出圖形曲線，并進(jìn)行對(duì)比，這樣很直觀地表達(dá)三者之間的概念。

圖1 某方波信號(hào)及各階諧波疊加逼近情形

圖2 某二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線

（2）根據(jù)課堂教學(xué)需要，直接采用MATLAB軟件演示相關(guān)實(shí)例。采用Matlab軟件直接演示相關(guān)實(shí)例，能夠形象直觀表達(dá)相關(guān)理論概念及其應(yīng)用方法，提高了教師與學(xué)生的互動(dòng)性，從而增強(qiáng)了課堂教學(xué)氛圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和思維的活躍性。比如：在講授測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正內(nèi)容時(shí)，可以通過(guò)MATLAB軟件直接進(jìn)行演示。本來(lái)很復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通過(guò)利用MATLAB軟件變得簡(jiǎn)單而生動(dòng)，既節(jié)省了時(shí)間，又使得講課變得豐富而有趣，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)效率。

4 實(shí)踐教學(xué)方法改革

《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程內(nèi)容比較抽象，單憑課堂理論教學(xué)，學(xué)生很難把握其思想體系，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，理解和掌握所學(xué)理論知識(shí)。以往的實(shí)驗(yàn)課都是純粹的硬件實(shí)驗(yàn),學(xué)生通過(guò)了解和熟悉常用儀器儀表的使用方法，按照每一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)步驟操作儀器設(shè)備,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證和理解課堂教學(xué)內(nèi)容。但是，如果每個(gè)理論教學(xué)內(nèi)容都需做實(shí)驗(yàn)，學(xué)校設(shè)備與資源受到限制，在這種情況下可以采用軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，也就是在硬件實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于MATLAB軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)了較多的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括測(cè)控信號(hào)的分類(lèi)、時(shí)頻域描述、互功率譜分析；測(cè)控信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、濾波；測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換；測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)頻分析；測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正等。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以任意修改輸入?yún)?shù)，觀察虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了教學(xué)效果，而且培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合MATLAB軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、圖形處理、以及虛擬仿真功能，將其應(yīng)用于《熱能動(dòng)力機(jī)械測(cè)控技術(shù)》課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，豐富了教學(xué)手段，改變了課堂教學(xué)氣氛，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，從而明顯地提高學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性和思維活躍性，培養(yǎng)了學(xué)生探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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