機(jī)械工程控制的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

張智煥，張惠娣

(浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 機(jī)電設(shè)計與控制工程研究所，浙江 寧波 315100)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[1-4]。在高危的環(huán)境，不可及的操作，高成本、高消耗、大型綜合訓(xùn)練等情況下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5-8]。高等學(xué)校要以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，建設(shè)具有示范、引領(lǐng)作用的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)和多媒體技術(shù)，CAD、ProE和Matlab等軟件，以及人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)[9]，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院發(fā)揮本校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計、創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)造性地建設(shè)和應(yīng)用高水平的軟件共享虛擬實(shí)驗(yàn)、儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，提高教學(xué)能力，拓展實(shí)踐領(lǐng)域，豐富教學(xué)內(nèi)容，降低成本和風(fēng)險，開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

例如，學(xué)院開設(shè)了機(jī)械工程控制基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括：

實(shí)驗(yàn)一：典型環(huán)節(jié)的模擬及其一階響應(yīng)；

實(shí)驗(yàn)二：二階系統(tǒng)的模擬和時間響應(yīng)分析；

實(shí)驗(yàn)三：控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件及典型控制系統(tǒng)建模分析；

實(shí)驗(yàn)四：控制系統(tǒng)頻域特性分析；

實(shí)驗(yàn)五：控制系統(tǒng)校正及PID仿真。

本文以控制系統(tǒng)頻域特性分析為例，描述虛擬仿真過程。

(1) 奈奎斯特圖(幅相頻率特性圖)。

Matlab為用戶提供了專門用于繪制奈奎斯特圖的函數(shù)nyquist，常用格式為：nyquist (num,den)；

或nyquist (num,den,w) 表示頻率范圍0～w；

或nyquist (num,den,w1:p:w2) 繪出在w1～w2頻率范圍內(nèi)，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。

舉例如下：

輸入

>> num=[2,5,1]；den=[1,2,3];nyquist(num,den)

顯示見圖1。

圖1 奈奎斯特圖

(2) 對數(shù)頻率特性圖(波特圖)。

Matlab為用戶提供了專門用于繪制波特圖的函數(shù)bode，其常用格式：

bode (num,den)

或bode (num,den,w) 表示頻率范圍0～w。

或bode (num,den,w1:p:w2) 繪出在w1～w2頻率范圍內(nèi)，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。

舉例如下：

輸入

>> num=[1];den=[1,0.2,1];bode(num,den)

顯示見圖2。

圖2 波特圖

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺

為高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多個地區(qū)、多個學(xué)校和多個學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，要建設(shè)具有擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性的共享平臺?？商剿餍Ｆ蠊步ü补艿男履Ｊ胶托峦緩剑⒖沙掷m(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺[10-11]，共享平臺視頻材料為通用流媒體格式文件。視頻材料包含實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心環(huán)境全貌、設(shè)備全貌、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作界面和功能界面等內(nèi)容，軟件為Matlab、CAD、ProE等。

3 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理

建設(shè)教學(xué)、科研、技術(shù)人員結(jié)合，核心骨干人員相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，形成一支教育理念先進(jìn)、學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)科研能力強(qiáng)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富、勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放、共享、充分使用為目標(biāo)，制定并有效實(shí)施保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師工作績效考核、經(jīng)費(fèi)使用、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心維護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等政策措施，制定有利于激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核、評價和反饋機(jī)制[12]。

4 結(jié)束語

本文分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的問題,以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法在MOOC教學(xué)中應(yīng)用，指出隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展以及MOOC教學(xué)的普遍應(yīng)用,在高等學(xué)校利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為一種趨勢,將會成為未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑和方式。建議設(shè)立教研項(xiàng)目，加快研究開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)及建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，并逐步完善，使其成熟,擔(dān)當(dāng)起實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重任。

虛擬實(shí)驗(yàn)室是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的革新，十分適合新的MOOC教學(xué)、新的學(xué)生培養(yǎng)模式，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 金鳳蓮,蘭振平,牛悅苓.仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007(1):125-127.

[2] 龐漢平，李明彥.課程整合為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力搭建平臺[J].中國電化教育，2012(4):113-115.

[3] 王晶琳，焦瑋.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003，20(1)：58-61.

[4] 雷紅偉,薛兵,馮長江.現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ窖芯颗c實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2001,20(2):60-62.

[5] 周定財.多媒體教學(xué)的利弊分析與對策建議[J].廣州廣播電視大學(xué)學(xué)報，2009,9(2):32-35.

[6] 張人紅.“研究性學(xué)習(xí)”在美國[J].教育發(fā)展研究，2001(8)：47-48.

[7] 馬月輝，陳立松，俞梅.虛擬儀器在電工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003，20(4)：57-59.

[8] 韓芝俠,魏遼博,韓宏博,等.仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006,23(2):63-65.

[9] 宋象軍.虛擬實(shí)驗(yàn)室在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22(1):35-37.

[10] 周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2008,22(5):106-109.

[11] 吳培明.電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[12] 劉要悟，付安權(quán).美國教師在線專業(yè)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)及其啟示[J].教育測量與評價：理論版，2010(1):30-33.