機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真教學(xué)改革

劉宇　別海楠　郝麗娜　戴麗

摘 要 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真也成為機(jī)電一體化復(fù)合型人才的必備知識。本文結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真課程的特點(diǎn)從教師和學(xué)生兩方面入手進(jìn)行改革，設(shè)立助課教師協(xié)助教學(xué)，增強(qiáng)課程的互動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，營造一種積極向上的課堂氛圍，達(dá)到理想的授課效果。

關(guān)鍵詞 機(jī)電系統(tǒng) 計算機(jī)仿真 教學(xué)改革 Simulink

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.061

Electromechanical Systems Computer Simulation Teaching Reform

LIU Yu， BIE Hainan， HAO Lina， DAI Li

（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract With the development and application of computer technology， electrical and mechanical systems simulation has become a mechatronic complex talent necessary knowledge. In this paper， electrical and mechanical characteristics of the system of computer simulation programs for teachers and students from the two-pronged approach to reform， the establishment of co-teaching class teachers to assist and enhance the interactive curriculum， to stimulate enthusiasm for learning， and create a positive atmosphere in the classroom， to achieve the desired teaching effect.

Key words electromechanical system; computer simulation; teaching reform; Simulink

1 機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真的課程特點(diǎn)

該課程以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)分析的理論性和目的性相結(jié)合，從機(jī)電系統(tǒng)的建模、控制以及信號的處理等方面進(jìn)行了介紹，方便學(xué)生從數(shù)學(xué)角度對機(jī)電系統(tǒng)有一個全面的認(rèn)識。但是對機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述是抽象的，學(xué)生難以對系統(tǒng)特點(diǎn)有直觀的、深刻的認(rèn)識，需要對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，而在實(shí)際應(yīng)用中建立物理模型進(jìn)行仿真是一件費(fèi)時費(fèi)力的事情，因此該課程的學(xué)習(xí)最終還要落實(shí)到相應(yīng)的仿真軟件上。在課程學(xué)習(xí)的過程中還需要與實(shí)例相結(jié)合，既要在數(shù)學(xué)方面對系統(tǒng)有清楚的了解，又要在仿真軟件中對系統(tǒng)運(yùn)行的過程和結(jié)果有一個直觀的認(rèn)識。對于仿真軟件，美國Mathworks公司開發(fā)的MATLAB語言軟件和MDI公司開發(fā)的ADAMS軟件是其中的經(jīng)典。MATLAB具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能，在MATLAB平臺上開發(fā)出來的各種工具箱，和面向結(jié)構(gòu)圖的SIMULINK系統(tǒng)分析環(huán)境，在機(jī)電系統(tǒng)仿真的控制運(yùn)算方面提供了有力支撐;而ADAMS可以對機(jī)電系統(tǒng)的樣機(jī)模型進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，它所建立的模型可以很好地反映實(shí)際的物理模型，二者結(jié)合可以直接對機(jī)電系統(tǒng)的仿真模型添加復(fù)雜的控制而不需要使用數(shù)學(xué)公式建模，而且提高了仿真分析精度。

2 計算機(jī)仿真對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)

機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真設(shè)計是機(jī)械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)技能課，主要是培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)學(xué)建模，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，用計算機(jī)仿真控制系統(tǒng)的基本方法，使學(xué)生能夠熟練應(yīng)用仿真技術(shù)分析機(jī)電系統(tǒng)，為今后從事機(jī)電系統(tǒng)的分析、設(shè)計打下基礎(chǔ)。要求學(xué)生掌握有關(guān)的基本理論，初步培養(yǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析能力，同時注重實(shí)踐，掌握MATLAB平臺、SIMULINK、ADAMS等實(shí)用建模技術(shù)與仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計、分析的方法，能夠根據(jù)所學(xué)對簡單的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠獨(dú)立進(jìn)行簡單機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計。

3 教學(xué)改革內(nèi)容

3.1 教師自身的培養(yǎng)

一門課程的講解需要多方面的知識，授課老師不可能面面俱到，必須形成一個教學(xué)團(tuán)隊(duì)，由多位老師擔(dān)任授課老師，每位老師講解自己擅長的專業(yè)領(lǐng)域，以達(dá)到合作共贏，相互促進(jìn)的過程。這種改革方式具有以下幾方面的作用：①有助于教學(xué)問題的相互探討。不同老師看待問題的角度是不同的，多位老師共同教學(xué)可以從多個角度看待教學(xué)問題，大家相互探討有助于發(fā)現(xiàn)課程的不足和缺陷。②適應(yīng)現(xiàn)在高校的發(fā)展特點(diǎn)。科研與教學(xué)并重的教師可以代課，不耽誤科研任務(wù)。③有助于課程的發(fā)展，增加新的課程內(nèi)容。不同的老師授課的側(cè)重點(diǎn)不同，比如主講教師把握課程的方向，講解與課程相關(guān)的前沿科技;助教老師講解數(shù)學(xué)建模、理論分析等具體知識;另一位助教老師注重實(shí)踐講解仿真軟件的使用等，這樣會減少授課老師的壓力，又能使課程內(nèi)容豐富、充實(shí)，該學(xué)科的教學(xué)工作得到不斷發(fā)展。④學(xué)生可以從不同教學(xué)風(fēng)格中獲益。由于老師講解側(cè)重點(diǎn)各不相同，有助于學(xué)生全方位了解與課程相關(guān)的內(nèi)容，開闊視野、發(fā)散思維，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生將來從事相關(guān)科研工作打下基礎(chǔ)。

3.2 課程內(nèi)容的梳理

本課程重要內(nèi)容有：（1）計算機(jī)仿真的基本概念;（2）建模方法——分析法和辨識法。分析方法中最重要的是牛頓三定律方法和拉格朗日法。辨識算法是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的方法。（3）微分方程的數(shù)值解法。微分方程數(shù)值解法有歐拉法、改進(jìn)歐拉法、龍格庫塔法。微分方程數(shù)值解是對初值問題進(jìn)行的，基本思想是離散化和遞推化。在龍格（下轉(zhuǎn)第182頁）（上接第131頁）庫塔方法中泰勒級數(shù)展開和多項(xiàng)式線性組合是工程中非常常用的思想。endprint

3.3 助課老師的作用

隨著國際化的發(fā)展，越來越多國外大學(xué)的教學(xué)方法不斷流入中國。其中美國的凱勒個人化教學(xué)體系非常具有參考價值。該教學(xué)方法最突出的一點(diǎn)就是引進(jìn)了助課教師。我們參考該方法也引進(jìn)了助課教師。在講課過程中，主講教師進(jìn)行方向的，總體的教學(xué)，由助課教師進(jìn)行細(xì)致的教學(xué)，并由助課教師負(fù)責(zé)與學(xué)生的日常交流和疑難解答。助課教師多由青年教師擔(dān)任，他們具有一定的專業(yè)知識水平，而且便于與學(xué)生溝通，可以將學(xué)生的聽課狀態(tài)、疑難點(diǎn)和生活中的各方面與主講教師進(jìn)行交流討論，進(jìn)而調(diào)整下一步授課方向，對學(xué)生普遍有疑問的章節(jié)可以進(jìn)行重復(fù)講解以加深學(xué)生的理解。但助教老師年輕化會導(dǎo)致授課經(jīng)驗(yàn)不足，講課時專業(yè)性太強(qiáng)不便于學(xué)生的理解。因此助課教師也應(yīng)該隨堂聽課，不斷向主講教師學(xué)習(xí)授課經(jīng)驗(yàn)，做到把專業(yè)的知識用通俗易懂的語言進(jìn)行講解，提升授課效果。

3.4 學(xué)生授課的嘗試

機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真是一門偏重實(shí)踐的課程，而在實(shí)際的教學(xué)工作中仍以理論教學(xué)為主導(dǎo)，缺少實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生印象不深刻。其次，機(jī)電系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需要機(jī)械和電子兩方面的知識，學(xué)生水平參差不齊也是難以達(dá)到理想授課效果的一個原因。因此我們要嘗試新的教學(xué)改革以改善這些狀況。

授課首先就是要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知的欲望。機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真課程知識點(diǎn)繁多，包括機(jī)電系統(tǒng)的構(gòu)成，機(jī)電系統(tǒng)的建模，機(jī)電系統(tǒng)的控制等多方面內(nèi)容，各方面內(nèi)容之間的聯(lián)系也不是十分緊密，若不在講解時對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，勢必會降低學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情。因此在學(xué)習(xí)前一定要向?qū)W生闡明課程為何這樣設(shè)置，并用現(xiàn)在已投入實(shí)踐應(yīng)用的例子進(jìn)行引導(dǎo)，使學(xué)生有興趣學(xué)、愿意學(xué)。

授課過程中注重學(xué)生的定位，學(xué)生不只是聽課的角色，也可以讓學(xué)生參與到教學(xué)的過程中，他們樂于參與進(jìn)來。將課堂時間交給學(xué)生能激發(fā)學(xué)生的責(zé)任感，學(xué)生為了弄明白所學(xué)的內(nèi)容就會去查閱參考資料、做演示文件等，對于學(xué)生整體素質(zhì)的提高有很大的促進(jìn)作用。授課班級較多的情況下也可實(shí)行按班分組，每兩個班級的課題一致，這樣兩個班級可以相互對照，共同促進(jìn)補(bǔ)充。

3.5 學(xué)生作業(yè)的作用

學(xué)生作業(yè)的作用是為了檢驗(yàn)學(xué)生對于授課知識點(diǎn)的掌握情況。因此除了常規(guī)的隨堂作業(yè)外應(yīng)設(shè)置大作業(yè)，強(qiáng)迫學(xué)生參與教學(xué)，強(qiáng)調(diào)聽課的效果一般，參與的效果更好。學(xué)生參與進(jìn)來可以加深對課程的理解，講解時可以從學(xué)生的角度出發(fā)，找到授課老師忽略的、學(xué)生有不清楚的地方，令其他學(xué)生也受益。

3.6 考試形式的改革

評分標(biāo)準(zhǔn)改變以往以考試為主的評分方式，強(qiáng)調(diào)參與的重要性，對于參與較好的學(xué)生給予鼓勵。要結(jié)合大作業(yè)，平時參與度和期末考試進(jìn)行考核，采用老師評價與學(xué)生自評相結(jié)合，力求客觀公正的對學(xué)生的掌握程度進(jìn)行評價。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真課程是一門偏重實(shí)踐的課程，傳統(tǒng)的理論教學(xué)難以達(dá)到理想的授課效果。課程的改革改變以往學(xué)生只是聽課的狀態(tài)，讓學(xué)生參與到授課的過程中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生的創(chuàng)造性，在加深對課程的理解過程中不斷豐富課程內(nèi)容;同時設(shè)立助課教師從理論到實(shí)踐應(yīng)用，對課程進(jìn)行全方位講解，同時加深與學(xué)生的交流，由老師和學(xué)生一起共同完善機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)仿真這門課程。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝麗娜.計算機(jī)仿真技術(shù)及CAD.高等教育出版社，2009.

[2] 吳霞.深化計算機(jī)教學(xué)改革，提升計算機(jī)教學(xué)成效.科教導(dǎo)刊，2014.

[3] 方永麗.淺談豐富大學(xué)教學(xué)方法 提高高校教學(xué)質(zhì)量.科教導(dǎo)刊，2010.

[4] 隋修武.“機(jī)械電子工程”研究生課程教學(xué)的模塊化設(shè)計.科教導(dǎo)刊，2014.

[5] 朱國云.基于過程化考核的機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐研究.科教導(dǎo)刊，2014.

[6] 劉欣.機(jī)電系統(tǒng)動態(tài)仿真課程教學(xué)改革研究.科教導(dǎo)刊，2014.endprint