中職機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

姜鵬飛

(江蘇省張家港市第三職業(yè)高級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215625)

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的基本概念以及作用

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)的基本概念

所謂的虛擬實(shí)驗(yàn)是指在計(jì)算上利用一些硬軟件技術(shù)進(jìn)行全方位地模擬實(shí)驗(yàn)，去研究分析一個(gè)已經(jīng)存在或者正處于研究階段的系統(tǒng)，這個(gè)過(guò)程就叫做模擬實(shí)驗(yàn)。這其中會(huì)用到的硬軟件技術(shù)有很多，比如多媒體、仿真等。虛擬實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中是在一個(gè)已有的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境或者仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，如MATLAB軟件或者M(jìn)ultisim軟件的仿真平臺(tái)。在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中可以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中的部分環(huán)節(jié)或者整個(gè)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換掉，然后讓學(xué)生根據(jù)自身所具備的機(jī)械基礎(chǔ)理論知識(shí)在這個(gè)已有的虛擬環(huán)境中或仿真平臺(tái)上將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成，從而達(dá)到進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的目的，充分展現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的效果。

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)在中職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的作用

隨著我國(guó)科學(xué)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種技術(shù)都有了更迸一步的發(fā)展?，F(xiàn)今，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)之所以在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，是因?yàn)槠錆M足了現(xiàn)今時(shí)代下機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)的要求。其在中職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的作用主要體現(xiàn)在2方面：一方面，在教學(xué)中利用虛擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)軟件技術(shù)，能夠有效改善原有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)教學(xué)模式，運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中不僅僅是簡(jiǎn)單地記錄數(shù)據(jù)，而是有自己選擇的權(quán)利，可以根據(jù)自身興趣愛(ài)好選擇自己感興趣或者所需要學(xué)習(xí)的虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及創(chuàng)新實(shí)踐能力，是促進(jìn)機(jī)械基礎(chǔ)課程良好開展，學(xué)生全面發(fā)展的重要舉措。另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)最突出的優(yōu)勢(shì)就是其不受時(shí)間、地點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等多種外在因素的影響，學(xué)生可以進(jìn)行完全自主地虛擬實(shí)驗(yàn)操作。不僅如此，學(xué)生將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到機(jī)械基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)中，利用該技術(shù)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析與總結(jié)，能夠大大提升中職學(xué)生分析問(wèn)題及實(shí)際處理問(wèn)題的能力，從而為以后從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。由此可見(jiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中起著不可估量的作用，對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)改革與完善具有一定的促進(jìn)作用。

2 MATLAB與Simulink系統(tǒng)軟件功能分析

2.1 MATLAB系統(tǒng)軟件及功能分析

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的功能發(fā)揮在很大程度上是由MATLAB系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的。MATLAB的中文意思是矩陣實(shí)驗(yàn)室，該軟件是由美國(guó)一家叫做Math Works公司開發(fā)的，屬于一種商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有數(shù)據(jù)分析、處理與計(jì)算的能力。此外，它具有非常好的開放性和可拓展性，因此，其在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用。MATLAB控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制箱主要是用來(lái)處理以傳遞函數(shù)為主導(dǎo)的經(jīng)典控制理論以及以狀態(tài)空間為主導(dǎo)的現(xiàn)代控制理論中存在的問(wèn)題。

MATLAB控制系統(tǒng)工具箱中涵蓋了多方面內(nèi)容，其中包括控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)與分析過(guò)程中必須要用到的函數(shù)，數(shù)據(jù)模型建立、模型轉(zhuǎn)換、模型實(shí)現(xiàn)、頻域相應(yīng)、時(shí)域相應(yīng)、調(diào)節(jié)器及根軌跡等多種設(shè)計(jì)模塊，為MATIAB控制系統(tǒng)建模、分析與設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提供了完整方案，是MATLAB軟件系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

2.2 Simulink系統(tǒng)軟件及功能分析

Simulink系統(tǒng)軟件可以說(shuō)是MATLAB系統(tǒng)軟件的拓展，它能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真、分析及建模。該系統(tǒng)類型較多，與此同時(shí)它還支持離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)混合的仿真操作，其采樣速率多種多樣。Simulink還是一種性能良好的模型化圖形輸入仿真平臺(tái)，具有比較強(qiáng)大的交互性，用戶在系統(tǒng)仿真模型分析與構(gòu)建過(guò)程中，不需要把微分方程編寫成各種程序或者語(yǔ)言，只需要準(zhǔn)確調(diào)用Simulink系統(tǒng)軟件所提供的功能模塊，并將這些功能模塊有效連接起來(lái)形成用戶所需的系統(tǒng)模型，而后用戶就可以按照自身所需對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行隨意改變調(diào)整。與此同時(shí)，采用Simulink系統(tǒng)軟件中的信號(hào)接收模塊內(nèi)部的示波器模塊，能夠?qū)⑾到y(tǒng)仿真結(jié)果以圖形化的方式展現(xiàn)出來(lái)，從而達(dá)到可視化的動(dòng)態(tài)仿真效果，將這種系統(tǒng)軟件應(yīng)用到機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中，能夠使教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果更加清晰、直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，對(duì)促進(jìn)學(xué)生正確理解機(jī)械教學(xué)理論知識(shí)，掌握機(jī)械實(shí)踐技術(shù)具有重要意義。

3 MATLAB及Simulink系統(tǒng)軟件在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 打破了傳統(tǒng)教學(xué)的限制

機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容具有一定的抽象性，所用到的作圖方法較多，且計(jì)算性較強(qiáng)，需要學(xué)生具備一定的學(xué)習(xí)能力及素養(yǎng)。基于機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)的復(fù)雜性，很多中等職業(yè)學(xué)校在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中引入了MATLAB及Simulink系統(tǒng)軟件，輔助機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)課程的高效開展。這樣能夠較好銜接機(jī)械理論知識(shí)與機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相分離的狀態(tài)，從而使機(jī)械控制理論知識(shí)更易理解，機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)更加順利。

3.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正

運(yùn)用MATLAB及Simulink系統(tǒng)分軟件進(jìn)行機(jī)械控制系統(tǒng)建模操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種輸入模型的響應(yīng)與操作，然后再對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的響應(yīng)曲線、頻率特性、根軌跡及相關(guān)參數(shù)變化進(jìn)行分析，在分析過(guò)程中全面掌握其對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性及穩(wěn)定性的影響，這樣一來(lái)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中就可以有針對(duì)性地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與校正。在此過(guò)程中不僅大大完善了控制系統(tǒng)，同時(shí)還鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐探究能力及創(chuàng)新能力，對(duì)中職學(xué)生綜合水平的提高具有重要作用。

3.3 實(shí)現(xiàn)了可視化動(dòng)態(tài)仿真效果

MATLAB軟件系統(tǒng)可以對(duì)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確地分析處理與計(jì)算，而Simulink系統(tǒng)軟件則可以將模擬實(shí)驗(yàn)中的仿真效果以圖形化的形式展現(xiàn)出來(lái)，這樣可以讓學(xué)生更加直觀、真實(shí)地了解模擬實(shí)驗(yàn)真相，從而分析或總結(jié)出有價(jià)值的機(jī)械知識(shí)。這在一定程度上能夠拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，幫助學(xué)生克服以往學(xué)習(xí)中存在的困難，是機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)有效開展的良好舉措。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)滿足了現(xiàn)今時(shí)代背景下學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，它不僅僅改變了傳統(tǒng)的程式化實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念及方式，而且還打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)時(shí)間、器材、空間及內(nèi)容的局限，學(xué)生能夠根據(jù)自身想法及興趣隨意選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。給予學(xué)生充分的自主權(quán)，全面發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，符合我國(guó)素質(zhì)教育的思想理念，對(duì)中等職業(yè)學(xué)校進(jìn)行教學(xué)改革與創(chuàng)新，提高機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)質(zhì)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。