機(jī)電系統(tǒng)仿真教學(xué)改革及教學(xué)模式的探討

宋曉娟 呂書(shū)鋒 何曉東 唐術(shù)鋒 張文志

[摘 要] 機(jī)電系統(tǒng)仿真是機(jī)械電子工程一門(mén)重要的專業(yè)課，文章就開(kāi)設(shè)課程存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的剖析，同時(shí)給出了教改方案，希望能夠?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)改革提供一些思路。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)電系統(tǒng)仿真;MATLAB;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 內(nèi)蒙古教育廳項(xiàng)目，“新工科”背景下機(jī)械電子工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究（NGJGH2018070）;內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目，機(jī)電類專業(yè)綜合設(shè)計(jì)II創(chuàng)新實(shí)踐模式研究（2018201）

[作者簡(jiǎn)介] 宋曉娟（1983—），女，內(nèi)蒙古人，研究生，教師，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化;呂書(shū)鋒（1983—），男，內(nèi)蒙古人，研究生，教師，副教授（通信作者），研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)。

[中圖分類號(hào)] G640? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0158-02? ? [收稿日期] 2019-11-29

一、機(jī)電系統(tǒng)仿真課程簡(jiǎn)介

機(jī)電系統(tǒng)仿真是機(jī)械電子工程專業(yè)一門(mén)比較有特色的專業(yè)選修課，課程主要研究和解決與機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的仿真問(wèn)題，講述其在機(jī)電仿真背景下該工具的操作方法與編程思路，并針對(duì)數(shù)學(xué)模型已知的具體機(jī)電系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。國(guó)內(nèi)外很多高校本科生、研究生都開(kāi)設(shè)了這門(mén)專業(yè)課[1-3]。

MATLAB軟件因強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，出色的數(shù)據(jù)圖像可視化技術(shù)及日益豐富的SIMULINK動(dòng)態(tài)仿真模型庫(kù)，為控制工程提供了極好的仿真平臺(tái)[4]，使得學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確、生動(dòng)地理解和運(yùn)用課程的綜合知識(shí)解決實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)的問(wèn)題。本課程是在我校本科生第五個(gè)學(xué)期開(kāi)課，與機(jī)械工程控制基礎(chǔ)這門(mén)課搭配開(kāi)設(shè)。

二、教學(xué)中存在的問(wèn)題

機(jī)電系統(tǒng)仿真這門(mén)課程開(kāi)設(shè)初期，課程為機(jī)制、機(jī)電專業(yè)全體學(xué)生開(kāi)設(shè)，由于學(xué)生人數(shù)過(guò)多，一個(gè)教學(xué)班級(jí)容量最少也達(dá)到七八十人，最多達(dá)到一百二十余人，學(xué)校不能提供全部教學(xué)班級(jí)學(xué)生同時(shí)上機(jī)教學(xué)的教學(xué)條件，教學(xué)過(guò)程中，遇到了如下問(wèn)題：

（一）開(kāi)課時(shí)間與前續(xù)專業(yè)課時(shí)間安排過(guò)于重合

由于本科生進(jìn)入三年級(jí)之后，需深入學(xué)習(xí)專業(yè)階段相關(guān)知識(shí)，專業(yè)課安排較緊密，該課程與《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》開(kāi)課時(shí)間基本重合，許多與控制工程相關(guān)的概念學(xué)生還沒(méi)有學(xué)到，使得有限的授課時(shí)間過(guò)多的用于對(duì)工程基礎(chǔ)概念的講解，導(dǎo)致對(duì)于如何解決工程仿真的實(shí)際問(wèn)題講解時(shí)間過(guò)少。

（二）教學(xué)形式單一

教學(xué)中主要以教師講解為主，輔以課后練習(xí)及實(shí)驗(yàn)，對(duì)于這類偏于軟件教學(xué)的課程，僅僅使用PPT講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中提不起興趣。由于在機(jī)電系統(tǒng)仿真課程中，涉及的內(nèi)容廣泛，實(shí)踐性較高，應(yīng)多結(jié)合面向工程實(shí)際的機(jī)電系統(tǒng)仿真知識(shí)。學(xué)生僅僅在課堂上學(xué)習(xí)如何使用MATLAB軟件操作方法，親自動(dòng)手解決編程的機(jī)會(huì)太少，在遇到實(shí)際問(wèn)題仍然難以入手，而且出現(xiàn)部分學(xué)生在課程結(jié)束之后完全不會(huì)使用軟件解決問(wèn)題的情況。

（三）考核方法簡(jiǎn)單

以往的系統(tǒng)仿真課程主要通過(guò)考試和實(shí)驗(yàn)成績(jī)來(lái)考核，筆試成績(jī)占70%，實(shí)驗(yàn)與平時(shí)成績(jī)占30%，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于固化，這種考核方式不能夠檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)于軟件的實(shí)際操作能力，不能夠真實(shí)反映學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。

三、教學(xué)改革方案

隨著國(guó)家大力推動(dòng)新工科建設(shè)，及專業(yè)認(rèn)證工作的深入進(jìn)行，本科生教學(xué)課程的改革也越來(lái)越緊迫。對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)仿真這門(mén)專業(yè)課，講述其在機(jī)電仿真背景下該工具的操作方法與編程思路，并針對(duì)數(shù)學(xué)模型已知的具體機(jī)電系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。針對(duì)新一輪的教學(xué)任務(wù)，在編寫(xiě)教學(xué)大綱過(guò)程中，將課程設(shè)置為機(jī)制專業(yè)本科生的專業(yè)任選課，機(jī)電專業(yè)本科生的專業(yè)必選課，分層次教學(xué)，緩解機(jī)房等公共設(shè)備緊張的問(wèn)題。針對(duì)機(jī)電專業(yè)本科生，在教學(xué)工作中進(jìn)行如下改革：

（一）運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)施開(kāi)展教學(xué)

將課程開(kāi)課周數(shù)放置在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程之后，集中安排上機(jī)，從如下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，首先，實(shí)行小班授課，全部在機(jī)房完成教學(xué)任務(wù)，調(diào)整課時(shí)量，由原來(lái)24學(xué)時(shí)增加至32學(xué)時(shí)，邊講解邊練習(xí)，讓學(xué)生在充分理解仿真原理的基礎(chǔ)上熟練掌握機(jī)電系統(tǒng)仿真工具。其次，現(xiàn)在學(xué)生大部分都有個(gè)人PC機(jī)，幫助學(xué)生安裝仿真軟件，開(kāi)展以學(xué)生自主練習(xí)為主線的教學(xué)過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（二）教學(xué)實(shí)踐改革

現(xiàn)有的教材中仿真實(shí)例大多針對(duì)以建立好數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)學(xué)生而言較為抽象，不易理解。通過(guò)教學(xué)模式的調(diào)整，增強(qiáng)學(xué)生的積極性。前期通過(guò)實(shí)際操作練習(xí)，學(xué)習(xí)軟件的基本功能及控制工程的基本概念;之后，通過(guò)設(shè)計(jì)面向?qū)嶋H工程應(yīng)用問(wèn)題大作業(yè)，如利用倒立擺、一維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、單自由度彈簧質(zhì)量二階系統(tǒng)模型等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析二階控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、零極點(diǎn)對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，分析控制系統(tǒng)的頻率特性，以及針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器。學(xué)生通過(guò)2—3人小組自由合作方式完成作業(yè);每一小組根據(jù)自己的仿真結(jié)果調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)進(jìn)行課堂講解、分析，盡量讓每一個(gè)學(xué)生都參與其中，全班學(xué)生參與互相評(píng)比打分。這樣不但能培養(yǎng)學(xué)生綜合解決問(wèn)題的能力，還能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（三）采用綜合性考核評(píng)價(jià)方法

在考核上采用綜合性的評(píng)價(jià)方式，其中平時(shí)練習(xí)、課堂練習(xí)、大作業(yè)各占一定比例。與以往單純考試相比，上機(jī)實(shí)驗(yàn)、大作業(yè)等反映學(xué)生綜合能力等環(huán)節(jié)所占比例更大，能更為客觀地反映學(xué)生掌握知識(shí)的程度。

四、教改效果

通過(guò)對(duì)16級(jí)機(jī)械電子工程專業(yè)本科生的教學(xué)大綱進(jìn)行持續(xù)性改進(jìn)，2018年機(jī)電專業(yè)本科生全部實(shí)施機(jī)房授課，課時(shí)量由原來(lái)24講授課程改為34學(xué)時(shí)的上機(jī)課程，課程內(nèi)容及考核方式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。（1）通過(guò)對(duì)比2014級(jí)與2015級(jí)、2016級(jí)學(xué)生的結(jié)課考試成績(jī)（如圖所示），可以看出通過(guò)對(duì)課程的逐年調(diào)整，學(xué)生能夠較好地完成該課程的要求，完成專業(yè)認(rèn)證達(dá)成度的要求;（2）在畢業(yè)設(shè)計(jì)方面，2015級(jí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠較好地運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行控制仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的計(jì)算分析。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)仿真授課過(guò)程中問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)剖析，相應(yīng)的提出了三條解決方案，課程改革近兩年的時(shí)間學(xué)生學(xué)習(xí)效率大幅度提高，不但對(duì)前續(xù)課程機(jī)械控制工程有了更加深入的理解，對(duì)MATLAB軟件使用能力顯著提高，同時(shí)為后續(xù)課程如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了方便。

參考文獻(xiàn)

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