機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程教學(xué)改革探索

吳小勇 鄒 政 張凱飛 王玉金

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400054)

機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真是機(jī)械電子工程專業(yè)中的一門重要課程，它是機(jī)械、電子、控制、信息、計(jì)算機(jī)、人工智能、管理等諸多理論體系的集合。現(xiàn)如今，國內(nèi)外許多大學(xué)的機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程主要是由機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及控制工程中的部分課程整合而成[1]。掌握機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可以避免在機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及運(yùn)行過程中造成不必要的動(dòng)力學(xué)破壞，同時(shí)可以合理化設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具備最優(yōu)動(dòng)力學(xué)操作性能[2]。

本課程的目的是讓機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)期間了解機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的基本理論、解決問題的具體手段和前沿方法[3]，初步掌握機(jī)電耦合系統(tǒng)的建模及計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律，利用相關(guān)仿真軟件，能在計(jì)算機(jī)上模擬和分析實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)電系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)思路，使學(xué)生掌握機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的能力，為畢業(yè)后成為合格的機(jī)電工程師打下牢固基礎(chǔ)[4]。

重慶理工大學(xué)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程為機(jī)械工程學(xué)院本科生選修課，授課課時(shí)為32學(xué)時(shí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容多、教學(xué)課時(shí)少。具體而言，在課程教學(xué)過程中存在下列問題：1.學(xué)習(xí)難度大，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣啟發(fā)內(nèi)驅(qū)力。2.部分教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂，缺乏啟發(fā)式教學(xué)案例。3.學(xué)習(xí)多停留于紙面，缺少實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)。針對(duì)上述問題，本文進(jìn)行了深入廣泛的探討，以期提升課程教學(xué)質(zhì)量。

一、激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力

步入大學(xué)時(shí)代，學(xué)生的三觀逐漸成熟，因而開始有了相對(duì)明確的學(xué)科發(fā)展目標(biāo)和專業(yè)規(guī)劃。同時(shí)，大學(xué)生開始有了較強(qiáng)的自學(xué)能力和求知欲望，故而希望專業(yè)教師能指導(dǎo)其知識(shí)體系發(fā)展。作為選修課而言，學(xué)生的來源較為廣泛[5]。從選課意愿來說，部分學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)方向和學(xué)習(xí)興趣較為明確，因而選課意愿較為主動(dòng)，學(xué)習(xí)動(dòng)力較強(qiáng)。另一部分學(xué)生缺乏對(duì)專業(yè)的了解，選課時(shí)多是隨波逐流，或是迫于畢業(yè)學(xué)分要求而被動(dòng)選課，因而學(xué)習(xí)動(dòng)力不強(qiáng)。就學(xué)習(xí)基礎(chǔ)而言，部分學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度端正，學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)牢靠；另一部分學(xué)生則缺乏學(xué)習(xí)目標(biāo)，基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱。整體而言，學(xué)生整體學(xué)習(xí)意愿和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)存在一定的差異性。另一方面，機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程涉及多學(xué)科內(nèi)容，對(duì)于機(jī)電專業(yè)學(xué)生而言需要補(bǔ)充的知識(shí)較多，學(xué)習(xí)難度較大，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定程度的“畏難”情緒。

為此，授課過程中可增加形象有趣的應(yīng)用案例，體現(xiàn)本課程的重要性，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，進(jìn)而降低“畏難”情緒。一方面，系統(tǒng)論述所在學(xué)科發(fā)展歷史，詳細(xì)講解對(duì)應(yīng)理論研究方向，剖析研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)，探討本學(xué)科的重要性，逐步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。另一方面，將時(shí)事工程熱點(diǎn)話題與學(xué)科方向結(jié)合。如最近登陸火星的祝融號(hào)火星車（圖1所示），其本身就是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，由此分析其動(dòng)力學(xué)問題，突顯機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重要工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，將學(xué)科研究與生活相結(jié)合。如助老助殘機(jī)器人，其本質(zhì)也是一個(gè)機(jī)電系統(tǒng)，通過其動(dòng)力學(xué)分析體現(xiàn)學(xué)科研究給生活帶來的便利性。總之，通過多層次應(yīng)用案例講解，明確本課程的價(jià)值，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，由此加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換到主動(dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)而充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

圖1 祝融號(hào)火星車

二、啟發(fā)式教學(xué)案例

機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)較為晦澀抽象，如果重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)層面的公式推導(dǎo)上，課程將變得十分枯燥，學(xué)生也很難理解機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論背后的真正原理。不少大學(xué)生思維固化，缺乏舉一反三的能力，其中一個(gè)重要的原因就是過分重視知識(shí)的學(xué)習(xí)而忽視了對(duì)理論背后基本原理的理解，故而缺乏創(chuàng)新能力?？陀^來講，大學(xué)階段學(xué)習(xí)科目多，充分了解知識(shí)原理才能達(dá)到良好的學(xué)習(xí)目的。也只有通過知識(shí)原理的掌握，才能達(dá)到觸類旁通的效果，進(jìn)而保障學(xué)習(xí)行為的持久性。

為保證學(xué)生充分了解課程背后的知識(shí)原理，本課程擬借鑒相關(guān)教學(xué)實(shí)踐中的成功案例，設(shè)計(jì)不同層次的啟發(fā)式教學(xué)案例。例如，在講解動(dòng)力學(xué)建模方法時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖2所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)算例。分別建立基于拉格朗日方程和牛頓-歐拉法的動(dòng)力學(xué)方程，并通過MATLAB數(shù)值仿真和ADAMS虛擬樣機(jī)仿真分析對(duì)算例進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法得到的結(jié)果是一致的，通過深層次的推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)兩種方法本質(zhì)原理是一致的，由此使學(xué)生明白兩者原理的等價(jià)性，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的原理有更加充分的認(rèn)識(shí)。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

在學(xué)生學(xué)習(xí)階段，教師是學(xué)生最直接的指導(dǎo)者，教師可以試圖將自己的研究課題融入課堂。如本課題組參研了風(fēng)洞多體動(dòng)力學(xué)搭載機(jī)構(gòu)研究，由此引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)建模。事實(shí)上，看似高大上的動(dòng)力學(xué)模型實(shí)質(zhì)也是搭建在最為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)原理上的，進(jìn)一步突顯基礎(chǔ)原理的重要性。通過上述啟發(fā)式案例，讓學(xué)生深刻了解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)背后的工程原理，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)原理進(jìn)行深層次的探索。

三、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。課程教學(xué)多停留于紙面，缺少實(shí)踐動(dòng)手機(jī)會(huì)，不利于知識(shí)的融會(huì)貫通和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)踐平臺(tái)可以為學(xué)生提供“做中學(xué)”的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。但由于經(jīng)費(fèi)、師資等限制，課程實(shí)踐缺乏有效指導(dǎo)，創(chuàng)新效率低，項(xiàng)目內(nèi)容可持續(xù)性較差，而基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程實(shí)踐則可解決該問題。

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課程實(shí)踐能力培養(yǎng)，重點(diǎn)是解決“做什么”的問題。一方面，構(gòu)建基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)體系，將實(shí)踐能力培養(yǎng)分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等環(huán)節(jié)，使學(xué)生的實(shí)踐能力呈雙螺旋式發(fā)展?；陧?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)體系，使學(xué)生在內(nèi)驅(qū)式的全生命周期項(xiàng)目實(shí)踐中提升自主學(xué)習(xí)能力、項(xiàng)目管理能力以及創(chuàng)新實(shí)踐能力。另一方面，提倡基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式。以機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)展開課程實(shí)踐，通過連續(xù)的子項(xiàng)目訓(xùn)練，最終完成綜合性項(xiàng)目實(shí)踐。教學(xué)方式上可以依靠課外導(dǎo)師，學(xué)生結(jié)合興趣和導(dǎo)師研究方向，開展有價(jià)值的項(xiàng)目實(shí)踐。再者，綜合國際國內(nèi)在機(jī)電一體化方面的各級(jí)比賽，打造機(jī)電工程專業(yè)競賽體系。通過參加各種積極、具有明確主題的機(jī)電學(xué)科競賽，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

四、結(jié)束語

本文針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程教學(xué)實(shí)踐遇到的一些問題進(jìn)行了深入的探討，具體研究工作如下：1.增加了形象的應(yīng)用案例，體現(xiàn)本課程的重要性，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，進(jìn)而降低“畏難”情緒。2.設(shè)計(jì)了不同層次的啟發(fā)式教學(xué)案例，增加了課程的趣味性，使學(xué)生明白課程知識(shí)背后的原理性。3.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐，促進(jìn)知識(shí)的融會(huì)貫通和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課題研究為機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真課程教學(xué)質(zhì)量的提升提供了理論支撐，也可為機(jī)械電子工程專業(yè)其他課程的教學(xué)改革提供借鑒。