模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用

商琴琴　牛藺楷　蘭媛　劉輝

摘 要：機械電子工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能在生產(chǎn)一線從事機電產(chǎn)品設(shè)計制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級專門人才。相比較于形象具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，實驗學時安排有限，并且目前機電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統(tǒng)思維。因此，有必要提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類專業(yè)的學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統(tǒng)性分析思維。

關(guān)鍵詞：模塊化仿真 機械電子工程 課程教學

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，不論是機械裝備還是機器人、數(shù)控技術(shù)等都離不開機電一體化技術(shù)。機電一體化不僅僅是簡單的機械專業(yè)和電子技術(shù)相結(jié)合，同時也是很多邊緣學科互相探索借鑒和互相滲透的復合型專業(yè)。隨著機電一體化不斷優(yōu)化教學和實踐模式，機械電子工程專業(yè)的產(chǎn)生無疑將二者緊密結(jié)合的同時更具有了前所未有的復合性和挑戰(zhàn)性。

機械電子工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能在生產(chǎn)一線從事機電產(chǎn)品設(shè)計制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級專門人才。電子類課程（包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)）是機械電子工程專業(yè)的專業(yè)必修課，在培養(yǎng)具備機電一體化復合型創(chuàng)新人才的課程方案中具有重要地位。然而，在目前教學過程中，發(fā)現(xiàn)存在該專業(yè)學生基礎(chǔ)課程與實踐相脫離，難以正確理解和應(yīng)用所學模電知識，從而無法形成機電系統(tǒng)性分析思維等現(xiàn)實問題。

本文依據(jù)項目“模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用”計劃采用模塊化系統(tǒng)仿真技術(shù)，通過增強機電融合元素優(yōu)化教學設(shè)計和編寫計算機機電系統(tǒng)輔助分析軟件，將僅涉及每節(jié)課教學內(nèi)容的仿真和驗證工具進行模塊化打包并隨堂應(yīng)用，以使學生及時驗證和掌握課堂講授的電子理論知識，并進一步提高機電一體化系統(tǒng)思維的能力。

1 當前機械電子專業(yè)中模擬電子課程的現(xiàn)實問題

根據(jù)教學過程及考核結(jié)果反饋，相比較于形象、具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，對學生理解和掌握相關(guān)知識點造成較大的學習壓力，學習過程枯燥乏味，學習熱情大幅下降；進而，相比較于自動化和電氣等專業(yè)的電子類課程，機械電子工程專業(yè)更側(cè)重于實踐應(yīng)用。然而實驗學時安排有限，學生難以在有限的時間內(nèi)全面驗證和接受課堂講授的理論知識；最后，目前機電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統(tǒng)思維?；谏鲜鲈?，有必要提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統(tǒng)性分析思維。

2 構(gòu)建模塊化隨堂仿真實驗的思路

近年來，電子設(shè)計自動化（Electronic design automation， EDA）技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的設(shè)計和制造中，同時也在電子類課程的課堂和實驗教學中得到應(yīng)用，是變抽象為具體，幫助學生理解電子知識，增強實踐能力的重要輔助手段。目前有多種商業(yè)化的EDA軟件在教學方面得到應(yīng)用，例如PSpice、Multisim、OrCAD等。但是，這些軟件操作較為復雜，有時需要一定的理論和經(jīng)驗知識，對初學電子課程的機電專業(yè)本科生來說有一定難度，并且軟件培訓也需要占用一定的學時。因此，在課堂教學環(huán)節(jié)，商業(yè)EDA軟件僅適用于教師演示操作。同時，商業(yè)化的EDA軟件難以考慮機械元素，較難做到機械和電子的同步融合。因此，有必要開發(fā)和利用一種輕量化和模塊化的機電系統(tǒng)仿真軟件，使學生在課堂上即可通過自主簡單操作隨堂驗證所學知識，將理論實踐化，并加深對機電系統(tǒng)融合概念的理解。

本文依據(jù)項目，通過設(shè)計開發(fā)模塊化機電系統(tǒng)教學仿真驗證軟件，將其作為一種新的教學工具和手段優(yōu)化教學過程，使機電專業(yè)本科生在課堂環(huán)節(jié)就能將理論實踐化。因此，本項目開展“模塊化機電系統(tǒng)教學仿真驗證軟件開發(fā)研究”和“模塊化隨堂仿真實驗的教學應(yīng)用研究”兩個方面的研究。兩個研究內(nèi)容的邏輯關(guān)系如圖1所示。

2.1 模塊化機電系統(tǒng)教學仿真驗證軟件開發(fā)研究

為減輕學生軟件負擔，便于交流傳播，簡化操作流程，提高和主流教學多媒體軟件的高效融合，本項目基于Excel軟件平臺，通過VBA二次開發(fā)，構(gòu)建和編寫模塊化機電系統(tǒng)教學仿真驗證軟件。首先，根據(jù)每節(jié)課主要教學內(nèi)容，基于VBA語言進行GUI窗口設(shè)計，在窗口中置入所需的各種電子元件和機械元件；其次，編寫軟件后臺代碼，通過聯(lián)立求解電路元件和機械元件的非線性方程組得到電路各節(jié)點/支路的電流/電壓，以及機械部分和電路部分的相互作用關(guān)系，并通過圖形界面進行結(jié)果顯示。為了更好地幫助學生理解電路的工作過程，在電路仿真中增添試錯模式，在對錯誤的修改過程中理解所講授的知識內(nèi)容。

2.2 模塊化隨堂仿真實驗的教學應(yīng)用研究

在軟件程序設(shè)計完成以后，課前將軟件打包發(fā)送給學生進行模塊化隨堂仿真實驗。為此，對教學設(shè)計進行優(yōu)化，在教學設(shè)計中增加機電融合元素和仿真實驗驗證環(huán)節(jié)，研究仿真實驗和課堂知識講授、討論以及思考等教學環(huán)節(jié)的有效銜接和融合，以達到教學目標要求；其次，研究基于問卷、投票、作業(yè)、拓展訓練等線上、線下反饋環(huán)節(jié)的后期評價體系，在學生反饋的基礎(chǔ)上進行軟件和教學過程的優(yōu)化迭代。

3 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用

在軟件開發(fā)方面，項目組成員企業(yè)進行監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，利用LabView進行了系統(tǒng)的GUI前端和軟件后臺算法程序編寫；同時，項目組成員皆具備電路數(shù)值建模和分析的能力。在教學應(yīng)用方面，通過機械電子工程專業(yè)本科生《電路原理》、《模擬電子技術(shù)》或《數(shù)字電子技術(shù)》的教學任務(wù)，及山西省一流本科課程《機械測試技術(shù)基礎(chǔ)》的前期準備工作，本項目團隊成員在本科生教學設(shè)計和教學實踐方面具有一定能力和經(jīng)驗，將所開發(fā)軟件成功應(yīng)用于本科教學。

本項目主要在機械電子工程專業(yè)大二和大三本科生的《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》的教學中開展。如圖2所示為所開發(fā)軟件的數(shù)字電子技術(shù)課程部分的軟件界面。該軟件利用EXCEL軟件中的VBA代碼中“用戶窗體”功能進行設(shè)計，將數(shù)字電子技術(shù)課程中相關(guān)章節(jié)放入該用戶窗體的“章節(jié)”下拉菜單中，同時在每個章節(jié)下設(shè)置子單元“項目”，將每一章中所需要的模塊放入。

軟件在編碼器一節(jié)中的教學應(yīng)用實例如圖3所示。課堂講解優(yōu)先編碼器（8線-3線優(yōu)先編碼器）時，該部分教學重點是如何利用已有編碼器模塊芯片（如74HC148）的擴展端口進行多個編碼器的級聯(lián)擴展。在一般的課堂教學中，僅有原理的講解環(huán)節(jié)，而缺乏相應(yīng)的檢驗環(huán)節(jié)，因此難以掌握學生的掌握程度。為了檢驗學習效果，實時掌握學生的掌握程度，教師可利用如圖3所示的本項目提出的教學軟件。該界面具有批量輸入和隨機輸入的功能。批量輸入時，教師可以自由鍵入16個輸入；隨機輸入時，由系統(tǒng)自行隨機鍵入16個輸入。點擊運行按鈕即可顯示出在當前輸入情況下對應(yīng)的輸出。例如，利用隨機輸入功能，隨機輸入0、1數(shù)字到16個輸入端口，讓同學們說出所對應(yīng)的輸出，再利用該界面進行驗證，也可以通過批量輸入和隨機輸入來簡化輸入過程。同時，也可以配合單個74HC148芯片的輸入輸出功能，進一步加深對16線-4線優(yōu)先編碼器和“芯片串行拓展”功能的理解。

項目成果初期可為機電專業(yè)本科生理解和掌握模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的理論知識和提高實踐應(yīng)用能力提供新的教學工具和教學方法，長期可進一步向其他相關(guān)專業(yè)和課程進行推廣，使更多的學生受益。

4 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用意義

綜上所述，參照本項目的實施及目前發(fā)展狀態(tài)和所獲成果，筆者認為模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用具有以下意義：

首先，實現(xiàn)模塊化機電系統(tǒng)教學仿真驗證軟件的開發(fā)，為機電專業(yè)本科生學習和掌握電子理論提供一種新的工具和手段；其次，實現(xiàn)模塊化隨堂仿真實驗在課堂教學環(huán)節(jié)中的合理、高效利用，為機電專業(yè)本科生深刻理解課堂所講授電子知識、深刻理解機電融合概念，以及建設(shè)一流本科專業(yè)提供新的教學方法。

機械電子工程專業(yè)鑒于其專業(yè)本身的綜合性和負責向，在培養(yǎng)過程中必須保證可以鍛造出能在生產(chǎn)一線從事機電產(chǎn)品設(shè)計制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級專門人才。相比較于形象具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，實驗學時安排有限，并且目前機電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統(tǒng)思維。本教改項目不僅開發(fā)了一種新的輕量化和模塊化的機電系統(tǒng)教學仿真驗證程序，同時為提高機械電子工程專業(yè)本科生深入理解電子類課程的基礎(chǔ)理論，提高機電融合思維和實踐能力提供了一種新的教學工具和手段。此項目僅僅是探索之后專業(yè)內(nèi)容的一個參考，在今后的教學研究過程中，一線教師有必要始終在實踐中探索和發(fā)現(xiàn)，提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類專業(yè)的學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統(tǒng)性分析思維。通過教學改革創(chuàng)新，不斷推進機電專業(yè)學科建設(shè)和高質(zhì)量人才培養(yǎng)貢獻應(yīng)有之力。

2022年山西省高等學校教學改革創(chuàng)新項目，項目編號：J20220153 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業(yè)電子類課程教學中的應(yīng)用。

2022年山西省高等學校教學改革創(chuàng)新項目，項目編號：J20220136 機器人工程專業(yè)卓越工程師產(chǎn)教聯(lián)合培養(yǎng)探究與實踐。

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