基于MATLAB的熱能動力機械測控技術課程教學方法研究

謝潔飛，何 伯，辜良瑤

（中南林業科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

提高教學質量，培養創新型人才，已成為當前高等教育教學面臨的重要課題，其中，改革傳統教學模式，不斷創新教學方法和手段，是提高高等教育教學質量的重要環節。熱能動力機械測控技術課程是我校熱能與動力工程專業必修的一門主干專業課程，理論性實用性較強，涉及面較廣，其教學過程有課堂教學和實驗教學兩部分，在熱能與動力工程專業課程體系中占有十分重要的地位。針對熱能動力機械測控技術課程教學現狀，從提高教學效果和質量角度出發，結合MATLAB數值計算軟件特點，改革該門課程的教學方法和手段，對于激發學生興趣，全面提高學生綜合素質、增強實踐動手能力、培養創新精神和創新能力等都具有非常重要的作用。

1 熱能動力機械測控技術課程教學現狀

《熱能動力機械測控技術》課程是在原《熱能動力工程測試技術》與《機械工程控制基礎》兩門課程的基礎上合并而成，主要包括測控信號的獲取、分析、和處理方法；測控系統的組成結構、類型、數學模型、以及時域頻域響應特性分析；測控系統校正方法等內容，其概念抽象，理論性強，涉及面廣，包含大量復雜深奧的數學公式推導和圖形曲線。該門課程要求學生的數學基礎扎實，特別是對復變函數和積分變換這兩門工程數學課程的基礎知識要求更高。

《熱能動力機械測控技術》課程的傳統教學方法主要是教師通過課堂板書的形式講授課程內容，絕大部分學生在學習過程中都感到課程內容抽象，難以理解。近年來，雖然教師在教學過程中采用了多媒體教學技術和方法，課堂教學在一定程度上變得形象生動，但由于測控技術概念本身的抽象性和數學模型的復雜性，學生僅僅依靠做習題來鞏固和理解教學內容，對課程中大量抽象性內容仍然不十分理解，工程應用性較強的內容也不能實際動手設計、調試、分析，致使多媒體教學效果并不理想。此外，該門課程在實踐教學過程中，學生按照實驗操作步驟在相應的測控實驗臺上進行操作，并觀察相應的實驗現象，記錄實驗數據，分析和總結實驗規律，在某種程度上能夠提高學生的動手能力，加深課堂內容的理解，但是實驗系統可修改參數有限，觀察效果不理想，學生缺少主動性和積極性。

因此，從提高教學效果和質量的目的出發，迫切需要采用新的思路對《熱能動力機械測控技術》課程的教學方法和教學手段進行新的改革。隨著數值計算軟件MATLAB的普及應用，將MATLAB軟件應用于《熱能動力機械測控技術》課程的理論和實踐教學，不失為一種新的教學方法和教學手段。

2 MATLAB軟件功能與作用

MATLAB軟件目前是國際控制界最流行的數值計算軟件，具有強大的科學計算、數值分析、符號運算、工程與科學繪圖、控制系統設計與仿真、數字圖像處理、測試信號分析與處理、計算結果可視化等功能，編程效率極高，只需簡單的幾句語句就可以完成。在國外高等院校，MATLAB已成為本科生、研究生必須掌握的基礎軟件，但國內將MATLAB軟件應用于機電類相關專業課程的教學中尚處于起步和探索階段。《熱能動力機械測控技術》課程應用到的數學知識多、理論性強、難以系統地掌握其基本方法、原理及實現過程。經過多年教學嘗試，將MATLAB數值計算軟件應用于《熱能動力機械測控技術》課程理論與實踐教學過程中，能夠使該門課程中的基本概念和理論方法易于理解，可以將學生從繁瑣復雜的數學公式推導中解脫出來，從而激發學生興趣，加深對知識的理解和掌握，提高教學質量和教學效果，還能提高學生利用現代科技手段和所學理論知識分析和解決實際問題的能力。

3 理論教學方法改革

《熱能動力機械測控技術》課程理論教學主要采用多媒體和黑板板書相結合的教學方法。多媒體教學信息量大，能夠節省教師和學生時間，遇到一些難以理解的公式和例題的推導，可以在黑板上完成，在一定程度上提高了學生聽課效率和教學效果。但是，由于學生高等數學及工程數學基礎知識不夠扎實，學生在聽課過程中仍然覺得教學內容抽象、難以理解、概念模糊、思路混沌，學習效果不佳。因此，在本課程的理論教學過程中，絕對不能回避抽象和復雜的數學問題。為了改變這一教學現狀，可以采取以下措施：

（1）結合MATLAB軟件功能，制作多媒體課件。MATLAB軟件強大的圖形處理和計算可視化功能能夠使得課程中的一些抽象概念和基本理論表達直觀，容易理解，從而豐富了教學手段。例如，在結合周期性方波信號講授周期性信號傅里葉級數展開方法時，可以通過MATLAB軟件很形象直觀地進行圖形表達,圖1為某方波信號及其各階諧波疊加逼近的情形；在講解一階和二階系統的階躍輸入響應特性時，直接可以通過step命令繪制系統階躍響應特性曲線，圖2為某二階系統的階躍響應特性曲線；在講解信號的調制、解調、以及濾波概念時，同樣可以通過MATLAB軟件做出圖形曲線，并進行對比，這樣很直觀地表達三者之間的概念。

圖1 某方波信號及各階諧波疊加逼近情形

圖2 某二階系統的階躍響應特性曲線

（2）根據課堂教學需要，直接采用MATLAB軟件演示相關實例。采用Matlab軟件直接演示相關實例，能夠形象直觀表達相關理論概念及其應用方法，提高了教師與學生的互動性，從而增強了課堂教學氛圍，提高學生學習的主觀能動性和思維的活躍性。比如：在講授測控系統設計與校正內容時，可以通過MATLAB軟件直接進行演示。本來很復雜的數學計算，通過利用MATLAB軟件變得簡單而生動，既節省了時間，又使得講課變得豐富而有趣，從而激發學生的學習積極性，進而提高學習效率。

4 實踐教學方法改革

《熱能動力機械測控技術》課程內容比較抽象，單憑課堂理論教學，學生很難把握其思想體系，必須通過實驗進一步加強感性認識，理解和掌握所學理論知識。以往的實驗課都是純粹的硬件實驗,學生通過了解和熟悉常用儀器儀表的使用方法，按照每一個實驗內容的實驗步驟操作儀器設備,觀察實驗現象，記錄和處理實驗數據，從而驗證和理解課堂教學內容。但是，如果每個理論教學內容都需做實驗，學校設備與資源受到限制，在這種情況下可以采用軟硬件結合的實驗教學方法，也就是在硬件實驗基礎上設計基于MATLAB軟件虛擬仿真實驗。

針對《熱能動力機械測控技術》課程內容，設計了較多的虛擬仿真實驗，包括測控信號的分類、時頻域描述、互功率譜分析；測控信號的調制、解調、濾波；測控系統的數學模型及其轉換；測控系統的時頻分析；測控系統的設計與校正等。通過虛擬仿真實驗，學生可以任意修改輸入參數，觀察虛擬實驗現象，比較實驗結果，不僅調動了學生學習積極性和主動性，加深了對理論知識的理解，提高了教學效果，而且培養了學生的探索精神、科學思維、實踐能力和創新能力。

5 結語

結合MATLAB軟件強大的數值計算、圖形處理、以及虛擬仿真功能，將其應用于《熱能動力機械測控技術》課程的理論和實驗教學過程中，豐富了教學手段，改變了課堂教學氣氛，增強了實驗教學效果，從而明顯地提高學生學習主觀能動性和思維活躍性，培養了學生探索精神、科學思維、實踐能力和創新能力。

[1]楊佳,馬占敖.淺談Matlab在數字信號處理課程中的應用[J].吉林省教育學院學報，2010，26（10）:151-152.

[2]張晶，郭小兵.切實轉變大學教學理念，努力創新教學方法[J].山西財經大學學報，2011，33（1）:235.

[3]羅建軍，楊琦.MATLAB教程[M].北京:電子工業出版社，2006.

[4]李秀瀅，王建新，彭靜.Matlab教學中任務驅動式教學法的應用[J].電氣電子教學學報，2010，32（2）):104-105.

[5]張利紅，周子昂.高校信號與系統教學改革探討[J].周口師范學院學報，2010，27（5）:69-71.

[6]黃敏、崔寶同.現代控制理論課程教學的改革與實踐[J].邊疆經濟與文化，2006，（3）.

[7]王家成，朱勇.數字信號處理綜合實驗設計探討[J].阜陽師范學院學報(自然科學版)，2011，28（1）):99-102.