中職機械基礎課程教學中的虛擬實驗技術

姜鵬飛

(江蘇省張家港市第三職業高級中學，江蘇 蘇州 215625)

1 虛擬實驗的基本概念以及作用

1.1 虛擬實驗的基本概念

所謂的虛擬實驗是指在計算上利用一些硬軟件技術進行全方位地模擬實驗，去研究分析一個已經存在或者正處于研究階段的系統，這個過程就叫做模擬實驗。這其中會用到的硬軟件技術有很多，比如多媒體、仿真等。虛擬實驗在操作過程中是在一個已有的虛擬實驗環境或者仿真平臺的基礎上實現的，如MATLAB軟件或者Multisim軟件的仿真平臺。在虛擬實驗操作中可以將傳統實驗操作中的部分環節或者整個環節轉換掉，然后讓學生根據自身所具備的機械基礎理論知識在這個已有的虛擬環境中或仿真平臺上將實驗項目完成，從而達到進行模擬實驗的目的，充分展現模擬實驗的效果。

1.2 虛擬實驗在中職機械基礎教學中的作用

隨著我國科學信息技術的飛速發展，我國仿真技術、多媒體技術及虛擬現實技術等多種技術都有了更迸一步的發展。現今，虛擬實驗技術之所以在機械基礎教學中得到了廣泛應用，是因為其滿足了現今時代下機械基礎教學的要求。其在中職機械基礎教學中的作用主要體現在2方面：一方面，在教學中利用虛擬實驗相關軟件技術，能夠有效改善原有傳統的基礎教學模式，運用虛擬實驗技術，學生在虛擬實驗操作中不僅僅是簡單地記錄數據，而是有自己選擇的權利，可以根據自身興趣愛好選擇自己感興趣或者所需要學習的虛擬實驗內容，這樣能夠充分調動學生的學習興趣及創新實踐能力，是促進機械基礎課程良好開展，學生全面發展的重要舉措。另一方面，虛擬實驗最突出的優勢就是其不受時間、地點、實驗經費及實驗設備等多種外在因素的影響，學生可以進行完全自主地虛擬實驗操作。不僅如此，學生將虛擬實驗應用到機械基礎課程學習中，利用該技術軟件對實驗數據進行全面分析與總結，能夠大大提升中職學生分析問題及實際處理問題的能力，從而為以后從事相關工作奠定基礎。由此可見，虛擬實驗技術在機械基礎教學中起著不可估量的作用，對機械基礎教學改革與完善具有一定的促進作用。

2 MATLAB與Simulink系統軟件功能分析

2.1 MATLAB系統軟件及功能分析

虛擬實驗技術的功能發揮在很大程度上是由MATLAB系統軟件實現的。MATLAB的中文意思是矩陣實驗室，該軟件是由美國一家叫做Math Works公司開發的，屬于一種商業數學軟件，具有數據分析、處理與計算的能力。此外，它具有非常好的開放性和可拓展性，因此，其在機械基礎教學模擬實驗中得到了廣泛應用。MATLAB控制系統內部的控制箱主要是用來處理以傳遞函數為主導的經典控制理論以及以狀態空間為主導的現代控制理論中存在的問題。

MATLAB控制系統工具箱中涵蓋了多方面內容，其中包括控制系統中設計與分析過程中必須要用到的函數，數據模型建立、模型轉換、模型實現、頻域相應、時域相應、調節器及根軌跡等多種設計模塊，為MATIAB控制系統建模、分析與設計等實驗環節提供了完整方案，是MATLAB軟件系統中不可或缺的重要組成部分。

2.2 Simulink系統軟件及功能分析

Simulink系統軟件可以說是MATLAB系統軟件的拓展，它能夠實現動態系統的仿真、分析及建模。該系統類型較多，與此同時它還支持離散系統與連續系統混合的仿真操作，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，具有比較強大的交互性，用戶在系統仿真模型分析與構建過程中，不需要把微分方程編寫成各種程序或者語言，只需要準確調用Simulink系統軟件所提供的功能模塊，并將這些功能模塊有效連接起來形成用戶所需的系統模型，而后用戶就可以按照自身所需對模塊參數進行隨意改變調整。與此同時，采用Simulink系統軟件中的信號接收模塊內部的示波器模塊，能夠將系統仿真結果以圖形化的方式展現出來，從而達到可視化的動態仿真效果，將這種系統軟件應用到機械基礎課程教學中，能夠使教學實驗效果更加清晰、直觀地展現在學生面前，對促進學生正確理解機械教學理論知識，掌握機械實踐技術具有重要意義。

3 MATLAB及Simulink系統軟件在機械基礎教學中的應用

3.1 打破了傳統教學的限制

機械基礎教學內容具有一定的抽象性，所用到的作圖方法較多，且計算性較強，需要學生具備一定的學習能力及素養。基于機械基礎教學的復雜性，很多中等職業學校在機械基礎教學中引入了MATLAB及Simulink系統軟件，輔助機械基礎教學課程的高效開展。這樣能夠較好銜接機械理論知識與機械模擬實驗環節相分離的狀態，從而使機械控制理論知識更易理解，機械模擬實驗更加順利。

3.2 實現對控制系統的設計與校正

運用MATLAB及Simulink系統分軟件進行機械控制系統建模操作，可以實現對多種輸入模型的響應與操作，然后再對系統內部的響應曲線、頻率特性、根軌跡及相關參數變化進行分析，在分析過程中全面掌握其對控制系統動態性及穩定性的影響，這樣一來學生在虛擬實驗操作中就可以有針對性地對控制系統進行合理設計與校正。在此過程中不僅大大完善了控制系統，同時還鍛煉了學生的實踐探究能力及創新能力，對中職學生綜合水平的提高具有重要作用。

3.3 實現了可視化動態仿真效果

MATLAB軟件系統可以對控制系統中的數據進行正確地分析處理與計算，而Simulink系統軟件則可以將模擬實驗中的仿真效果以圖形化的形式展現出來，這樣可以讓學生更加直觀、真實地了解模擬實驗真相，從而分析或總結出有價值的機械知識。這在一定程度上能夠拓展學生的學習思維，幫助學生克服以往學習中存在的困難，是機械基礎課程教學有效開展的良好舉措。

4 結語

虛擬實驗技術滿足了現今時代背景下學生的學習要求，它不僅僅改變了傳統的程式化實驗教學觀念及方式，而且還打破了傳統實驗中實驗時間、器材、空間及內容的局限，學生能夠根據自身想法及興趣隨意選擇實驗內容。給予學生充分的自主權，全面發揮學生的主觀能動性，符合我國素質教育的思想理念，對中等職業學校進行教學改革與創新，提高機械基礎教學質量具有非常重要的現實意義。