機電系統仿真教學改革及教學模式的探討

宋曉娟 呂書鋒 何曉東 唐術鋒 張文志

[摘 要] 機電系統仿真是機械電子工程一門重要的專業課，文章就開設課程存在的問題進行了詳細的剖析，同時給出了教改方案，希望能夠為機電系統仿真課程的教學改革提供一些思路。

[關鍵詞] 機電系統仿真;MATLAB;教學改革

[基金項目] 內蒙古教育廳項目，“新工科”背景下機械電子工程專業應用型人才培養模式研究（NGJGH2018070）;內蒙古工業大學教改項目，機電類專業綜合設計II創新實踐模式研究（2018201）

[作者簡介] 宋曉娟（1983—），女，內蒙古人，研究生，教師，副教授，研究方向為機電一體化;呂書鋒（1983—），男，內蒙古人，研究生，教師，副教授（通信作者），研究方向為機械振動。

[中圖分類號] G640? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0158-02? ? [收稿日期] 2019-11-29

一、機電系統仿真課程簡介

機電系統仿真是機械電子工程專業一門比較有特色的專業選修課，課程主要研究和解決與機電系統相關的仿真問題，講述其在機電仿真背景下該工具的操作方法與編程思路，并針對數學模型已知的具體機電系統，進行動態仿真。國內外很多高校本科生、研究生都開設了這門專業課[1-3]。

MATLAB軟件因強大的數值計算能力，出色的數據圖像可視化技術及日益豐富的SIMULINK動態仿真模型庫，為控制工程提供了極好的仿真平臺[4]，使得學生能夠更加準確、生動地理解和運用課程的綜合知識解決實際機電系統的問題。本課程是在我校本科生第五個學期開課，與機械工程控制基礎這門課搭配開設。

二、教學中存在的問題

機電系統仿真這門課程開設初期，課程為機制、機電專業全體學生開設，由于學生人數過多，一個教學班級容量最少也達到七八十人，最多達到一百二十余人，學校不能提供全部教學班級學生同時上機教學的教學條件，教學過程中，遇到了如下問題：

（一）開課時間與前續專業課時間安排過于重合

由于本科生進入三年級之后，需深入學習專業階段相關知識，專業課安排較緊密，該課程與《機械工程控制基礎》開課時間基本重合，許多與控制工程相關的概念學生還沒有學到，使得有限的授課時間過多的用于對工程基礎概念的講解，導致對于如何解決工程仿真的實際問題講解時間過少。

（二）教學形式單一

教學中主要以教師講解為主，輔以課后練習及實驗，對于這類偏于軟件教學的課程，僅僅使用PPT講解，學生在學習過程中提不起興趣。由于在機電系統仿真課程中，涉及的內容廣泛，實踐性較高，應多結合面向工程實際的機電系統仿真知識。學生僅僅在課堂上學習如何使用MATLAB軟件操作方法，親自動手解決編程的機會太少，在遇到實際問題仍然難以入手，而且出現部分學生在課程結束之后完全不會使用軟件解決問題的情況。

（三）考核方法簡單

以往的系統仿真課程主要通過考試和實驗成績來考核，筆試成績占70%，實驗與平時成績占30%，評分標準過于固化，這種考核方式不能夠檢驗學生對于軟件的實際操作能力，不能夠真實反映學生發現問題、解決問題的綜合能力。

三、教學改革方案

隨著國家大力推動新工科建設，及專業認證工作的深入進行，本科生教學課程的改革也越來越緊迫。對于機電系統仿真這門專業課，講述其在機電仿真背景下該工具的操作方法與編程思路，并針對數學模型已知的具體機電系統，進行動態仿真。針對新一輪的教學任務，在編寫教學大綱過程中，將課程設置為機制專業本科生的專業任選課，機電專業本科生的專業必選課，分層次教學，緩解機房等公共設備緊張的問題。針對機電專業本科生，在教學工作中進行如下改革：

（一）運用現代化設施開展教學

將課程開課周數放置在機械工程控制基礎課程之后，集中安排上機，從如下兩個方面進行改進，首先，實行小班授課，全部在機房完成教學任務，調整課時量，由原來24學時增加至32學時，邊講解邊練習，讓學生在充分理解仿真原理的基礎上熟練掌握機電系統仿真工具。其次，現在學生大部分都有個人PC機，幫助學生安裝仿真軟件，開展以學生自主練習為主線的教學過程，增強學生的動手能力和解決實際問題的能力。

（二）教學實踐改革

現有的教材中仿真實例大多針對以建立好數學模型的控制系統進行仿真，對學生而言較為抽象，不易理解。通過教學模式的調整，增強學生的積極性。前期通過實際操作練習，學習軟件的基本功能及控制工程的基本概念;之后，通過設計面向實際工程應用問題大作業，如利用倒立擺、一維直線運動平臺、單自由度彈簧質量二階系統模型等實驗平臺，分析二階控制系統的動態特性、零極點對二階系統動態特性的影響，分析控制系統的頻率特性，以及針對系統設計控制器。學生通過2—3人小組自由合作方式完成作業;每一小組根據自己的仿真結果調試實驗平臺，同時進行課堂講解、分析，盡量讓每一個學生都參與其中，全班學生參與互相評比打分。這樣不但能培養學生綜合解決問題的能力，還能增加學生學習的積極性。

（三）采用綜合性考核評價方法

在考核上采用綜合性的評價方式，其中平時練習、課堂練習、大作業各占一定比例。與以往單純考試相比，上機實驗、大作業等反映學生綜合能力等環節所占比例更大，能更為客觀地反映學生掌握知識的程度。

四、教改效果

通過對16級機械電子工程專業本科生的教學大綱進行持續性改進，2018年機電專業本科生全部實施機房授課，課時量由原來24講授課程改為34學時的上機課程，課程內容及考核方式進行相應調整。（1）通過對比2014級與2015級、2016級學生的結課考試成績（如圖所示），可以看出通過對課程的逐年調整，學生能夠較好地完成該課程的要求，完成專業認證達成度的要求;（2）在畢業設計方面，2015級本科畢業設計能夠較好地運用MATLAB軟件進行控制仿真、優化設計等方面的計算分析。

五、結論

通過對機電系統仿真授課過程中問題進行詳細剖析，相應的提出了三條解決方案，課程改革近兩年的時間學生學習效率大幅度提高，不但對前續課程機械控制工程有了更加深入的理解，對MATLAB軟件使用能力顯著提高，同時為后續課程如課程設計、畢業設計提供了方便。

參考文獻

[1]馬文斌.《機電系統仿真》教學改革與實踐[J].常熟理工學院學報（教育科學），2011（6）：113-117.

[2]章瑋.《Matlab與機電系統仿真》雙語課程教學模式的探討[A]//第六屆全國高等學校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集[C].2015.

[3]劉欣，方艷.機電系統仿真課程與專業課程結合的教學探討[J].教育教學論壇，2013（46）：207-208.

[4]宋志安，朱緒力，谷青松，等.MATLAB/Simulink與機電控制系統仿真[M].第2版.國防工業出版社，2011.