虛擬仿真教學在機械工程控制基礎課程中的應用研究

張小雪，李 磊，蘇合新

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

在當下，高校尤其重視學生實際動手能力的鍛煉，而想要達到這一目的，實踐活動開展十分必要。機械工程控制基礎課程作為重要的專業(yè)基礎課程，為幫助學生更好地理解課程內(nèi)容，實驗教學和理論教學同樣重要，高校教學改革導致各課程的學時有所減少，理論教學尚不足，實驗教學就更難堅固度。基于此，為讓學生在學習完機械工程控制基礎課程后，能夠靈活地處理實際情況下的工程問題，需要以新穎的教學手段來簡單化實驗、理論。而虛擬仿真技術正能達到這一目的。

1 機械工程控制基礎課程教學現(xiàn)狀

機械工程控制基礎課程的教學目的是使學生可以熟練掌握該課程知識的理論和方法，同時鍛煉學生系統(tǒng)分析穩(wěn)定和參數(shù)變更優(yōu)化系統(tǒng)性能的能力。由于該基礎課程面向的教學對象為機械工程類專業(yè)的學生，其之前已經(jīng)學習了《高等數(shù)學》《電工電子學》《機械原理》等相關理論和專業(yè)基礎課，所以學生的邏輯思維能力較強，有助于該課程的教學開展。但是，機械工程控制基礎課程在以往的教學中，其理論課和實踐課是分離的，學生在理論課中沒有吃透的知識，在實驗課中也無法深入理解，由此導致學生知識掌握不牢固。另外，機械工程控制課程在開展時離不開數(shù)學公式的支持，且計算起來比較難，內(nèi)容理論較復雜，所以對學生的理論基礎要求也高。對此，只有針對以往課程教學存在的問題，靈活使用教學資源，依托虛擬仿真技術來來吸引學生注意，使學生更好地掌握和運用機械工程控制相關知識。

2 虛擬仿真教學在機械工程控制基礎課程中的應用優(yōu)勢

2.1 多目標層次

學生的基礎知識能力不同，在學習機械工程控制理論知識的時候會面對不同的困難，所以導致成績不一，因而在虛擬仿真教學開展實驗時，需要滿足不同層次學生需求。只有教學能滿足不同層次學生需要的時候，該教學方法才能獲得學生的認同，并且吸引力倍增。此外，課堂上，對于不同學生的內(nèi)容理解和掌握差異，教師可應用虛擬仿真多層次平臺，來帶動學生主動積極性，從而靈活理解理論知識。

2.2 靈活易操作

虛擬仿真教學擁有的優(yōu)勢之一靈活性，體現(xiàn)為：教學開展實驗時，學生可自由變化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后分析系統(tǒng)性能受各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響差異。對比得到結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗結(jié)果后，學生便可更深入的了解問題，從而總結(jié)出導致問題的原因。并且，因為虛擬仿真教學依托的實驗平臺是一個軟件包，所以學生只需要復制該軟件包，就能在課下隨時開展仿真實驗學習了。課下學生的自主學習，能進一步鞏固學生機械工程控制基礎課程知識的掌握，避免下次上課時已將上次所學內(nèi)容遺忘。

2.3 多樣實驗結(jié)果

在應用虛擬仿真教學手段來開展機械工程控制基礎實驗的時候，實驗平臺針對學生會給出兩種實驗結(jié)果，有圖形式的，也有數(shù)據(jù)式的。通常而言，計算機將實驗的結(jié)果繪制呈現(xiàn)出，能保證其準確性，同時學生看起來更直觀。另外，在發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)不一時，學生也可借同一張圖比較結(jié)果曲線，以方便分析。

2.4 簡單易上手

機械工程控制基礎這門課要應用虛擬仿真教學來引導學生投入到知識學習中去，離不開虛擬實驗平臺的支持。上課前，學生對虛擬實驗平臺是沒有概念的，也從來沒有操作過，因此，虛擬平臺必須要簡單易上手，才能讓學生能很快理解并學會操作平臺的用戶界面來開展實驗，最終得到相應的實驗結(jié)果。

3 虛擬仿真教學實驗平臺的架構(gòu)

3.1 設計

機械工程控制基礎課程在應用虛擬仿真技術的時候，要搭建仿真實驗平臺，可以通過MATLAB技術來實現(xiàn)。在MATLAB的GUI環(huán)境中創(chuàng)建的任何用戶界面都能被其他UI界面調(diào)用，被調(diào)用的UI界面就如同其他編程中的函數(shù)。平臺以變成分塊編程方式把課程的各個實驗分成多個模塊，然后設置一個個UI界面，保證其獨立性，主要由一個UI界面來進行其他模塊UI的調(diào)用。流程為：進入平臺主界面——點擊某一模塊——輸入系統(tǒng)模型或選擇典型系統(tǒng)輸入?yún)?shù)——得到時間響應曲線、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)頻率特性的奈氏圖和伯德圖以及改變系統(tǒng)參數(shù)時曲線的變化情況——選擇是否改變系統(tǒng)參數(shù)值（是）——總結(jié)系統(tǒng)性能——實驗結(jié)束。

3.2 實現(xiàn)

采用MATLAB仿真技術來設計虛擬平臺的時候，用戶和計算機進行交互的途徑主要是通過MATLAB GUI提供的控件來完成。同時，整個虛擬平臺的功能實現(xiàn)主要應用了PUSH BUTTON、RADIO BUTTON、CHECK BOX等多種控件的事件和方法。借助MATLAB/ Simulink仿真技術，可以為學生營造生動的實驗環(huán)境，讓學生在操作界面時，能直觀了解課程相關知識，并鍛煉具體應用能力。

（1）基礎實驗

基礎實驗下有三個實驗分支系統(tǒng)，分別是典型環(huán)節(jié)認識、時域分析法與頻域分析法。

首先，典型環(huán)節(jié)認識這一部分，其主要是介紹該門課程的典型環(huán)節(jié)，然后還涵蓋了典型環(huán)節(jié)定義、傳遞函數(shù)等，加上對應的例子分析，能幫助學生直觀了解和掌握相關知識。

其次，建立了控制系統(tǒng)數(shù)學模型以后，要分析控制系統(tǒng)性能。時域分析法常常被用來分析系統(tǒng)性能，是不可忽視的一種方法。時域分析能輸入給控制系統(tǒng)信號，然后對系統(tǒng)輸出信號隨時間變化的曲線進行觀察，以此探析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能。在時域分析界面上，能自由進行任意系統(tǒng)的時域響應和解析，同時也能進行同一系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)參數(shù)的時域分析，給予學生以直觀感受。

再次，頻域分析其實就是站在頻域角度，對系統(tǒng)性能進行分析，然后校正實際系統(tǒng)性能的方法，該方法的使用頻率較高。頻域分析能依靠輸入特定信號到系統(tǒng)中的方法，來檢測出系統(tǒng)頻率響應特性，以此使分析者能更深入的認識和了解系統(tǒng)與元件，然后開展高效分析。該模塊主要是提供給學生用來進行線形定常系統(tǒng)頻率特性的研究。

（2）綜合實驗

通常來說，控制系統(tǒng)的固有部分是無法完全滿足用戶提出的性能要求的，所以，對做好原系統(tǒng)校正工作十分重要。綜合試驗是時域和頻域的結(jié)合，能分析已有的控制系統(tǒng)，然后選擇合適的校正裝置來契合系統(tǒng)控制需求。

4 虛擬仿真教學在機械工程控制基礎課程中的應用策略

4.1 虛擬仿真沉浸式教學，促進知識吃透掌握

機械工程控制基礎課程除了要讓學生掌握相關理論外，還需要讓學生能夠?qū)⒅R應用于實際。當代學生是在信息技術環(huán)境下成長起來的，單純采取傳統(tǒng)的教學方法無法充分吸引學生的注意力，所以必須應用虛擬仿真這一新時代信息技術來開展教學。教師運用虛擬仿真手段，能讓學生體會到沉浸式的教學感受。教師在教學中參考機電系統(tǒng)設計過程，結(jié)合機械、液壓等案例和虛擬仿真平臺，依托機械控制系統(tǒng)理論、數(shù)學描述等來組織教學。同時，還可引用實例化機械工程控制基礎課程綜合實驗平臺，形成電氣、液壓等實驗平臺課程案例，將理論知識點和物理期間鏈接起來，用典型環(huán)節(jié)來模擬電路、液壓回路組建。如此，學生能逐漸掌握實驗設備的使用，并可用仿真平臺來分析參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)性能與穩(wěn)定性的影響。學生可主要依靠模塊化機器人等實驗來對系統(tǒng)串聯(lián)校正方法和控制系統(tǒng)性能指標進行驗證，再依靠MATLAB的機械工程控制基礎課程仿真實驗平臺來進行時域與頻域的分析，來完成教學案例從建模到分析再到校正的過程。在這一過程中，學生能沉浸在虛擬仿真操作中，而教師強調(diào)控制系統(tǒng)的基本理論和實際機、電、液、氣控制系統(tǒng)間的關聯(lián)，能幫助學生建立起控制系統(tǒng)性能評價整體觀，從而更深入的了解機械工程控制基礎理論知識和工程具體應用間的緊密關系，促進知識吃透掌握。

4.2 合理設計工程案例，與時俱進激發(fā)興趣

機械工程控制基礎課程是一門需要將案例和仿真實驗相結(jié)合開展教學的課程。通過虛擬仿真技術來營造實際工程氛圍，來激發(fā)學生學習興趣，還需合理設計和選擇工程案例。當下，科學技術飛速發(fā)展，為了讓學生能主動參與到學習中，教師需要與時俱進，保證課程內(nèi)容和時代發(fā)展接軌，除了追求工程案例的新穎實際外，還需從以下三點入手來選擇與設計案例。

首先，參考教學目標，合理選擇案例。根據(jù)培養(yǎng)機械類專業(yè)人才的目標與特色，教師可著重從合作的企業(yè)中來選擇案例，讓學生能提前習慣知識的實際應用，并帶動學習積極性。后期，教師還可以組織學生前往企業(yè)開展實訓，從而促進學生對知識的吃透。當然，由于實際問題通常復雜性較高，所以教師需要適當根據(jù)基礎知識來簡化案例。

其次，保證案例的兼容性。機械工程控制基礎課程各章節(jié)知識點有一定獨立性，為讓學生在學習完對機械工程控制有整體的認知，案例選擇時，應當優(yōu)先選擇能涵蓋課程重難點的綜合型案例，讓學生確實了解機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機械轉(zhuǎn)動等內(nèi)容，培養(yǎng)學生應用知識解決實際問題的能力。

最后，保證案例的可擴展性。一方面機械工程控制基礎在機械工程類專業(yè)人才培養(yǎng)中起著重要作用，所以案例優(yōu)先的選擇，需要保證其也能在后續(xù)教學中應用。這樣，學生在后期能更進一步鞏固知識，讓學習保持連貫。另一方面，教師借助虛擬平臺來引導學生思考案例問題，還可將案例擴展到課外，讓學生從已學知識出發(fā)來探索更廣闊的創(chuàng)新空間，形成“學習+實踐+創(chuàng)新”為一體的教學模式。

4.3 項目驅(qū)動虛擬仿真，引導學生自主學習

在機械工程控制基礎課程教學中，教師要留給學生一定的思考空間，也就是，教師虛擬仿真手段的應用，需要落實“以生為本，學生主導”的教學理念，將以往教師灌輸講授變?yōu)閷W生自主探索知識。而為了發(fā)揮學生的主動性，可利用項目驅(qū)動開展虛擬仿真教學，以激發(fā)創(chuàng)新思維和學習動力。例如，教師可以典型項目工作任務和工作過程為主線，讓學生通過小組合作的形式來進行學習，每個小組借助虛擬仿真實驗平臺，來完成教師布置的項目任務，教師則只適當對學生進行點撥，期間，學生要完全按照資訊、計劃、決策、實施等一系列流程來完成任務。項目任務開展這不僅要培養(yǎng)學生知識、技能和工作態(tài)度，更是要培養(yǎng)學生的職業(yè)思維、行動知識和情感。項目任務完成后，評價可以從工作方法、虛擬仿真平臺使用情況和學生收獲等方面著手進行，將自評、互評和師評相結(jié)合。如此， 既能讓學生在實際操作中鍛煉虛擬仿真平臺應用能力，又能幫助學生吃透知識，鍛煉學生自主學習能力，一舉多得。

4.4 依托虛擬仿真模型庫，開展創(chuàng)新實驗

除了虛擬仿真實驗平臺之外，教師還可以引導學生借助虛擬仿真動態(tài)模型庫來完成機械工程控制基礎課程學習。學生在上課之前，可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，結(jié)合課程視頻、虛擬仿真模型庫和實際工程案例來進行自學預習、討論交流。在上完課之后，學生們又可依托MATLAB/ Simulink虛擬仿真平臺和模型庫，來以團隊形式完成教師布置的創(chuàng)新實驗任務，在設計方案、文獻查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實驗操作的過程中，學生能逐步培養(yǎng)實踐操作能力、思維創(chuàng)新能力與團隊合作能力。

5 結(jié)語

總的來說，虛擬仿真教學應用于機械工程控制基礎教學中是對傳統(tǒng)教學模式的革新，跟契合當下學生的學習需求。通過搭建虛擬仿真實驗平臺，然后采取虛擬仿真沉浸式教學，促進知識吃透掌握；合理設計工程案例，與時俱進激發(fā)興趣；項目驅(qū)動虛擬仿真，引導學生自主學習；依托虛擬仿真模型庫，開展創(chuàng)新實驗等策略，優(yōu)化學生創(chuàng)新能力和實際問題解決能力培養(yǎng)，提高教學質(zhì)量。