機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)

李偉

摘要 機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)課程強(qiáng)調(diào)在項(xiàng)目研究實(shí)踐中去掌握基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，突出基礎(chǔ)知識(shí)的綜合運(yùn)用、實(shí)踐動(dòng)手能力等的培養(yǎng)。傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式局限大，無(wú)法滿足課程需要。本文提出采用遠(yuǎn)程教學(xué)與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，提高機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)課程的授課效果，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程教學(xué)框架以及三類(lèi)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程教學(xué) 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn) 虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.07.042

1網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的必要性

在機(jī)械工程學(xué)科，機(jī)械結(jié)構(gòu)、信號(hào)測(cè)量與自動(dòng)控制技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，使現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備成為機(jī)電一體化系統(tǒng)，機(jī)電一體化也成為我國(guó)機(jī)械行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)課程，尤其是機(jī)械電子方向?qū)I(yè)課程必須包括機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、機(jī)電控制、測(cè)試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷等內(nèi)容。這類(lèi)課程往往強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)中結(jié)合實(shí)踐去掌握基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，突出基礎(chǔ)知識(shí)的綜合運(yùn)用、實(shí)踐動(dòng)手能力、研究與協(xié)作能力的培養(yǎng)。

目前，機(jī)械電子相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程以傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式為主，其特點(diǎn)是立足課堂，以課本為中心，以教師講授為主，形成單向的知識(shí)傳遞或灌輸方式，學(xué)生的主觀能動(dòng)性未得到重視。機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)生動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)。一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可供每個(gè)學(xué)生使用的設(shè)備資源有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地往往不能滿足要求，限制了機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)保障條件也在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型學(xué)習(xí)方式，區(qū)別于單純的課堂教學(xué)，教師與學(xué)生可以在網(wǎng)絡(luò)空間里以虛擬的方式進(jìn)行有效的交流，并利用先進(jìn)的多媒體技術(shù)豐富學(xué)習(xí)手段，同時(shí)提高學(xué)習(xí)效果。與課堂教學(xué)以教師為主不同，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是以學(xué)生為主體，學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，在網(wǎng)絡(luò)上根據(jù)自己的時(shí)間和條件，自由地選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)可以控制自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度。目前的網(wǎng)絡(luò)教育主要著重于教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)與講解，用仿真的方式模擬實(shí)驗(yàn)儀器和電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不適用于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，缺乏研究性學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，尤其是涉及互動(dòng)式的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

本文主要探討網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的開(kāi)展方式。

2網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的作用

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)該將傳統(tǒng)課堂教學(xué)的要素，如課程內(nèi)容、教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)進(jìn)行展現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行提升，使學(xué)生在快速掌握課程關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際動(dòng)手問(wèn)題，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)思維的能力。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)能夠利用網(wǎng)絡(luò)資源的共享性，不受地域和時(shí)間影響的特點(diǎn)，為學(xué)生提供便利的學(xué)習(xí)條件和實(shí)驗(yàn)條件。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)所應(yīng)起到的作用主要有：

（1）課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。課堂時(shí)間有限，學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有可能沒(méi)有完全掌握，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中提供的多媒體課件、實(shí)驗(yàn)錄像、補(bǔ)充材料等，反復(fù)學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充。對(duì)于實(shí)驗(yàn)比重較大的課程，可以通過(guò)將實(shí)驗(yàn)放在網(wǎng)絡(luò)上，以網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的地域范圍和時(shí)間范圍，如控制工程基礎(chǔ)課可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，尤其是一些數(shù)量少、價(jià)值高的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同樣不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，開(kāi)闊學(xué)生的視野，鍛煉學(xué)生的思維。

（3）教師與學(xué)生之間有益的即時(shí)交流。課堂教學(xué)之后，學(xué)生有問(wèn)題可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)與教師溝通，提高學(xué)習(xí)效率。特別是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、控制工程基礎(chǔ)、測(cè)試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷等課程、內(nèi)容多，相對(duì)學(xué)時(shí)少，知識(shí)點(diǎn)抽象，往往需要學(xué)生課后復(fù)習(xí)來(lái)理解和消化。在這個(gè)過(guò)程中存在的疑問(wèn)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)提出，教師看到問(wèn)題后及時(shí)給予答復(fù)。這種交流可以是文字形式，也可以是語(yǔ)音形式。也可以通過(guò)現(xiàn)在使用范圍極廣的即時(shí)通訊系統(tǒng)，如微信等，實(shí)現(xiàn)課程信息的發(fā)布，加強(qiáng)教師與學(xué)生的高效交流。

3網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)均采用WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)主要包括課程簡(jiǎn)介、課程大綱、教學(xué)日歷、課程導(dǎo)學(xué)、作業(yè)庫(kù)、留言板等功能部分；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)圖像、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與顯示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

4網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)總體部分包括：課程簡(jiǎn)介、課程大綱、教學(xué)日歷、練習(xí)題數(shù)據(jù)庫(kù)、交流板塊等，具體如下：（1）課程簡(jiǎn)介、教學(xué)大綱和教學(xué)日歷。課程簡(jiǎn)介包括課程特點(diǎn)、先修課程、教學(xué)目標(biāo)、應(yīng)用前景、授課對(duì)象、教材與參考資料等；教學(xué)大綱包括教學(xué)目的、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、課時(shí)分配、考試方式等；教學(xué)日歷包括每學(xué)期的課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容、作業(yè)等。（2）練習(xí)題數(shù)據(jù)庫(kù)。編制針對(duì)教材各章節(jié)內(nèi)容的全部練習(xí)題，教師可以從中選擇題目作為作業(yè)，學(xué)生也可自選練習(xí)題作為補(bǔ)充作業(yè)，并檢查作業(yè)和修正作業(yè)，提高學(xué)習(xí)效果。（3）交流板塊。提供教師與學(xué)生的交流平臺(tái)，并與微信等即時(shí)通訊平臺(tái)連接，提高師生的交流效率，同時(shí)提供有關(guān)課程的最新信息。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)圖像、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與顯示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、安全守則等，具體如下：（1）實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介和實(shí)驗(yàn)大綱。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介包括課程各個(gè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)的目的和意義、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的概述等；實(shí)驗(yàn)大綱包括課程各個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)分配、要求等。（2）實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明。主要包括實(shí)驗(yàn)具體的步驟、操作流程和注意事項(xiàng)等，學(xué)生需要按照操作說(shuō)明完成實(shí)驗(yàn)。（3）實(shí)驗(yàn)圖像。主要包括實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的照片和視頻，采用流媒體技術(shù)，使學(xué)生更加直觀地在網(wǎng)絡(luò)上了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與顯示。采用圖表技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)直接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并顯示分析結(jié)果。（5）實(shí)驗(yàn)報(bào)告。采用網(wǎng)上提交方式，完成學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的收取。（6）安全守則和緊急報(bào)警。部分實(shí)驗(yàn)可能具有一定的危險(xiǎn)性或破壞性，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)和要避免的錯(cuò)誤操作等；同時(shí)應(yīng)具備緊急停機(jī)和報(bào)警功能，能夠在緊急情況下對(duì)實(shí)驗(yàn)停機(jī)，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

5網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)方向課程中機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、控制工程基礎(chǔ)、測(cè)試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷等的實(shí)驗(yàn)主要集中于機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化，因此網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要以機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)量與控制為主體，主要包括機(jī)械參量測(cè)量與分析、控制算法或控制器設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)等。

（1）機(jī)械參量測(cè)量與分析。針對(duì)典型的機(jī)電系統(tǒng)測(cè)量并分析其中主要的運(yùn)行參量，可以采用真實(shí)的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，操作指令與傳感信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，并在WEB頁(yè)面進(jìn)行顯示。以狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷課程為例，常用的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，安裝振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、噪聲、位移、轉(zhuǎn)矩、扭矩和力等機(jī)械參量測(cè)量的傳感器，進(jìn)行綜合性的工程測(cè)試。采用.NET等技術(shù)，建立遠(yuǎn)程訪問(wèn)頁(yè)面，頁(yè)面具有對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行起停的控制按鈕，具有設(shè)置實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行特性的功能，同時(shí)能夠同步顯示各傳感器的輸出，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，比如頻譜分析、軸心軌跡等。

（2）控制算法或控制器設(shè)計(jì)。針對(duì)典型的機(jī)電系統(tǒng)控制可采用真實(shí)的系統(tǒng)或者虛擬的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，控制器可在本地，也可在遠(yuǎn)程。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制指令和傳感系統(tǒng)的傳輸，并在WEB頁(yè)面進(jìn)行顯示。以控制工程基礎(chǔ)為例，常用的倒立擺實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)課程涉及的多種控制器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。同樣采用.NET等技術(shù)，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制頁(yè)面，頁(yè)面具有對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行起停的控制按鈕，能夠選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行方式、控制器類(lèi)型，能夠設(shè)置控制器參數(shù)，并能夠?qū)崟r(shí)顯示反饋量、控制量、系統(tǒng)輸入和輸出等關(guān)鍵信息。

（3）機(jī)電一體化系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)。針對(duì)典型的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完全采用虛擬技術(shù)，機(jī)械部分動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可在WEB頁(yè)面提供，由學(xué)生完成傳感器、控制器的選型或設(shè)計(jì)。系統(tǒng)模型可以采用MATLAB等實(shí)現(xiàn)，或采用已有的MATLAB模型，設(shè)計(jì)對(duì)象可以采用較為熱門(mén)的機(jī)電系統(tǒng)，比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、混合動(dòng)力汽車(chē)、機(jī)器人平臺(tái)等。綜合采用.NET技術(shù)、MATLAB等，將運(yùn)行于服務(wù)器的各種模型通過(guò)WEB頁(yè)面顯示出來(lái)，同時(shí)WEB頁(yè)面能夠設(shè)置模型運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行方式，并具備仿真結(jié)果的傳輸和顯示功能。

以上三種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均需具有安全保障措施和使用規(guī)范。如在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)有人值守，應(yīng)配備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭，圖像信息可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)；對(duì)于控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，應(yīng)具備錯(cuò)誤診斷能力，避免有問(wèn)題的控制算法造成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的損壞。

6結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)將成為教育改革的一個(gè)方向。本文詳細(xì)介紹了機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)性、交互性和及時(shí)性等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)答疑、討論等教學(xué)環(huán)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和教學(xué)資源的利用率。