虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用研究

張小雪，李 磊，蘇合新

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

在當(dāng)下，高校尤其重視學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的鍛煉，而想要達(dá)到這一目的，實(shí)踐活動(dòng)開展十分必要。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)同樣重要，高校教學(xué)改革導(dǎo)致各課程的學(xué)時(shí)有所減少，理論教學(xué)尚不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就更難堅(jiān)固度。基于此，為讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程后，能夠靈活地處理實(shí)際情況下的工程問題，需要以新穎的教學(xué)手段來簡(jiǎn)單化實(shí)驗(yàn)、理論。而虛擬仿真技術(shù)正能達(dá)到這一目的。

1 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)目的是使學(xué)生可以熟練掌握該課程知識(shí)的理論和方法，同時(shí)鍛煉學(xué)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(chǔ)課程面向的教學(xué)對(duì)象為機(jī)械工程類專業(yè)的學(xué)生，其之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了《高等數(shù)學(xué)》《電工電子學(xué)》《機(jī)械原理》等相關(guān)理論和專業(yè)基礎(chǔ)課，所以學(xué)生的邏輯思維能力較強(qiáng)，有助于該課程的教學(xué)開展。但是，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程在以往的教學(xué)中，其理論課和實(shí)踐課是分離的，學(xué)生在理論課中沒有吃透的知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)課中也無法深入理解，由此導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)掌握不牢固。另外，機(jī)械工程控制課程在開展時(shí)離不開數(shù)學(xué)公式的支持，且計(jì)算起來比較難，內(nèi)容理論較復(fù)雜，所以對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)要求也高。對(duì)此，只有針對(duì)以往課程教學(xué)存在的問題，靈活使用教學(xué)資源，依托虛擬仿真技術(shù)來來吸引學(xué)生注意，使學(xué)生更好地掌握和運(yùn)用機(jī)械工程控制相關(guān)知識(shí)。

2 虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 多目標(biāo)層次

學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)能力不同，在學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制理論知識(shí)的時(shí)候會(huì)面對(duì)不同的困難，所以導(dǎo)致成績(jī)不一，因而在虛擬仿真教學(xué)開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要滿足不同層次學(xué)生需求。只有教學(xué)能滿足不同層次學(xué)生需要的時(shí)候，該教學(xué)方法才能獲得學(xué)生的認(rèn)同，并且吸引力倍增。此外，課堂上，對(duì)于不同學(xué)生的內(nèi)容理解和掌握差異，教師可應(yīng)用虛擬仿真多層次平臺(tái)，來帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)積極性，從而靈活理解理論知識(shí)。

2.2 靈活易操作

虛擬仿真教學(xué)擁有的優(yōu)勢(shì)之一靈活性，體現(xiàn)為：教學(xué)開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)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(duì)比得到結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，學(xué)生便可更深入的了解問題，從而總結(jié)出導(dǎo)致問題的原因。并且，因?yàn)樘摂M仿真教學(xué)依托的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)軟件包，所以學(xué)生只需要復(fù)制該軟件包，就能在課下隨時(shí)開展仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)了。課下學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，能進(jìn)一步鞏固學(xué)生機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程知識(shí)的掌握，避免下次上課時(shí)已將上次所學(xué)內(nèi)容遺忘。

2.3 多樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)手段來開展機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)學(xué)生會(huì)給出兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有圖形式的，也有數(shù)據(jù)式的。通常而言，計(jì)算機(jī)將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果繪制呈現(xiàn)出，能保證其準(zhǔn)確性，同時(shí)學(xué)生看起來更直觀。另外，在發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)不一時(shí)，學(xué)生也可借同一張圖比較結(jié)果曲線，以方便分析。

2.4 簡(jiǎn)單易上手

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)這門課要應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生投入到知識(shí)學(xué)習(xí)中去，離不開虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持。上課前，學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是沒有概念的，也從來沒有操作過，因此，虛擬平臺(tái)必須要簡(jiǎn)單易上手，才能讓學(xué)生能很快理解并學(xué)會(huì)操作平臺(tái)的用戶界面來開展實(shí)驗(yàn)，最終得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的時(shí)候，要搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以通過MATLAB技術(shù)來實(shí)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(tái)以變成分塊編程方式把課程的各個(gè)實(shí)驗(yàn)分成多個(gè)模塊，然后設(shè)置一個(gè)個(gè)UI界面，保證其獨(dú)立性，主要由一個(gè)UI界面來進(jìn)行其他模塊UI的調(diào)用。流程為：進(jìn)入平臺(tái)主界面——點(diǎn)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(shí)間響應(yīng)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3.2 實(shí)現(xiàn)

采用MATLAB仿真技術(shù)來設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)的時(shí)候，用戶和計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的途徑主要是通過MATLAB GUI提供的控件來完成。同時(shí)，整個(gè)虛擬平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)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(shù)，可以為學(xué)生營(yíng)造生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在操作界面時(shí)，能直觀了解課程相關(guān)知識(shí)，并鍛煉具體應(yīng)用能力。

（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)下有三個(gè)實(shí)驗(yàn)分支系統(tǒng)，分別是典型環(huán)節(jié)認(rèn)識(shí)、時(shí)域分析法與頻域分析法。

首先，典型環(huán)節(jié)認(rèn)識(shí)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(duì)應(yīng)的例子分析，能幫助學(xué)生直觀了解和掌握相關(guān)知識(shí)。

其次，建立了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以后，要分析控制系統(tǒng)性能。時(shí)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(shí)域分析能輸入給控制系統(tǒng)信號(hào)，然后對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行觀察，以此探析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能。在時(shí)域分析界面上，能自由進(jìn)行任意系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和解析，同時(shí)也能進(jìn)行同一系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)參數(shù)的時(shí)域分析，給予學(xué)生以直觀感受。

再次，頻域分析其實(shí)就是站在頻域角度，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，然后校正實(shí)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(hào)到系統(tǒng)中的方法，來檢測(cè)出系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，以此使分析者能更深入的認(rèn)識(shí)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(xué)生用來進(jìn)行線形定常系統(tǒng)頻率特性的研究。

（2）綜合實(shí)驗(yàn)

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(duì)做好原系統(tǒng)校正工作十分重要。綜合試驗(yàn)是時(shí)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(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用策略

4.1 虛擬仿真沉浸式教學(xué)，促進(jìn)知識(shí)吃透掌握

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程除了要讓學(xué)生掌握相關(guān)理論外，還需要讓學(xué)生能夠?qū)⒅R(shí)應(yīng)用于實(shí)際。當(dāng)代學(xué)生是在信息技術(shù)環(huán)境下成長(zhǎng)起來的，單純采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法充分吸引學(xué)生的注意力，所以必須應(yīng)用虛擬仿真這一新時(shí)代信息技術(shù)來開展教學(xué)。教師運(yùn)用虛擬仿真手段，能讓學(xué)生體會(huì)到沉浸式的教學(xué)感受。教師在教學(xué)中參考機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，結(jié)合機(jī)械、液壓等案例和虛擬仿真平臺(tái)，依托機(jī)械控制系統(tǒng)理論、數(shù)學(xué)描述等來組織教學(xué)。同時(shí)，還可引用實(shí)例化機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成電氣、液壓等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)課程案例，將理論知識(shí)點(diǎn)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(xué)生能逐漸掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，并可用仿真平臺(tái)來分析參數(shù)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)性能與穩(wěn)定性的影響。學(xué)生可主要依靠模塊化機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)來對(duì)系統(tǒng)串聯(lián)校正方法和控制系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，再依靠MATLAB的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)行時(shí)域與頻域的分析，來完成教學(xué)案例從建模到分析再到校正的過程。在這一過程中，學(xué)生能沉浸在虛擬仿真操作中，而教師強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)的基本理論和實(shí)際機(jī)、電、液、氣控制系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)，能幫助學(xué)生建立起控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)整體觀，從而更深入的了解機(jī)械工程控制基礎(chǔ)理論知識(shí)和工程具體應(yīng)用間的緊密關(guān)系，促進(jìn)知識(shí)吃透掌握。

4.2 合理設(shè)計(jì)工程案例，與時(shí)俱進(jìn)激發(fā)興趣

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程是一門需要將案例和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合開展教學(xué)的課程。通過虛擬仿真技術(shù)來營(yíng)造實(shí)際工程氛圍，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還需合理設(shè)計(jì)和選擇工程案例。當(dāng)下，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，為了讓學(xué)生能主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)中，教師需要與時(shí)俱進(jìn)，保證課程內(nèi)容和時(shí)代發(fā)展接軌，除了追求工程案例的新穎實(shí)際外，還需從以下三點(diǎn)入手來選擇與設(shè)計(jì)案例。

首先，參考教學(xué)目標(biāo)，合理選擇案例。根據(jù)培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)人才的目標(biāo)與特色，教師可著重從合作的企業(yè)中來選擇案例，讓學(xué)生能提前習(xí)慣知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，并帶動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。后期，教師還可以組織學(xué)生前往企業(yè)開展實(shí)訓(xùn)，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的吃透。當(dāng)然，由于實(shí)際問題通常復(fù)雜性較高，所以教師需要適當(dāng)根據(jù)基礎(chǔ)知識(shí)來簡(jiǎn)化案例。

其次，保證案例的兼容性。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)有一定獨(dú)立性，為讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完對(duì)機(jī)械工程控制有整體的認(rèn)知，案例選擇時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇能涵蓋課程重難點(diǎn)的綜合型案例，讓學(xué)生確實(shí)了解機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

最后，保證案例的可擴(kuò)展性。一方面機(jī)械工程控制基礎(chǔ)在機(jī)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(xué)中應(yīng)用。這樣，學(xué)生在后期能更進(jìn)一步鞏固知識(shí)，讓學(xué)習(xí)保持連貫。另一方面，教師借助虛擬平臺(tái)來引導(dǎo)學(xué)生思考案例問題，還可將案例擴(kuò)展到課外，讓學(xué)生從已學(xué)知識(shí)出發(fā)來探索更廣闊的創(chuàng)新空間，形成“學(xué)習(xí)+實(shí)踐+創(chuàng)新”為一體的教學(xué)模式。

4.3 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)虛擬仿真，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師要留給學(xué)生一定的思考空間，也就是，教師虛擬仿真手段的應(yīng)用，需要落實(shí)“以生為本，學(xué)生主導(dǎo)”的教學(xué)理念，將以往教師灌輸講授變?yōu)閷W(xué)生自主探索知識(shí)。而為了發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，可利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)開展虛擬仿真教學(xué)，以激發(fā)創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)動(dòng)力。例如，教師可以典型項(xiàng)目工作任務(wù)和工作過程為主線，讓學(xué)生通過小組合作的形式來進(jìn)行學(xué)習(xí)，每個(gè)小組借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來完成教師布置的項(xiàng)目任務(wù)，教師則只適當(dāng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行點(diǎn)撥，期間，學(xué)生要完全按照資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施等一系列流程來完成任務(wù)。項(xiàng)目任務(wù)開展這不僅要培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、技能和工作態(tài)度，更是要培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)思維、行動(dòng)知識(shí)和情感。項(xiàng)目任務(wù)完成后，評(píng)價(jià)可以從工作方法、虛擬仿真平臺(tái)使用情況和學(xué)生收獲等方面著手進(jìn)行，將自評(píng)、互評(píng)和師評(píng)相結(jié)合。如此， 既能讓學(xué)生在實(shí)際操作中鍛煉虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用能力，又能幫助學(xué)生吃透知識(shí)，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，一舉多得。

4.4 依托虛擬仿真模型庫(kù)，開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

除了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生借助虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)來完成機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)。學(xué)生在上課之前，可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，結(jié)合課程視頻、虛擬仿真模型庫(kù)和實(shí)際工程案例來進(jìn)行自學(xué)預(yù)習(xí)、討論交流。在上完課之后，學(xué)生們又可依托MATLAB/ Simulink虛擬仿真平臺(tái)和模型庫(kù)，來以團(tuán)隊(duì)形式完成教師布置的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)任務(wù)，在設(shè)計(jì)方案、文獻(xiàn)查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)操作的過程中，學(xué)生能逐步培養(yǎng)實(shí)踐操作能力、思維創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)合作能力。

5 結(jié)語

總的來說，虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用于機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)中是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新，跟契合當(dāng)下學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。通過搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后采取虛擬仿真沉浸式教學(xué)，促進(jìn)知識(shí)吃透掌握；合理設(shè)計(jì)工程案例，與時(shí)俱進(jìn)激發(fā)興趣；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)虛擬仿真，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；依托虛擬仿真模型庫(kù)，開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等策略，優(yōu)化學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)際問題解決能力培養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。