機電系統仿真課程與專業課程結合的教學探討

摘要：機電系統仿真課程是機電專業學生的一門專業方向課。針對實際教學過程中內容廣泛、課時相對少、理論教學枯燥和上機實踐環節相對薄弱等問題，提出將課程分為三個主要環節，從三方面有機結合專業課程的建議。

關鍵詞：機電系統；仿真課程；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）46-0207-02

仿真是基于計算機、利用合適的算法通過模型（物理的或數學的）以代替實際系統進行實驗和研究的一門學科和實驗技術，仿真技術已經廣泛應用于工程領域。機電系統仿真課程是應用計算機模型模擬機電系統，為評估和改進機電系統的性能提供理論依據。該課程是我校機電專業大三學生的一門專業方向課，也是本科生必須掌握的基礎知識和基本技能。機電系統仿真課程是建立在系統科學、控制理論和計算機技術等諸多學科基礎上的一門綜合性很強的課程，必然與前期很多專業課程有著諸多聯系。如果單從課程教材內容本身去講解，很難吸引學生的注意力。作者在教學實踐過程中嘗試在講解主要知識點后，引用一些與前期專業課程相關的分析，并在此基礎上進一步深化內容，提出具有拓展思維的問題留給學生課下去完成，根據完成情況計入學生的平時成績，這樣不僅能夠使得學生在短時間內掌握本課程的知識點，還激發了學生的學習興趣，同時，也拓展了學生的學習思維方法，培養了學生綜合應用專業知識解決實際問題的能力。機電系統仿真課程知識點較多，而課時相對又較少，因此，在教學過程中，我們采取在課堂上只講基本的理論和方法，而對基本理論的深入理解，采取和專業課程相結合的方法來幫助學生理解透徹。該課程的知識體系：理論教學（機電系統概述、仿真原理和內容）；仿真工具的介紹；機電系統模型以及仿真的實現。

一、理論教學的結合

本課程是使學生通過學習獲得機電系統仿真方面必要的基本理論和基本技能，該環節主要包括兩個方面，一個是對于機電系統的理解，另一個是對仿真過程的掌握。作者嘗試在上課講解中引入和前期專業課程相聯系的舉例，讓知識點更加具體易于理解，取得了較好的效果。例如，學生根據理論教學過程中對機電系統的特點的講解，可以應用五塊論解釋某一具體的機電系統，如全自動洗衣機、避障機器人、數控機床、水箱液位控制系統、溫度檢測系統、工控機等，學生能自主地把其前修的專業課程與本課程有機結合，上述實例涉及到機械控制工程基礎、微機原理、機電傳動控制、機器人技術基礎等課程。對仿真過程的理論教學是由專業基礎課學過的系統數學模型入手，在課堂上詳細講解一些較簡單的機電系統仿真實例，使學生逐步明確并不斷加深對建模仿真整個流程的理解：從分析系統結構、導出系統的數學模型，再根據數學模型使用仿真工具得到仿真模型，形成相應的仿真程序，最后選擇仿真算法運行程序，分析結果得出對實際系統設計有意義的結論。其中，數學模型的導出是在大學物理、電工電子技術和控制工程等課程的基礎上，引入現代控制理論，對所學內容進一步深化，學生也很容易接受。

二、仿真工具的結合

由于MATLAB是一個專業的應用型軟件，需要一定的基礎才能熟練操作，因此，在講授過程中給予一定的學時進行軟件使用方面的介紹。這部分教學內容安排：矩陣運算、符號運算，編程基礎，繪圖基礎等，在有限地講授學時內介紹仿真工具使用的基礎知識和關鍵規則，然后利用上機實踐過程使學生能夠較快地熟悉軟件使用。一般而言，我們采用多媒體教室授課，一邊講授一邊演示程序，講授完一部分知識后，學生上機練習，驗證一下課堂所學。教學實踐過程中發現學生上機驗證的主動性不強，所以在每次上機時，安排具體的題目要求學生完成，此類題目包括矩陣乘法、變量賦值、化簡、求解代數方程組和微分方程、分段函數圖像、電動機特性曲線繪制等，都是與所學高等數學、線性代數、機電傳動控制等課程相關的具體題目。在上機過程中大多數學生能夠主動地完成基本的上機題目，甚至有些學生能更為深入地與教師探討，改進實驗的程序和完成難度更高的題目，從而使得學生掌握仿真工具的核心思想與編程技巧，有效地提升了學生的創新性思維和解決問題的實踐能力。

三、課程作業的結合

一種好的考核方法對于學習一門課程至關重要，要努力做到既考知識又考能力，該課程除了筆試基礎知識之外，教師還要布置課程作業，并對此進行成績評定，最終計入總評成績。這種方法能夠有效地考察到學生運用所學知識解決問題的能力。課程作業需要學生首先選取某機電系統作為仿真對象，按照仿真步驟和規范的書寫格式形成文檔并上交，要求學生根據所學機電專業知識，去圖書館或網絡上查閱資料，寫出一篇針對選取機電系統進行仿真的研究性文章，這樣既能拓寬學生的知識面，又可以培養學生科學研究的意識，同時讓學生的寫作能力得到鍛煉。由于學生之間存在能力方面的差異，為了提高作業的質量，采取組隊完成的形式，在這種方法的實施過程中發現部分學生有依賴心理，只是參隊，卻沒有參與作業的完成。為此降低作業難度，要求每人交一份課程作業。課程作業要求正文至少包括的內容：引言、系統描述、模型建立、系統分析、仿真實驗/結果分析和結論等。在此要求下，學生能夠主動與教師探討學術論文的書寫和所選仿真對象分析的合理性，教師針對不同的方案和不同的問題進行一些關鍵性地指導，一起確定仿真題目。從學生上交的作業上可以看出學生通過學校圖書館和電子數據庫的自主選題，初步掌握了對某一機電系統模型的建立、仿真及結果分析這一過程，進行了一次較系統的機電系統建模仿真訓練，同時，發現學生的課程作業選題范圍不再局限于課堂內容，而是更貼合于機電專業，實現了我們把該課程有機結合專業課程的預期。以上是作者在本課程幾年教學實踐過程中，針對課程理論教學、仿真工具教學和上機實踐、考核方式等提出的觀點，目的是提高學生綜合應用所學專業課程學習一門仿真課程的主動性，并且重點考核學生解決實際問題的能力，以及科技論文撰寫的科研素養。通過教學實踐證明，機電系統仿真課程與專業課程的有機結合，不僅提高了教學質量和效率，還提高了學生學習該課程的主動性，加強了學生結合所學專業分析和解決問題的能力，為學生從事后續的畢業設計，以及畢業后學習深造或步入工作崗位運用仿真知識和技能打下堅實的基礎。

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基金項目：天津工業大學2010年校級教育教學改革立項項目（2010-2-10）

作者簡介：劉欣（1981-），女，河北定州，博士，講師，主要從事機電傳動控制系統的教學與研究。方艷（1980-），女，碩士，講師，河北唐山，主要從事工程制圖和激光方面的教學和研究。