機電系統動力學建模與仿真課程教學改革探索

吳小勇 鄒 政 張凱飛 王玉金

(重慶理工大學機械工程學院 重慶 400054)

機電系統動力學建模與仿真是機械電子工程專業中的一門重要課程，它是機械、電子、控制、信息、計算機、人工智能、管理等諸多理論體系的集合。現如今，國內外許多大學的機電系統動力學建模與仿真課程主要是由機械工程、電子工程、計算機科學以及控制工程中的部分課程整合而成[1]。掌握機電系統動力學規律，可以避免在機電系統的設計、生產及運行過程中造成不必要的動力學破壞，同時可以合理化設計機電系統，使得系統具備最優動力學操作性能[2]。

本課程的目的是讓機械電子工程專業的學生在學習期間了解機電系統動力學分析的基本理論、解決問題的具體手段和前沿方法[3]，初步掌握機電耦合系統的建模及計算機仿真的實現。學習系統參數對動力學性能的影響規律，利用相關仿真軟件，能在計算機上模擬和分析實際機電系統的動力學特性，從而實現對機電系統的動態設計。通過這門課程的學習，培養學生的機電系統的一體化設計思路，使學生掌握機電系統設計與仿真的能力，為畢業后成為合格的機電工程師打下牢固基礎[4]。

重慶理工大學機電系統動力學建模與仿真課程為機械工程學院本科生選修課，授課課時為32學時，學習內容多、教學課時少。具體而言，在課程教學過程中存在下列問題：1.學習難度大，難以調動學生興趣啟發內驅力。2.部分教學內容晦澀難懂，缺乏啟發式教學案例。3.學習多停留于紙面，缺少實踐動手機會。針對上述問題，本文進行了深入廣泛的探討，以期提升課程教學質量。

一、激發學習內驅力

步入大學時代，學生的三觀逐漸成熟，因而開始有了相對明確的學科發展目標和專業規劃。同時，大學生開始有了較強的自學能力和求知欲望，故而希望專業教師能指導其知識體系發展。作為選修課而言，學生的來源較為廣泛[5]。從選課意愿來說，部分學生對自己的學習方向和學習興趣較為明確，因而選課意愿較為主動，學習動力較強。另一部分學生缺乏對專業的了解，選課時多是隨波逐流，或是迫于畢業學分要求而被動選課，因而學習動力不強。就學習基礎而言，部分學生學習態度端正，學科基礎知識牢靠；另一部分學生則缺乏學習目標，基礎知識較為薄弱。整體而言，學生整體學習意愿和學習基礎存在一定的差異性。另一方面，機電系統動力學建模與仿真課程涉及多學科內容，對于機電專業學生而言需要補充的知識較多，學習難度較大，不可避免地會產生一定程度的“畏難”情緒。

為此，授課過程中可增加形象有趣的應用案例，體現本課程的重要性，調動學生學習興趣，激發學習內驅力，進而降低“畏難”情緒。一方面，系統論述所在學科發展歷史，詳細講解對應理論研究方向，剖析研究難點和熱點，探討本學科的重要性，逐步激發學生學習熱情。另一方面，將時事工程熱點話題與學科方向結合。如最近登陸火星的祝融號火星車（圖1所示），其本身就是一個復雜的機電系統，由此分析其動力學問題，突顯機電系統動力學的重要工程應用價值。同時，將學科研究與生活相結合。如助老助殘機器人，其本質也是一個機電系統，通過其動力學分析體現學科研究給生活帶來的便利性。總之，通過多層次應用案例講解，明確本課程的價值，調動學生學習積極性，激發其學習興趣，由此加強學生學習內驅力，從被動學習轉換到主動學習，進而充分發揮學習主觀能動性。

圖1 祝融號火星車

二、啟發式教學案例

機電系統動力學建模與仿真涉及的基礎理論知識較為晦澀抽象，如果重點放在數學層面的公式推導上，課程將變得十分枯燥，學生也很難理解機電系統動力學理論背后的真正原理。不少大學生思維固化，缺乏舉一反三的能力，其中一個重要的原因就是過分重視知識的學習而忽視了對理論背后基本原理的理解，故而缺乏創新能力。客觀來講，大學階段學習科目多，充分了解知識原理才能達到良好的學習目的。也只有通過知識原理的掌握，才能達到觸類旁通的效果，進而保障學習行為的持久性。

為保證學生充分了解課程背后的知識原理，本課程擬借鑒相關教學實踐中的成功案例，設計不同層次的啟發式教學案例。例如，在講解動力學建模方法時，設計了如圖2所示曲柄滑塊機構動力學算例。分別建立基于拉格朗日方程和牛頓-歐拉法的動力學方程，并通過MATLAB數值仿真和ADAMS虛擬樣機仿真分析對算例進行分析。計算結果表明，兩種方法得到的結果是一致的，通過深層次的推導發現兩種方法本質原理是一致的，由此使學生明白兩者原理的等價性，進而對動力學分析的原理有更加充分的認識。

圖2 曲柄滑塊機構

在學生學習階段，教師是學生最直接的指導者，教師可以試圖將自己的研究課題融入課堂。如本課題組參研了風洞多體動力學搭載機構研究，由此引導學生進行基礎動力學建模。事實上，看似高大上的動力學模型實質也是搭建在最為基礎的動力學原理上的，進一步突顯基礎原理的重要性。通過上述啟發式案例，讓學生深刻了解系統動力學背后的工程原理，引導學生對基礎原理進行深層次的探索。

三、項目驅動實踐

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。課程教學多停留于紙面，缺少實踐動手機會，不利于知識的融會貫通和創新能力的培養。實踐平臺可以為學生提供“做中學”的機會，培養學生的創新能力。但由于經費、師資等限制，課程實踐缺乏有效指導，創新效率低，項目內容可持續性較差，而基于項目驅動的課程實踐則可解決該問題。

基于項目驅動的課程實踐能力培養，重點是解決“做什么”的問題。一方面，構建基于項目驅動的實踐教學體系，將實踐能力培養分為構思、設計、實現、運作等環節，使學生的實踐能力呈雙螺旋式發展。基于項目驅動的實踐教學體系，使學生在內驅式的全生命周期項目實踐中提升自主學習能力、項目管理能力以及創新實踐能力。另一方面，提倡基于項目驅動的實踐教學內容與教學方式。以機電產品創新設計展開課程實踐，通過連續的子項目訓練，最終完成綜合性項目實踐。教學方式上可以依靠課外導師，學生結合興趣和導師研究方向，開展有價值的項目實踐。再者，綜合國際國內在機電一體化方面的各級比賽，打造機電工程專業競賽體系。通過參加各種積極、具有明確主題的機電學科競賽，激發學生的創新思維，提升實踐能力和解決復雜工程問題的能力。

四、結束語

本文針對機電系統動力學建模與仿真課程教學實踐遇到的一些問題進行了深入的探討，具體研究工作如下：1.增加了形象的應用案例，體現本課程的重要性，調動學生學習興趣，激發學習內驅力，進而降低“畏難”情緒。2.設計了不同層次的啟發式教學案例，增加了課程的趣味性，使學生明白課程知識背后的原理性。3.基于項目驅動實踐，促進知識的融會貫通和創新能力的培養。本課題研究為機電系統動力學建模與仿真課程教學質量的提升提供了理論支撐，也可為機械電子工程專業其他課程的教學改革提供借鑒。