“理虛實(shí)”一體化教學(xué)模式在“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程中的應(yīng)用

呂俊燕，楊瑞青，鄭明輝

（1.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設(shè)計(jì)工程技術(shù)研發(fā)中心，山東 德州 253034）

1 研究背景

“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”是機(jī)械類本科專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間起到一個(gè)承上啟下的作用，對(duì)學(xué)生今后的工程能力的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。本課程理論性較強(qiáng)，和高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)知識(shí)聯(lián)系緊密，內(nèi)容比較抽象，公式推導(dǎo)比較多，學(xué)生學(xué)習(xí)比較吃力[1]。而且本課程與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系較為密切，包含的工程信息較多，在信息快速發(fā)展的今天，教師很難做到對(duì)知識(shí)點(diǎn)全面、系統(tǒng)地講授。目前的教學(xué)方法仍然側(cè)重于理論講授及公式推導(dǎo)，課程內(nèi)容陳舊，方法老套，很難與現(xiàn)如今社會(huì)工程實(shí)踐中的先進(jìn)控制理論的發(fā)展相結(jié)合。

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)尚且不足，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就更難兼顧[2]。以往的實(shí)驗(yàn)全部都是通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真進(jìn)行，對(duì)于一些信號(hào)都是通過(guò)函數(shù)仿真的，同學(xué)們對(duì)其并無(wú)一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，無(wú)法做到深入理解。而且利用MATLAB軟件仿真需要編寫程序，學(xué)生的編程基礎(chǔ)普遍較差，很難理解程序的含義，只能依葫蘆畫瓢，長(zhǎng)此以往，容易失去學(xué)習(xí)的興趣。

“理虛實(shí)”一體化教學(xué)模式是在“理實(shí)一體化”教學(xué)模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采用“虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體”的教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程中，將理論教學(xué)和實(shí)踐操作結(jié)合在一起，將虛擬仿真與實(shí)踐操作結(jié)合在一起，虛擬資源與現(xiàn)實(shí)資源進(jìn)行結(jié)合[3]。課程授課過(guò)程中實(shí)施真實(shí)操作和虛擬訓(xùn)練兩部分，有助于提高教學(xué)資源的靈活性。將“理虛實(shí)”一體化教學(xué)模式應(yīng)用于“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)過(guò)程中，在虛擬仿真部分學(xué)生借助MATLAB對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，在實(shí)踐操作部分，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建數(shù)學(xué)模型，輸入典型信號(hào)，利用示波器觀察輸出波形，與MATLAB的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

對(duì)于應(yīng)用型本科院校來(lái)說(shuō)，單純的掌握理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，達(dá)不到人才培養(yǎng)的目標(biāo)，必須將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐中[4]。“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程包含8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，在以往的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅限于利用MATLAB進(jìn)行仿真分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由教師給出實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢W(xué)生自行編制或者教師提供相關(guān)的MATLAB語(yǔ)言程序，之后進(jìn)行調(diào)試，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析性能指標(biāo)，從而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性是否滿足工程實(shí)際的要求。如果不能滿足，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，直至性能滿足要求為止。此過(guò)程不止能夠節(jié)約分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的時(shí)間，而且通過(guò)仿真對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少對(duì)實(shí)際工程設(shè)備的損耗。學(xué)生通過(guò)利用MATLAB軟件仿真，解決實(shí)際工程問(wèn)題，能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)好本門課程的信心，激發(fā)學(xué)生對(duì)MATLAB軟件的學(xué)習(xí)興趣和掌握的欲望，但是對(duì)其中解題的原理和控制理論仍然難以理解，學(xué)生只能知其然，不能知其所以然，自然不利于教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

因此，在理論教學(xué)和虛擬仿真結(jié)合的基礎(chǔ)上，加入實(shí)踐操作，將單純的MATLAB程序編寫的虛擬仿真驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)發(fā)展成為和實(shí)訓(xùn)操作相結(jié)合的設(shè)計(jì)性、綜合性以及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，從能掌握的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成“跳一跳才能夠得著”的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，既能保證同學(xué)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念的理解，又能將控制理論與工程實(shí)際相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制理論分析、解決問(wèn)題的能力，有效地將機(jī)械和電控相結(jié)合，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的高階性。

3 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

“理虛實(shí)”一體化教學(xué)方法將理論教學(xué)、虛擬仿真和實(shí)踐操作相結(jié)合，通過(guò)MATLAB仿真軟件熟悉控制理論分析的方法，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行操作練習(xí)，幫助學(xué)生掌握控制理論分析實(shí)際問(wèn)題的原理。針對(duì)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程，設(shè)計(jì)其“理虛實(shí)”教學(xué)過(guò)程如圖1所示，利用虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)操作對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行理解，并將虛擬仿真和實(shí)體操作進(jìn)行對(duì)比，得出控制系統(tǒng)的最終結(jié)論。

圖1 “理虛實(shí)一體化”教學(xué)過(guò)程

分別將本門課程8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了如表1所示的4個(gè)實(shí)驗(yàn)，將單純的MATLAB虛擬仿真，和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)踐操作相結(jié)合，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，加深對(duì)控制理論的理解。

表1 MATLAB虛擬仿真和實(shí)體操作結(jié)果對(duì)比

3.1 理論教學(xué)

以控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析為例，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，首先要解決為什么要學(xué)時(shí)間響應(yīng)的問(wèn)題？時(shí)間響應(yīng)指標(biāo)能夠分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，所以，對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，時(shí)間響應(yīng)是非常重要的內(nèi)容[5]。對(duì)于單位階躍、單位脈沖的輸入信號(hào)，在不同的系統(tǒng)下，響應(yīng)曲線也不相同，對(duì)于典型信號(hào)的認(rèn)識(shí)，先通過(guò)圖示法讓同學(xué)們有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，對(duì)于不同的系統(tǒng)而言，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)的不同，所以導(dǎo)致相同的信號(hào)輸入下，其響應(yīng)曲線也不相同。所以，可以通過(guò)上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間等性能指標(biāo)來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。

以調(diào)整時(shí)間為例，調(diào)整時(shí)間是指響應(yīng)曲線第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值并且始終和穩(wěn)態(tài)值之間的誤差保持在允許范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。對(duì)于一個(gè)傳遞函數(shù)為的二階系統(tǒng)而言，其調(diào)整時(shí)間既與阻尼比ξ有關(guān)，又和無(wú)阻尼固有頻率ωn有關(guān)。為了方便學(xué)生理解，以一個(gè)例子說(shuō)明，在上課過(guò)程中，有個(gè)別同學(xué)在玩手機(jī)游戲，如果教師敲桌子來(lái)提醒玩手機(jī)的學(xué)生，那么敲桌子的動(dòng)作我們可以看做是一個(gè)單位階躍信號(hào)，學(xué)生能夠收起手機(jī)回復(fù)到課堂狀態(tài)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)，時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明時(shí)間常數(shù)越長(zhǎng)，調(diào)整時(shí)間越長(zhǎng)，反之，則越短。既能加深學(xué)生對(duì)調(diào)整時(shí)間的理解，又能提高學(xué)生的自我管理意識(shí)，起到立德樹人的課程政治思想效果。

3.2 虛擬仿真

時(shí)間響應(yīng)分析是“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程中的一個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)校基本都是通過(guò)仿真完成的。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)其輸入典型信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行觀察，分析系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。為了幫助學(xué)生更好的理解時(shí)間響應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，在虛擬仿真環(huán)節(jié)，借助MATLAB仿真軟件，對(duì)單位脈沖和單位階躍信號(hào)對(duì)傳遞函數(shù)為G（s）=

圖2 單位脈沖響應(yīng)

圖3 單位階躍響應(yīng)

3.3 實(shí)踐操作

通過(guò)MATLAB虛擬仿真，可以幫助學(xué)生對(duì)時(shí)間相應(yīng)分析有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)。但是，對(duì)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立方法還是不太了解。由于L-R-C電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和M-C-K機(jī)械系統(tǒng)為相似系統(tǒng)，所以對(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，可以建立與之對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析。例如：利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建二階系統(tǒng)的電路模型，典型的二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖和模擬電路圖如圖4、圖5所示。

圖4 二階系統(tǒng)方框圖

圖5 二階系統(tǒng)的模擬電路

其閉環(huán)傳遞函數(shù)：

其中，

當(dāng)調(diào)節(jié)RX可調(diào)電位器時(shí)，會(huì)使ξ取值不同，用虛擬示波器觀測(cè)并記錄不同ξ值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線，驗(yàn)證當(dāng)ξ取值不同時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)的影響。如圖6所示。

圖6 不同值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線

3.4 虛實(shí)對(duì)比

通過(guò)將虛擬仿真得到的圖形和搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)虛擬示波器得到的圖形進(jìn)行對(duì)比均可發(fā)現(xiàn)，ξ取值不同時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線不同，當(dāng)0＜ξ＜1時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，ξ取值越小，振蕩曲線的超調(diào)量越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差，反之，超調(diào)量越小，穩(wěn)定性越好；當(dāng)ξ≥1時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼或過(guò)阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線無(wú)超調(diào)，ξ取值越大，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定值所需時(shí)間越長(zhǎng)，快速性越差。

通過(guò)將理論知識(shí)的講解、虛擬仿真和實(shí)踐操作進(jìn)行結(jié)合，能夠幫助學(xué)生對(duì)本門課程的邏輯性有一個(gè)清晰的認(rèn)知。通過(guò)虛擬仿真與實(shí)踐操作結(jié)合，既能幫助學(xué)生理解數(shù)學(xué)模型的建立，又能幫助學(xué)生掌握對(duì)任意系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)進(jìn)行分析的方法。不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生不僅知其然，而且知其所以然。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，“理虛實(shí)”一體化的教學(xué)模式應(yīng)用于機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的一次革新。通過(guò)將理論知識(shí)講解、虛擬仿真和實(shí)踐操作結(jié)合在一起，學(xué)生們能夠?qū)Φ湫洼斎胄盘?hào)有一個(gè)清晰的認(rèn)知，熟練掌握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于控制系統(tǒng)性能的影響，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生提高創(chuàng)新和實(shí)際動(dòng)手能力，對(duì)以后的工程實(shí)踐奠定了理論基礎(chǔ)，達(dá)到應(yīng)用型本科人才的育人目標(biāo)。又通過(guò)課程政治思想元素的引入，增強(qiáng)學(xué)生的自我管理意識(shí)，為學(xué)生養(yǎng)成良好的職業(yè)道德奠定了基礎(chǔ)，達(dá)到立德樹人的育人目標(biāo)。

“理虛實(shí)”一體化教學(xué)突破了理論和實(shí)踐分離的分段式教學(xué)模式，可以整合理論講解、虛擬模擬操作以及實(shí)際動(dòng)手操作訓(xùn)練，真正實(shí)現(xiàn)了做中學(xué)的教學(xué)理念，創(chuàng)新教學(xué)方法，改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生技能操作能力。為以后學(xué)生學(xué)習(xí)“自動(dòng)控制原理”和“信號(hào)處理”等相關(guān)課程奠定了理論基礎(chǔ)。