基于虛擬仿真的機械電子工程專業實驗教學改革與探究

吳晨曦，蔣 嶸，鐘 超

（湖南工程學院，湖南 湘潭 411101）

湖南工程學院機械電子工程專業成立于2006年，是湖南省雙一流建設專業?，F有微機接口、機電控制、測試技術等專業實驗室，承擔“微機原理及接口技術”“機床電氣及PLC控制”“機械控制工程”“機電傳動與控制”“工程測試技術”“工業機器人”“機電一體化系統設計”等專業核心課程的實驗實訓教學任務。機電類課程實驗教學是深化學生專業理論認知、培養實踐技能、激發創新思維的必要環節，在培養智能制造、機器人工程等機電特色的高水平應用型人才的過程中發揮重要作用。

一、實驗教學存在的問題

目前，機械電子工程專業實驗教學仍以傳統教學方式為主，嚴重依賴實體設備，存在實驗設備固化封閉、實驗內容一成不變、實驗過程可觀測性不強、實驗計劃囿于時空局限等不足，突出表現為以下幾方面問題。

（一）實驗設備緊缺，制約了向以學為中心的教學方式轉變

實驗設備臺套數不夠，需多人分組實驗，實驗時間受限，動手實踐機會少，難以滿足以學為中心的教學需要。隨著機械電子工程專業人才需求旺盛而擴大招生規模，以及其他機械類專業向智能制造方向轉型升級的需要，導致這一窘況更加凸顯。

（二）實驗設備封閉固化，難以自主開發設計創新性實驗

由于實驗設備結構封閉、功能單一，實驗內容固化，以驗證性實驗居多，大多數學生只會機械地按規定步驟操作，卻不知其所以然，因而覺得實驗過程枯燥乏味、深奧難懂、無親歷感，更沒有興趣去自主設計創新性實驗，如“工程測試技術”課程實驗就是典型。

（三）各課程實驗教學相互割裂，缺乏集中統一的應用場景

目前，各門課程的實驗教學還處于分散割裂的狀態，有待整合成綜合的實驗教學體系。例如，可綜合運用“數字化技術”“機電傳動與控制”“工程測試技術”“機床電氣及PLC控制”等課程知識創建各種數字孿生對象，作為“機電一體化系統設計”實驗實訓的仿真平臺。

（四）數理建模抽象，計算控制復雜，無可視化技術支持

機械電子工程專業課程教學涉及數理建模、檢測采集、分析處理、計算控制等多學科知識，抽象難懂。面對這一難題，可視化技術是全新有效的解決辦法。然而，實驗室目前還不具備這樣的條件，如“機械控制工程”“工業機器人”等課程的對象建模、學科創新競賽建模等，都缺乏對模型的可視化設計優化與調試驗證[1-3]。

此外，在面對新冠疫情及其他突發情況時，實驗室尚不具備通過線上、遠程交互方式開展全部實驗項目的能力；一些大型復雜實驗設備，如“機床電氣及PLC 控制”實驗用到的銑床，學生需在教師監督下操作，導致實驗時空大受限制，目前暫無學生可自由使用的替代仿真平臺；實驗設備更新周期長，教學內容滯后于學科專業的發展，與社會需求脫節，等等。

為彌補這些不足，虛擬仿真實驗應運而生。它最早起源于工科類院?；A課程教學，是信息技術與學科專業深度融合的產物。虛擬仿真實驗技術著眼于專業與實踐教學體系的重塑和學生的綜合創新訓練，運用虛擬仿真技術、多媒體和網絡通信等技術，通過精選案例、精確模擬真實的實驗環境和實驗對象，開發理論學習、虛擬仿真、實操3 者相結合的實驗實訓教學平臺。學生在虛擬平臺上開展實驗，能達到或超越真實實驗的效果。同時，在開放交互的虛擬環境中自主協同設計，有利于調動學生的學習積極性、拓展實踐領域、豐富教學內容，提高工程實踐能力、綜合設計與創新能力。虛擬仿真教學已成為改革傳統教學、提升人才培養質量、引領現代教育的重要手段[4-5]。

湖南工程學院機械電子工程專業實驗教學改革以機電專業課程為對象，以學生專業素質、實踐能力和創新精神培養為目標，利用虛擬仿真、多媒體和網絡通信技術，開展突出工程實踐、強化綜合應用、拓展機電特色的數字驅動與融合的虛擬仿真實驗教學，構建工程化、綜合性、創新性的機電實驗教學新體系。

二、實驗教學改革內容

（一）構建層次化、模塊化的虛擬仿真實驗教學體系

按照“虛實結合，互為補充”的原則，構建多層次模塊化的虛擬仿真實驗教學平臺，把虛擬仿真實驗教學內容整合為3 個層次。

1.以專業基礎實訓技能為主的基礎層。該層虛擬仿真實驗教學主要包括“微機原理及接口技術”“機電傳動與控制”“工程測試技術”等機電控制基礎課程實驗和開發工具的使用等?；A層平臺直觀展現專業基礎課程的基本原理與應用，學生能夠加深理論認知、掌握實驗技能、提升學習能力。

2.以專業課程實驗技能為主的拓展層。該層虛擬仿真實驗教學主要包括“機械控制工程”“工業機器人”“機電一體化系統設計”與“機床電氣及PLC 控制”等機電控制專業課程實驗和開發工具的使用等。利用拓展層平臺完成專業課程實驗與工程實訓，培養學生的工程實踐能力和團隊協作精神。

3.以綜合創新實踐為主的創新層。該層虛擬仿真實驗教學主要包括專業課程設計和畢業設計等綜合性環節、學生自主設計的研究創新實驗、專業學科競賽等。利用創新層平臺培養學生的綜合設計和創新創造能力。

基礎層、拓展層、創新層共同構成層次分明、循序漸近、各有側重、相互滲透、相互促進的虛擬仿真實驗教學體系（圖1），使之成為具有擴展性、兼容性、前瞻性、開放性的共享和管理平臺。

（二）堅持以學為中心，改革教學內容和教學方法

1.確立以應用創新為主的教改方案。以培養專業素質、工程應用能力和綜合創新能力為主線，精選實驗項目，重塑實驗內容，以設計性、綜合性、創新性實驗為主，并將家國情懷、工匠精神、科技強國等思政元素融入其中。

2.開設與實際需求結合的實驗項目。追蹤前沿先進技術，如數字孿生、元宇宙等，及時用于專業教學；以企業及社會需求為導向設計實驗項目，重視將各類科研項目和大學生創新創業項目轉化為教學案例，推動“教學—虛擬—科研—實踐”的相互轉化、相互融合、相互促進。

3.采用學生自主探究式的實驗模式。從問題、案例出發，充分發揮虛擬仿真實驗時間自主、空間自由、實現方便、安全高效的優勢，由學生自行設計實驗方案，協同探究學習，直至完成全部實驗工作，落實以學為中心的教學理念。

4.推動混合式教學方法的組織實施。開發涵蓋教學重點難點的虛擬仿真項目，促進理論教學與實驗教學相互滲透融合。在理論教學中借助虛擬仿真實驗，通過實操演示，使教學內容直觀形象、生動易懂。將理論教學引入實驗室，線上線下交叉教學，虛實結合，形成“理論授課—虛擬實驗—實驗室教學”相融合的教學新模式，提高教學實效。

（三）開發各具專業特色的虛擬仿真實驗項目

機械電子工程專業實驗教學要按照“卓越工程師培養計劃”與“工程教育認證”等要求，強化工程及綜合素質的培養，貫徹學生中心、產出導向及持續改進的理念。由于機械設計制造及其自動化、材料成型及控制等專業也開設了機械電子工程專業的相關課程，因此，要針對不同專業的特點，開發各具特色的實驗項目，實現人才培養多樣化。

（四）建立穩定高效的虛擬仿真實驗平臺運行管理機制

虛擬仿真實驗平臺支持在線開放虛擬仿真教學資源、遠程實驗教學、在線演示，具有良好的交互特性、教學互動與答疑等特點，能開展實驗數據采集分析、實驗過程指導、實驗報告在線收集、在線作業及測驗、在線成績評定、成果展示、信息發布等教學環節。

上述教改內容中，工程化、綜合性、創新性的機電專業虛擬仿真實驗項目的設計開發是關鍵。

三、總體實施方案

（一）廣泛調研，收集資料，制定教改方案

通過跟蹤已畢業學生、走訪用人單位、問卷調查畢業班學生等方式，征求校內外學生、企業對課程與實驗設置的意見和建議，發現人才培養及實踐教學方面存在的問題。廣泛查閱資料，借鑒成功經驗，為教改研究積攢第一手材料。在廣泛調研、收集資料的基礎上，結合教改團隊成員在教學實踐中正反兩方面的經驗教訓，制定實驗教改方案。

（二）實驗教學內容的優化整合

面向智能制造、工業機器人等行業領域，將工程化的典型案例引入實驗中，積極推進項目、實例、案例實驗教學；分析機械電子工程專業實驗教學的內在聯系，理順前后關系，注重專業知識的交叉融合；更新實驗教學內容，將新技術、新知識、新成果引入課堂，確保實驗教學內容的先進性、工程化，做到理論與工程實際相結合。

（三）開發虛擬仿真實驗教學項目

根據虛擬仿真實驗教學平臺的3 個層次，首先，開發基礎層的虛擬仿真實驗，包括“微機原理及接口技術”關于微機的結構原理、基本輸入輸出、外部中斷、定時中斷等虛擬仿真實驗，“機電傳動與控制”關于交流電機、直流電機、控制電機結構原理與控制等虛擬仿真實驗，“工程測試技術”關于信號分析、傳感器原理與應用、信號調理等虛擬仿真實驗，以直觀形象、可視化的方式展現基礎課程的原理與應用。

其次，開發拓展層的虛擬仿真實驗，包括“機械控制工程”關于系統的時域分析、頻域特性分析等虛擬仿真實驗，“工業機器人”關于機器人運動控制設計的虛擬仿真實驗，“機電一體化系統設計”關于智能產線設計的虛擬仿真實驗，“機床電氣及PLC 控制”關于PLC 綜合控制系統設計的虛擬仿真實驗，為專業課程實驗與工程實訓服務。

最后，開發創新層的虛擬仿真實驗，為專業課程設計和畢業設計等綜合性環節、創新創業、學科競賽等服務。

（四）虛擬仿真實驗教學平臺在線開放與運行管理

以“專業基礎實訓虛擬仿真平臺”為對象，開發虛擬仿真實驗教學項目，通過網絡在線開放，共享實驗資源，建立開放式網絡化虛擬仿真實驗教學模式。取得成功經驗后逐步推廣到其他兩類虛擬仿真平臺的設計、開發與應用中去。

四、教學改革成果

機械電子工程專業課程門數多，實驗實踐環節多，課程的應用性、實踐性、綜合性強，各學科之間的交叉融合、相互關聯多。學生通過機電虛擬仿真實驗實踐教學，系統地掌握機電綜合應用知識，并提升動手實踐能力。每年有超30 個班級的上千名學生因此受益。

（一）預期成果

構建突出工程實踐、強化綜合應用、展現機電特色的教學改革架構。優化重整機械電子工程專業課程體系，并以此作為實驗實踐教學改革的基本依據。探索工程化、綜合性、創新性的機械電子工程專業實驗實踐教學模式。開發與工程實際結合緊密、綜合應用性強的機電虛擬仿真實驗平臺，依托該平臺指導學生積極參加各種創新創業與學科競賽，為機械電子工程專業人才培養創造良好的實踐條件。建立開放式網絡化實踐教學模式，確定線上線下相結合的虛擬仿真實驗教學途徑與方法，實現教學資源共享。要及時總結教改成果，發表教改論文，再繼續用于指導教改實踐，推動教改工作不斷深入進行。

（二）已取得的階段性成果

針對“微機原理及接口技術”“機床電氣及PLC 控制”“機械控制工程”“機電傳動與控制”“工程測試技術”“工業機器人”“機電一體化系統設計”等機械電子工程專業核心課程，經過不斷探索積累，已遴選擬定教改內容，在教學案例、實驗內容、課程設計等環節，全面開展虛擬仿真設計、調試、驗證的研究與實踐，著力推進課程虛擬仿真項目開發建設，落地生根。目前，湖南工程學院已建立并逐步完善“微機原理及接口技術”“機床電氣及PLC 控制”2 門課程的虛擬仿真教學體系，在課堂教學、實驗實訓、畢業設計中已廣泛實施，積累了豐富經驗，取得了良好成效，并在持續穩步推進中。其他課程也正在按計劃有序展開，通過評估教改效果，及時發現問題，改進方案，總結經驗，鞏固成果。下面介紹2 個具有代表性的虛擬仿真實驗的開發與應用。

1.急救車與交通燈控制虛擬仿真實驗

通過開發急救車與交通燈控制仿真實驗，解決單片機的存儲結構、工作過程無法直觀展示等問題，這一直是學習“微機原理及接口技術”帶有全局性的重點和難點問題。

借助keil 與仿真開發板，清楚地看到用戶程序編譯后在程序存儲空間以機器碼存貯及分配的地址、占用的字節數，每條指令執行后引起數據存儲器數值改變，更好理解指令的具體含義，以及通過對I/O 口的讀寫操作，實時接收外部信號和驅動外部負載（圖2）。以可驗證、能應用的方式將CPU 如何執行指令、操作存儲器和接口外設生動具體地展示出來，使單片機抽象的內部結構、工作原理具體形象化，硬件動作和程序執行協同一體化。

圖2 急救車與交通燈控制虛擬仿真實驗

利用proteus 搭建靈活多變的硬件仿真平臺，能加深學生對外設接口的直觀理解，在加載應用程序后，可調試驗證系統的有效性。通過這樣的仿真實訓，調動學生的學習積極性，學以致用解決一些實際問題，最終真正喜歡上這門課。

2.基于MCD 的虛擬碼垛機設計實驗

為順應制造業數字化轉型需要，在數字空間進行產線設備的虛擬設計、驗證與優化，實現低成本、更高效的智能制造。

以碼垛機設計為例，提出一種基于NX MCD 的虛擬碼垛機設計與仿真調試方法。首先，建立碼垛機的3D 模型，運用NX MCD 技術“物理化”模型，然后，通過TIA 博圖軟件設計S7-1500PLC 控制程序和HMI 監控界面，以PLCSIM Advanced 軟件建立MCD 模型和虛擬PLC 的通信鏈接，最后，對碼垛機和PLC 進行聯合仿真調試，通過PLC 仿真器控制MCD 模型，對機械動作、控制程序等進行虛擬調試，確認控制程序的邏輯是否合理（圖3）。此實驗驗證了虛擬碼垛機設計方案的可行性和有效性，摸索出可行的數字孿生方法，為機電產線設計、驗證與優化提供了新思路，對于推動產學研變革創新有重要意義。

圖3 基于MCD 的虛擬碼垛機設計實驗

經過不斷探索與實踐，逐步建立起以案例演示、實操練習為基礎的虛擬仿真教學體系，得到了學生、督導、同行、企業專家等各方的好評，認為以可視化方式展示抽象的原理、過程、結果，思路清晰、直觀明了、簡潔易懂、精準可信，活躍了課堂氣氛，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果，有利于培養學生的創新意識，有利于增強其動手實踐和工程應用能力，推動教學質量水平上新臺階。

五、結束語

湖南工程學院機械電子工程專業實驗教學改革，以機電虛擬仿真實驗體系的開發應用為重點，做到虛實結合、數字孿生、相互補充。通過多層次、多功能、開放性、網絡化的仿真教學平臺，拓展實驗教學的深度與廣度，激發學生的學習興趣與創新思維，增強學生的機電工程應用能力，促進教研教改進一步深入，提高教學質量與專業建設水平，既滿足社會需求，又有利于學生發展，實現課程教學與人才培養目標相統一，對于培養高水平工程應用型人才具有重要意義。