机电系统仿真课程与专业课程结合的教学探讨

摘要：机电系统仿真课程是机电专业学生的一门专业方向课。针对实际教学过程中内容广泛、课时相对少、理论教学枯燥和上机实践环节相对薄弱等问题，提出将课程分为三个主要环节，从三方面有机结合专业课程的建议。

关键词：机电系统；仿真课程；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）46-0207-02

仿真是基于计算机、利用合适的算法通过模型（物理的或数学的）以代替实际系统进行实验和研究的一门学科和实验技术，仿真技术已经广泛应用于工程领域。机电系统仿真课程是应用计算机模型模拟机电系统，为评估和改进机电系统的性能提供理论依据。该课程是我校机电专业大三学生的一门专业方向课，也是本科生必须掌握的基础知识和基本技能。机电系统仿真课程是建立在系统科学、控制理论和计算机技术等诸多学科基础上的一门综合性很强的课程，必然与前期很多专业课程有着诸多联系。如果单从课程教材内容本身去讲解，很难吸引学生的注意力。作者在教学实践过程中尝试在讲解主要知识点后，引用一些与前期专业课程相关的分析，并在此基础上进一步深化内容，提出具有拓展思维的问题留给学生课下去完成，根据完成情况计入学生的平时成绩，这样不仅能够使得学生在短时间内掌握本课程的知识点，还激发了学生的学习兴趣，同时，也拓展了学生的学习思维方法，培养了学生综合应用专业知识解决实际问题的能力。机电系统仿真课程知识点较多，而课时相对又较少，因此，在教学过程中，我们采取在课堂上只讲基本的理论和方法，而对基本理论的深入理解，采取和专业课程相结合的方法来帮助学生理解透彻。该课程的知识体系：理论教学（机电系统概述、仿真原理和内容）；仿真工具的介绍；机电系统模型以及仿真的实现。

一、理论教学的结合

本课程是使学生通过学习获得机电系统仿真方面必要的基本理论和基本技能，该环节主要包括两个方面，一个是对于机电系统的理解，另一个是对仿真过程的掌握。作者尝试在上课讲解中引入和前期专业课程相联系的举例，让知识点更加具体易于理解，取得了较好的效果。例如，学生根据理论教学过程中对机电系统的特点的讲解，可以应用五块论解释某一具体的机电系统，如全自动洗衣机、避障机器人、数控机床、水箱液位控制系统、温度检测系统、工控机等，学生能自主地把其前修的专业课程与本课程有机结合，上述实例涉及到机械控制工程基础、微机原理、机电传动控制、机器人技术基础等课程。对仿真过程的理论教学是由专业基础课学过的系统数学模型入手，在课堂上详细讲解一些较简单的机电系统仿真实例，使学生逐步明确并不断加深对建模仿真整个流程的理解：从分析系统结构、导出系统的数学模型，再根据数学模型使用仿真工具得到仿真模型，形成相应的仿真程序，最后选择仿真算法运行程序，分析结果得出对实际系统设计有意义的结论。其中，数学模型的导出是在大学物理、电工电子技术和控制工程等课程的基础上，引入现代控制理论，对所学内容进一步深化，学生也很容易接受。

二、仿真工具的结合

由于MATLAB是一个专业的应用型软件，需要一定的基础才能熟练操作，因此，在讲授过程中给予一定的学时进行软件使用方面的介绍。这部分教学内容安排：矩阵运算、符号运算，编程基础，绘图基础等，在有限地讲授学时内介绍仿真工具使用的基础知识和关键规则，然后利用上机实践过程使学生能够较快地熟悉软件使用。一般而言，我们采用多媒体教室授课，一边讲授一边演示程序，讲授完一部分知识后，学生上机练习，验证一下课堂所学。教学实践过程中发现学生上机验证的主动性不强，所以在每次上机时，安排具体的题目要求学生完成，此类题目包括矩阵乘法、变量赋值、化简、求解代数方程组和微分方程、分段函数图像、电动机特性曲线绘制等，都是与所学高等数学、线性代数、机电传动控制等课程相关的具体题目。在上机过程中大多数学生能够主动地完成基本的上机题目，甚至有些学生能更为深入地与教师探讨，改进实验的程序和完成难度更高的题目，从而使得学生掌握仿真工具的核心思想与编程技巧，有效地提升了学生的创新性思维和解决问题的实践能力。

三、课程作业的结合

一种好的考核方法对于学习一门课程至关重要，要努力做到既考知识又考能力，该课程除了笔试基础知识之外，教师还要布置课程作业，并对此进行成绩评定，最终计入总评成绩。这种方法能够有效地考察到学生运用所学知识解决问题的能力。课程作业需要学生首先选取某机电系统作为仿真对象，按照仿真步骤和规范的书写格式形成文档并上交，要求学生根据所学机电专业知识，去图书馆或网络上查阅资料，写出一篇针对选取机电系统进行仿真的研究性文章，这样既能拓宽学生的知识面，又可以培养学生科学研究的意识，同时让学生的写作能力得到锻炼。由于学生之间存在能力方面的差异，为了提高作业的质量，采取组队完成的形式，在这种方法的实施过程中发现部分学生有依赖心理，只是参队，却没有参与作业的完成。为此降低作业难度，要求每人交一份课程作业。课程作业要求正文至少包括的内容：引言、系统描述、模型建立、系统分析、仿真实验/结果分析和结论等。在此要求下，学生能够主动与教师探讨学术论文的书写和所选仿真对象分析的合理性，教师针对不同的方案和不同的问题进行一些关键性地指导，一起确定仿真题目。从学生上交的作业上可以看出学生通过学校图书馆和电子数据库的自主选题，初步掌握了对某一机电系统模型的建立、仿真及结果分析这一过程，进行了一次较系统的机电系统建模仿真训练，同时，发现学生的课程作业选题范围不再局限于课堂内容，而是更贴合于机电专业，实现了我们把该课程有机结合专业课程的预期。以上是作者在本课程几年教学实践过程中，针对课程理论教学、仿真工具教学和上机实践、考核方式等提出的观点，目的是提高学生综合应用所学专业课程学习一门仿真课程的主动性，并且重点考核学生解决实际问题的能力，以及科技论文撰写的科研素养。通过教学实践证明，机电系统仿真课程与专业课程的有机结合，不仅提高了教学质量和效率，还提高了学生学习该课程的主动性，加强了学生结合所学专业分析和解决问题的能力，为学生从事后续的毕业设计，以及毕业后学习深造或步入工作岗位运用仿真知识和技能打下坚实的基础。

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基金项目：天津工业大学2010年校级教育教学改革立项项目（2010-2-10）

作者简介：刘欣（1981-），女，河北定州，博士，讲师，主要从事机电传动控制系统的教学与研究。方艳（1980-），女，硕士，讲师，河北唐山，主要从事工程制图和激光方面的教学和研究。