張小雪，李 磊，蘇合新

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

在當(dāng)下，高校尤其重視學(xué)生實際動手能力的鍛煉，而想要達(dá)到這一目的，實踐活動開展十分必要。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，實驗教學(xué)和理論教學(xué)同樣重要，高校教學(xué)改革導(dǎo)致各課程的學(xué)時有所減少，理論教學(xué)尚不足，實驗教學(xué)就更難堅固度。基于此，為讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程后，能夠靈活地處理實際情況下的工程問題，需要以新穎的教學(xué)手段來簡單化實驗、理論。而虛擬仿真技術(shù)正能達(dá)到這一目的。

1 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)目的是使學(xué)生可以熟練掌握該課程知識的理論和方法，同時鍛煉學(xué)生系統(tǒng)分析穩(wěn)定和參數(shù)變更優(yōu)化系統(tǒng)性能的能力。由于該基礎(chǔ)課程面向的教學(xué)對象為機(jī)械工程類專業(yè)的學(xué)生，其之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了《高等數(shù)學(xué)》《電工電子學(xué)》《機(jī)械原理》等相關(guān)理論和專業(yè)基礎(chǔ)課，所以學(xué)生的邏輯思維能力較強(qiáng)，有助于該課程的教學(xué)開展。但是，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程在以往的教學(xué)中，其理論課和實踐課是分離的，學(xué)生在理論課中沒有吃透的知識，在實驗課中也無法深入理解，由此導(dǎo)致學(xué)生知識掌握不牢固。另外，機(jī)械工程控制課程在開展時離不開數(shù)學(xué)公式的支持，且計算起來比較難，內(nèi)容理論較復(fù)雜，所以對學(xué)生的理論基礎(chǔ)要求也高。對此，只有針對以往課程教學(xué)存在的問題，靈活使用教學(xué)資源，依托虛擬仿真技術(shù)來來吸引學(xué)生注意，使學(xué)生更好地掌握和運用機(jī)械工程控制相關(guān)知識。

2 虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 多目標(biāo)層次

學(xué)生的基礎(chǔ)知識能力不同，在學(xué)習(xí)機(jī)械工程控制理論知識的時候會面對不同的困難，所以導(dǎo)致成績不一，因而在虛擬仿真教學(xué)開展實驗時，需要滿足不同層次學(xué)生需求。只有教學(xué)能滿足不同層次學(xué)生需要的時候，該教學(xué)方法才能獲得學(xué)生的認(rèn)同，并且吸引力倍增。此外，課堂上，對于不同學(xué)生的內(nèi)容理解和掌握差異，教師可應(yīng)用虛擬仿真多層次平臺，來帶動學(xué)生主動積極性，從而靈活理解理論知識。

2.2 靈活易操作

虛擬仿真教學(xué)擁有的優(yōu)勢之一靈活性，體現(xiàn)為：教學(xué)開展實驗時，學(xué)生可自由變化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后分析系統(tǒng)性能受各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響差異。對比得到結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗結(jié)果后，學(xué)生便可更深入的了解問題，從而總結(jié)出導(dǎo)致問題的原因。并且，因為虛擬仿真教學(xué)依托的實驗平臺是一個軟件包，所以學(xué)生只需要復(fù)制該軟件包，就能在課下隨時開展仿真實驗學(xué)習(xí)了。課下學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，能進(jìn)一步鞏固學(xué)生機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程知識的掌握，避免下次上課時已將上次所學(xué)內(nèi)容遺忘。

2.3 多樣實驗結(jié)果

在應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)手段來開展機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實驗的時候，實驗平臺針對學(xué)生會給出兩種實驗結(jié)果，有圖形式的，也有數(shù)據(jù)式的。通常而言，計算機(jī)將實驗的結(jié)果繪制呈現(xiàn)出，能保證其準(zhǔn)確性，同時學(xué)生看起來更直觀。另外，在發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)不一時，學(xué)生也可借同一張圖比較結(jié)果曲線，以方便分析。

2.4 簡單易上手

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)這門課要應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)來引導(dǎo)學(xué)生投入到知識學(xué)習(xí)中去，離不開虛擬實驗平臺的支持。上課前，學(xué)生對虛擬實驗平臺是沒有概念的，也從來沒有操作過，因此，虛擬平臺必須要簡單易上手，才能讓學(xué)生能很快理解并學(xué)會操作平臺的用戶界面來開展實驗，最終得到相應(yīng)的實驗結(jié)果。

3 虛擬仿真教學(xué)實驗平臺的架構(gòu)

3.1 設(shè)計

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程在應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的時候，要搭建仿真實驗平臺，可以通過MATLAB技術(shù)來實現(xiàn)。在MATLAB的GUI環(huán)境中創(chuàng)建的任何用戶界面都能被其他UI界面調(diào)用，被調(diào)用的UI界面就如同其他編程中的函數(shù)。平臺以變成分塊編程方式把課程的各個實驗分成多個模塊，然后設(shè)置一個個UI界面，保證其獨立性，主要由一個UI界面來進(jìn)行其他模塊UI的調(diào)用。流程為：進(jìn)入平臺主界面——點擊某一模塊——輸入系統(tǒng)模型或選擇典型系統(tǒng)輸入?yún)?shù)——得到時間響應(yīng)曲線、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)頻率特性的奈氏圖和伯德圖以及改變系統(tǒng)參數(shù)時曲線的變化情況——選擇是否改變系統(tǒng)參數(shù)值（是）——總結(jié)系統(tǒng)性能——實驗結(jié)束。

3.2 實現(xiàn)

采用MATLAB仿真技術(shù)來設(shè)計虛擬平臺的時候，用戶和計算機(jī)進(jìn)行交互的途徑主要是通過MATLAB GUI提供的控件來完成。同時，整個虛擬平臺的功能實現(xiàn)主要應(yīng)用了PUSH BUTTON、RADIO BUTTON、CHECK BOX等多種控件的事件和方法。借助MATLAB/ Simulink仿真技術(shù)，可以為學(xué)生營造生動的實驗環(huán)境，讓學(xué)生在操作界面時，能直觀了解課程相關(guān)知識，并鍛煉具體應(yīng)用能力。

（1）基礎(chǔ)實驗

基礎(chǔ)實驗下有三個實驗分支系統(tǒng)，分別是典型環(huán)節(jié)認(rèn)識、時域分析法與頻域分析法。

首先，典型環(huán)節(jié)認(rèn)識這一部分，其主要是介紹該門課程的典型環(huán)節(jié)，然后還涵蓋了典型環(huán)節(jié)定義、傳遞函數(shù)等，加上對應(yīng)的例子分析，能幫助學(xué)生直觀了解和掌握相關(guān)知識。

其次，建立了控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型以后，要分析控制系統(tǒng)性能。時域分析法常常被用來分析系統(tǒng)性能，是不可忽視的一種方法。時域分析能輸入給控制系統(tǒng)信號，然后對系統(tǒng)輸出信號隨時間變化的曲線進(jìn)行觀察，以此探析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能。在時域分析界面上，能自由進(jìn)行任意系統(tǒng)的時域響應(yīng)和解析，同時也能進(jìn)行同一系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)參數(shù)的時域分析，給予學(xué)生以直觀感受。

再次，頻域分析其實就是站在頻域角度，對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，然后校正實際系統(tǒng)性能的方法，該方法的使用頻率較高。頻域分析能依靠輸入特定信號到系統(tǒng)中的方法，來檢測出系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，以此使分析者能更深入的認(rèn)識和了解系統(tǒng)與元件，然后開展高效分析。該模塊主要是提供給學(xué)生用來進(jìn)行線形定常系統(tǒng)頻率特性的研究。

（2）綜合實驗

通常來說，控制系統(tǒng)的固有部分是無法完全滿足用戶提出的性能要求的，所以，對做好原系統(tǒng)校正工作十分重要。綜合試驗是時域和頻域的結(jié)合，能分析已有的控制系統(tǒng)，然后選擇合適的校正裝置來契合系統(tǒng)控制需求。

4 虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用策略

4.1 虛擬仿真沉浸式教學(xué)，促進(jìn)知識吃透掌握

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程除了要讓學(xué)生掌握相關(guān)理論外，還需要讓學(xué)生能夠?qū)⒅R應(yīng)用于實際。當(dāng)代學(xué)生是在信息技術(shù)環(huán)境下成長起來的，單純采取傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法充分吸引學(xué)生的注意力，所以必須應(yīng)用虛擬仿真這一新時代信息技術(shù)來開展教學(xué)。教師運用虛擬仿真手段，能讓學(xué)生體會到沉浸式的教學(xué)感受。教師在教學(xué)中參考機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計過程，結(jié)合機(jī)械、液壓等案例和虛擬仿真平臺，依托機(jī)械控制系統(tǒng)理論、數(shù)學(xué)描述等來組織教學(xué)。同時，還可引用實例化機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程綜合實驗平臺，形成電氣、液壓等實驗平臺課程案例，將理論知識點和物理期間鏈接起來，用典型環(huán)節(jié)來模擬電路、液壓回路組建。如此，學(xué)生能逐漸掌握實驗設(shè)備的使用，并可用仿真平臺來分析參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)性能與穩(wěn)定性的影響。學(xué)生可主要依靠模塊化機(jī)器人等實驗來對系統(tǒng)串聯(lián)校正方法和控制系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行驗證，再依靠MATLAB的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程仿真實驗平臺來進(jìn)行時域與頻域的分析，來完成教學(xué)案例從建模到分析再到校正的過程。在這一過程中，學(xué)生能沉浸在虛擬仿真操作中，而教師強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)的基本理論和實際機(jī)、電、液、氣控制系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)，能幫助學(xué)生建立起控制系統(tǒng)性能評價整體觀，從而更深入的了解機(jī)械工程控制基礎(chǔ)理論知識和工程具體應(yīng)用間的緊密關(guān)系，促進(jìn)知識吃透掌握。

4.2 合理設(shè)計工程案例，與時俱進(jìn)激發(fā)興趣

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程是一門需要將案例和仿真實驗相結(jié)合開展教學(xué)的課程。通過虛擬仿真技術(shù)來營造實際工程氛圍，來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還需合理設(shè)計和選擇工程案例。當(dāng)下，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，為了讓學(xué)生能主動參與到學(xué)習(xí)中，教師需要與時俱進(jìn)，保證課程內(nèi)容和時代發(fā)展接軌，除了追求工程案例的新穎實際外，還需從以下三點入手來選擇與設(shè)計案例。

首先，參考教學(xué)目標(biāo)，合理選擇案例。根據(jù)培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)人才的目標(biāo)與特色，教師可著重從合作的企業(yè)中來選擇案例，讓學(xué)生能提前習(xí)慣知識的實際應(yīng)用，并帶動學(xué)習(xí)積極性。后期，教師還可以組織學(xué)生前往企業(yè)開展實訓(xùn)，從而促進(jìn)學(xué)生對知識的吃透。當(dāng)然，由于實際問題通常復(fù)雜性較高，所以教師需要適當(dāng)根據(jù)基礎(chǔ)知識來簡化案例。

其次，保證案例的兼容性。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程各章節(jié)知識點有一定獨立性，為讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完對機(jī)械工程控制有整體的認(rèn)知，案例選擇時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇能涵蓋課程重難點的綜合型案例，讓學(xué)生確實了解機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)動等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識解決實際問題的能力。

最后，保證案例的可擴(kuò)展性。一方面機(jī)械工程控制基礎(chǔ)在機(jī)械工程類專業(yè)人才培養(yǎng)中起著重要作用，所以案例優(yōu)先的選擇，需要保證其也能在后續(xù)教學(xué)中應(yīng)用。這樣，學(xué)生在后期能更進(jìn)一步鞏固知識，讓學(xué)習(xí)保持連貫。另一方面，教師借助虛擬平臺來引導(dǎo)學(xué)生思考案例問題，還可將案例擴(kuò)展到課外，讓學(xué)生從已學(xué)知識出發(fā)來探索更廣闊的創(chuàng)新空間，形成“學(xué)習(xí)+實踐+創(chuàng)新”為一體的教學(xué)模式。

4.3 項目驅(qū)動虛擬仿真，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)中，教師要留給學(xué)生一定的思考空間，也就是，教師虛擬仿真手段的應(yīng)用，需要落實“以生為本，學(xué)生主導(dǎo)”的教學(xué)理念，將以往教師灌輸講授變?yōu)閷W(xué)生自主探索知識。而為了發(fā)揮學(xué)生的主動性，可利用項目驅(qū)動開展虛擬仿真教學(xué)，以激發(fā)創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)動力。例如，教師可以典型項目工作任務(wù)和工作過程為主線，讓學(xué)生通過小組合作的形式來進(jìn)行學(xué)習(xí)，每個小組借助虛擬仿真實驗平臺，來完成教師布置的項目任務(wù)，教師則只適當(dāng)對學(xué)生進(jìn)行點撥，期間，學(xué)生要完全按照資訊、計劃、決策、實施等一系列流程來完成任務(wù)。項目任務(wù)開展這不僅要培養(yǎng)學(xué)生知識、技能和工作態(tài)度，更是要培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)思維、行動知識和情感。項目任務(wù)完成后，評價可以從工作方法、虛擬仿真平臺使用情況和學(xué)生收獲等方面著手進(jìn)行，將自評、互評和師評相結(jié)合。如此， 既能讓學(xué)生在實際操作中鍛煉虛擬仿真平臺應(yīng)用能力，又能幫助學(xué)生吃透知識，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，一舉多得。

4.4 依托虛擬仿真模型庫，開展創(chuàng)新實驗

除了虛擬仿真實驗平臺之外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生借助虛擬仿真動態(tài)模型庫來完成機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)。學(xué)生在上課之前，可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺，結(jié)合課程視頻、虛擬仿真模型庫和實際工程案例來進(jìn)行自學(xué)預(yù)習(xí)、討論交流。在上完課之后，學(xué)生們又可依托MATLAB/ Simulink虛擬仿真平臺和模型庫，來以團(tuán)隊形式完成教師布置的創(chuàng)新實驗任務(wù)，在設(shè)計方案、文獻(xiàn)查詢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實驗操作的過程中，學(xué)生能逐步培養(yǎng)實踐操作能力、思維創(chuàng)新能力與團(tuán)隊合作能力。

5 結(jié)語

總的來說，虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用于機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)中是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新，跟契合當(dāng)下學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。通過搭建虛擬仿真實驗平臺，然后采取虛擬仿真沉浸式教學(xué)，促進(jìn)知識吃透掌握；合理設(shè)計工程案例，與時俱進(jìn)激發(fā)興趣；項目驅(qū)動虛擬仿真，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；依托虛擬仿真模型庫，開展創(chuàng)新實驗等策略，優(yōu)化學(xué)生創(chuàng)新能力和實際問題解決能力培養(yǎng)，提高教學(xué)質(zhì)量。