商琴琴　牛藺楷　蘭媛　劉輝

摘 要：機(jī)械電子工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能在生產(chǎn)一線從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。相比較于形象具體的機(jī)械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識(shí)更加抽象，知識(shí)體系更加繁雜，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排有限，并且目前機(jī)電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機(jī)械和電子融合元素，使學(xué)生難以形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)思維。因此，有必要提出新的課堂教學(xué)方法和手段，變抽象理論為具體實(shí)踐，增強(qiáng)機(jī)電融合元素，以利于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生更好地掌握電子理論知識(shí)，形成機(jī)電系統(tǒng)性分析思維。

關(guān)鍵詞：模塊化仿真 機(jī)械電子工程 課程教學(xué)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不論是機(jī)械裝備還是機(jī)器人、數(shù)控技術(shù)等都離不開機(jī)電一體化技術(shù)。機(jī)電一體化不僅僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械專業(yè)和電子技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)也是很多邊緣學(xué)科互相探索借鑒和互相滲透的復(fù)合型專業(yè)。隨著機(jī)電一體化不斷優(yōu)化教學(xué)和實(shí)踐模式，機(jī)械電子工程專業(yè)的產(chǎn)生無(wú)疑將二者緊密結(jié)合的同時(shí)更具有了前所未有的復(fù)合性和挑戰(zhàn)性。

機(jī)械電子工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能在生產(chǎn)一線從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。電子類課程（包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)）是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)必修課，在培養(yǎng)具備機(jī)電一體化復(fù)合型創(chuàng)新人才的課程方案中具有重要地位。然而，在目前教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)存在該專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)課程與實(shí)踐相脫離，難以正確理解和應(yīng)用所學(xué)模電知識(shí)，從而無(wú)法形成機(jī)電系統(tǒng)性分析思維等現(xiàn)實(shí)問題。

本文依據(jù)項(xiàng)目“模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子工程專業(yè)電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用”計(jì)劃采用模塊化系統(tǒng)仿真技術(shù)，通過增強(qiáng)機(jī)電融合元素優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和編寫計(jì)算機(jī)機(jī)電系統(tǒng)輔助分析軟件，將僅涉及每節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的仿真和驗(yàn)證工具進(jìn)行模塊化打包并隨堂應(yīng)用，以使學(xué)生及時(shí)驗(yàn)證和掌握課堂講授的電子理論知識(shí)，并進(jìn)一步提高機(jī)電一體化系統(tǒng)思維的能力。

1 當(dāng)前機(jī)械電子專業(yè)中模擬電子課程的現(xiàn)實(shí)問題

根據(jù)教學(xué)過程及考核結(jié)果反饋，相比較于形象、具體的機(jī)械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識(shí)更加抽象，知識(shí)體系更加繁雜，對(duì)學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)造成較大的學(xué)習(xí)壓力，學(xué)習(xí)過程枯燥乏味，學(xué)習(xí)熱情大幅下降；進(jìn)而，相比較于自動(dòng)化和電氣等專業(yè)的電子類課程，機(jī)械電子工程專業(yè)更側(cè)重于實(shí)踐應(yīng)用。然而實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排有限，學(xué)生難以在有限的時(shí)間內(nèi)全面驗(yàn)證和接受課堂講授的理論知識(shí)；最后，目前機(jī)電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機(jī)械和電子融合元素，使學(xué)生難以形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)思維?；谏鲜鲈?，有必要提出新的課堂教學(xué)方法和手段，變抽象理論為具體實(shí)踐，增強(qiáng)機(jī)電融合元素，以利于機(jī)電類學(xué)生更好地掌握電子理論知識(shí)，形成機(jī)電系統(tǒng)性分析思維。

2 構(gòu)建模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)的思路

近年來，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic design automation， EDA）技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中，同時(shí)也在電子類課程的課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用，是變抽象為具體，幫助學(xué)生理解電子知識(shí)，增強(qiáng)實(shí)踐能力的重要輔助手段。目前有多種商業(yè)化的EDA軟件在教學(xué)方面得到應(yīng)用，例如PSpice、Multisim、OrCAD等。但是，這些軟件操作較為復(fù)雜，有時(shí)需要一定的理論和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，對(duì)初學(xué)電子課程的機(jī)電專業(yè)本科生來說有一定難度，并且軟件培訓(xùn)也需要占用一定的學(xué)時(shí)。因此，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，商業(yè)EDA軟件僅適用于教師演示操作。同時(shí)，商業(yè)化的EDA軟件難以考慮機(jī)械元素，較難做到機(jī)械和電子的同步融合。因此，有必要開發(fā)和利用一種輕量化和模塊化的機(jī)電系統(tǒng)仿真軟件，使學(xué)生在課堂上即可通過自主簡(jiǎn)單操作隨堂驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)，將理論實(shí)踐化，并加深對(duì)機(jī)電系統(tǒng)融合概念的理解。

本文依據(jù)項(xiàng)目，通過設(shè)計(jì)開發(fā)模塊化機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證軟件，將其作為一種新的教學(xué)工具和手段優(yōu)化教學(xué)過程，使機(jī)電專業(yè)本科生在課堂環(huán)節(jié)就能將理論實(shí)踐化。因此，本項(xiàng)目開展“模塊化機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證軟件開發(fā)研究”和“模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用研究”兩個(gè)方面的研究。兩個(gè)研究?jī)?nèi)容的邏輯關(guān)系如圖1所示。

2.1 模塊化機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證軟件開發(fā)研究

為減輕學(xué)生軟件負(fù)擔(dān)，便于交流傳播，簡(jiǎn)化操作流程，提高和主流教學(xué)多媒體軟件的高效融合，本項(xiàng)目基于Excel軟件平臺(tái)，通過VBA二次開發(fā)，構(gòu)建和編寫模塊化機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證軟件。首先，根據(jù)每節(jié)課主要教學(xué)內(nèi)容，基于VBA語(yǔ)言進(jìn)行GUI窗口設(shè)計(jì)，在窗口中置入所需的各種電子元件和機(jī)械元件；其次，編寫軟件后臺(tái)代碼，通過聯(lián)立求解電路元件和機(jī)械元件的非線性方程組得到電路各節(jié)點(diǎn)/支路的電流/電壓，以及機(jī)械部分和電路部分的相互作用關(guān)系，并通過圖形界面進(jìn)行結(jié)果顯示。為了更好地幫助學(xué)生理解電路的工作過程，在電路仿真中增添試錯(cuò)模式，在對(duì)錯(cuò)誤的修改過程中理解所講授的知識(shí)內(nèi)容。

2.2 模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用研究

在軟件程序設(shè)計(jì)完成以后，課前將軟件打包發(fā)送給學(xué)生進(jìn)行模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)。為此，對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在教學(xué)設(shè)計(jì)中增加機(jī)電融合元素和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，研究仿真實(shí)驗(yàn)和課堂知識(shí)講授、討論以及思考等教學(xué)環(huán)節(jié)的有效銜接和融合，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求；其次，研究基于問卷、投票、作業(yè)、拓展訓(xùn)練等線上、線下反饋環(huán)節(jié)的后期評(píng)價(jià)體系，在學(xué)生反饋的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件和教學(xué)過程的優(yōu)化迭代。

3 模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子工程專業(yè)電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用

在軟件開發(fā)方面，項(xiàng)目組成員企業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)，利用LabView進(jìn)行了系統(tǒng)的GUI前端和軟件后臺(tái)算法程序編寫；同時(shí)，項(xiàng)目組成員皆具備電路數(shù)值建模和分析的能力。在教學(xué)應(yīng)用方面，通過機(jī)械電子工程專業(yè)本科生《電路原理》、《模擬電子技術(shù)》或《數(shù)字電子技術(shù)》的教學(xué)任務(wù)，及山西省一流本科課程《機(jī)械測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》的前期準(zhǔn)備工作，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員在本科生教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐方面具有一定能力和經(jīng)驗(yàn)，將所開發(fā)軟件成功應(yīng)用于本科教學(xué)。

本項(xiàng)目主要在機(jī)械電子工程專業(yè)大二和大三本科生的《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》的教學(xué)中開展。如圖2所示為所開發(fā)軟件的數(shù)字電子技術(shù)課程部分的軟件界面。該軟件利用EXCEL軟件中的VBA代碼中“用戶窗體”功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，將數(shù)字電子技術(shù)課程中相關(guān)章節(jié)放入該用戶窗體的“章節(jié)”下拉菜單中，同時(shí)在每個(gè)章節(jié)下設(shè)置子單元“項(xiàng)目”，將每一章中所需要的模塊放入。

軟件在編碼器一節(jié)中的教學(xué)應(yīng)用實(shí)例如圖3所示。課堂講解優(yōu)先編碼器（8線-3線優(yōu)先編碼器）時(shí)，該部分教學(xué)重點(diǎn)是如何利用已有編碼器模塊芯片（如74HC148）的擴(kuò)展端口進(jìn)行多個(gè)編碼器的級(jí)聯(lián)擴(kuò)展。在一般的課堂教學(xué)中，僅有原理的講解環(huán)節(jié)，而缺乏相應(yīng)的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，因此難以掌握學(xué)生的掌握程度。為了檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的掌握程度，教師可利用如圖3所示的本項(xiàng)目提出的教學(xué)軟件。該界面具有批量輸入和隨機(jī)輸入的功能。批量輸入時(shí)，教師可以自由鍵入16個(gè)輸入；隨機(jī)輸入時(shí)，由系統(tǒng)自行隨機(jī)鍵入16個(gè)輸入。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可顯示出在當(dāng)前輸入情況下對(duì)應(yīng)的輸出。例如，利用隨機(jī)輸入功能，隨機(jī)輸入0、1數(shù)字到16個(gè)輸入端口，讓同學(xué)們說出所對(duì)應(yīng)的輸出，再利用該界面進(jìn)行驗(yàn)證，也可以通過批量輸入和隨機(jī)輸入來簡(jiǎn)化輸入過程。同時(shí)，也可以配合單個(gè)74HC148芯片的輸入輸出功能，進(jìn)一步加深對(duì)16線-4線優(yōu)先編碼器和“芯片串行拓展”功能的理解。

項(xiàng)目成果初期可為機(jī)電專業(yè)本科生理解和掌握模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的理論知識(shí)和提高實(shí)踐應(yīng)用能力提供新的教學(xué)工具和教學(xué)方法，長(zhǎng)期可進(jìn)一步向其他相關(guān)專業(yè)和課程進(jìn)行推廣，使更多的學(xué)生受益。

4 模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子工程專業(yè)電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用意義

綜上所述，參照本項(xiàng)目的實(shí)施及目前發(fā)展?fàn)顟B(tài)和所獲成果，筆者認(rèn)為模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子工程專業(yè)電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用具有以下意義：

首先，實(shí)現(xiàn)模塊化機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證軟件的開發(fā)，為機(jī)電專業(yè)本科生學(xué)習(xí)和掌握電子理論提供一種新的工具和手段；其次，實(shí)現(xiàn)模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中的合理、高效利用，為機(jī)電專業(yè)本科生深刻理解課堂所講授電子知識(shí)、深刻理解機(jī)電融合概念，以及建設(shè)一流本科專業(yè)提供新的教學(xué)方法。

機(jī)械電子工程專業(yè)鑒于其專業(yè)本身的綜合性和負(fù)責(zé)向，在培養(yǎng)過程中必須保證可以鍛造出能在生產(chǎn)一線從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級(jí)專門人才。相比較于形象具體的機(jī)械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術(shù)）理論知識(shí)更加抽象，知識(shí)體系更加繁雜，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排有限，并且目前機(jī)電專業(yè)本科生電子類課程尚缺乏機(jī)械和電子融合元素，使學(xué)生難以形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)思維。本教改項(xiàng)目不僅開發(fā)了一種新的輕量化和模塊化的機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)仿真驗(yàn)證程序，同時(shí)為提高機(jī)械電子工程專業(yè)本科生深入理解電子類課程的基礎(chǔ)理論，提高機(jī)電融合思維和實(shí)踐能力提供了一種新的教學(xué)工具和手段。此項(xiàng)目?jī)H僅是探索之后專業(yè)內(nèi)容的一個(gè)參考，在今后的教學(xué)研究過程中，一線教師有必要始終在實(shí)踐中探索和發(fā)現(xiàn)，提出新的課堂教學(xué)方法和手段，變抽象理論為具體實(shí)踐，增強(qiáng)機(jī)電融合元素，以利于機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生更好地掌握電子理論知識(shí)，形成機(jī)電系統(tǒng)性分析思維。通過教學(xué)改革創(chuàng)新，不斷推進(jìn)機(jī)電專業(yè)學(xué)科建設(shè)和高質(zhì)量人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)應(yīng)有之力。

2022年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：J20220153 模塊化隨堂仿真實(shí)驗(yàn)在機(jī)械電子工程專業(yè)電子類課程教學(xué)中的應(yīng)用。

2022年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：J20220136 機(jī)器人工程專業(yè)卓越工程師產(chǎn)教聯(lián)合培養(yǎng)探究與實(shí)踐。

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