机电系统仿真教学改革及教学模式的探讨

宋晓娟 吕书锋 何晓东 唐术锋 张文志

[摘 要] 机电系统仿真是机械电子工程一门重要的专业课，文章就开设课程存在的问题进行了详细的剖析，同时给出了教改方案，希望能够为机电系统仿真课程的教学改革提供一些思路。

[关键词] 机电系统仿真;MATLAB;教学改革

[基金项目] 内蒙古教育厅项目，“新工科”背景下机械电子工程专业应用型人才培养模式研究（NGJGH2018070）;内蒙古工业大学教改项目，机电类专业综合设计II创新实践模式研究（2018201）

[作者简介] 宋晓娟（1983—），女，内蒙古人，研究生，教师，副教授，研究方向为机电一体化;吕书锋（1983—），男，内蒙古人，研究生，教师，副教授（通信作者），研究方向为机械振动。

[中图分类号] G640    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0158-02    [收稿日期] 2019-11-29

一、机电系统仿真课程简介

机电系统仿真是机械电子工程专业一门比较有特色的专业选修课，课程主要研究和解决与机电系统相关的仿真问题，讲述其在机电仿真背景下该工具的操作方法与编程思路，并针对数学模型已知的具体机电系统，进行动态仿真。国内外很多高校本科生、研究生都开设了这门专业课[1-3]。

MATLAB软件因强大的数值计算能力，出色的数据图像可视化技术及日益丰富的SIMULINK动态仿真模型库，为控制工程提供了极好的仿真平台[4]，使得学生能够更加准确、生动地理解和运用课程的综合知识解决实际机电系统的问题。本课程是在我校本科生第五个学期开课，与机械工程控制基础这门课搭配开设。

二、教学中存在的问题

机电系统仿真这门课程开设初期，课程为机制、机电专业全体学生开设，由于学生人数过多，一个教学班级容量最少也达到七八十人，最多达到一百二十余人，学校不能提供全部教学班级学生同时上机教学的教学条件，教学过程中，遇到了如下问题：

（一）开课时间与前续专业课时间安排过于重合

由于本科生进入三年级之后，需深入学习专业阶段相关知识，专业课安排较紧密，该课程与《机械工程控制基础》开课时间基本重合，许多与控制工程相关的概念学生还没有学到，使得有限的授课时间过多的用于对工程基础概念的讲解，导致对于如何解决工程仿真的实际问题讲解时间过少。

（二）教学形式单一

教学中主要以教师讲解为主，辅以课后练习及实验，对于这类偏于软件教学的课程，仅仅使用PPT讲解，学生在学习过程中提不起兴趣。由于在机电系统仿真课程中，涉及的内容广泛，实践性较高，应多结合面向工程实际的机电系统仿真知识。学生仅仅在课堂上学习如何使用MATLAB软件操作方法，亲自动手解决编程的机会太少，在遇到实际问题仍然难以入手，而且出现部分学生在课程结束之后完全不会使用软件解决问题的情况。

（三）考核方法简单

以往的系统仿真课程主要通过考试和实验成绩来考核，笔试成绩占70%，实验与平时成绩占30%，评分标准过于固化，这种考核方式不能够检验学生对于软件的实际操作能力，不能够真实反映学生发现问题、解决问题的综合能力。

三、教学改革方案

随着国家大力推动新工科建设，及专业认证工作的深入进行，本科生教学课程的改革也越来越紧迫。对于机电系统仿真这门专业课，讲述其在机电仿真背景下该工具的操作方法与编程思路，并针对数学模型已知的具体机电系统，进行动态仿真。针对新一轮的教学任务，在编写教学大纲过程中，将课程设置为机制专业本科生的专业任选课，机电专业本科生的专业必选课，分层次教学，缓解机房等公共设备紧张的问题。针对机电专业本科生，在教学工作中进行如下改革：

（一）运用现代化设施开展教学

将课程开课周数放置在机械工程控制基础课程之后，集中安排上机，从如下两个方面进行改进，首先，实行小班授课，全部在机房完成教学任务，调整课时量，由原来24学时增加至32学时，边讲解边练习，让学生在充分理解仿真原理的基础上熟练掌握机电系统仿真工具。其次，现在学生大部分都有个人PC机，帮助学生安装仿真软件，开展以学生自主练习为主线的教学过程，增强学生的动手能力和解决实际问题的能力。

（二）教学实践改革

现有的教材中仿真实例大多针对以建立好数学模型的控制系统进行仿真，对学生而言较为抽象，不易理解。通过教学模式的调整，增强学生的积极性。前期通过实际操作练习，学习软件的基本功能及控制工程的基本概念;之后，通过设计面向实际工程应用问题大作业，如利用倒立摆、一维直线运动平台、单自由度弹簧质量二阶系统模型等实验平台，分析二阶控制系统的动态特性、零极点对二阶系统动态特性的影响，分析控制系统的频率特性，以及针对系统设计控制器。学生通过2—3人小组自由合作方式完成作业;每一小组根据自己的仿真结果调试实验平台，同时进行课堂讲解、分析，尽量让每一个学生都参与其中，全班学生参与互相评比打分。这样不但能培养学生综合解决问题的能力，还能增加学生学习的积极性。

（三）采用综合性考核评价方法

在考核上采用综合性的评价方式，其中平时练习、课堂练习、大作业各占一定比例。与以往单纯考试相比，上机实验、大作业等反映学生综合能力等环节所占比例更大，能更为客观地反映学生掌握知识的程度。

四、教改效果

通过对16级机械电子工程专业本科生的教学大纲进行持续性改进，2018年机电专业本科生全部实施机房授课，课时量由原来24讲授课程改为34学时的上机课程，课程内容及考核方式进行相应调整。（1）通过对比2014级与2015级、2016级学生的结课考试成绩（如图所示），可以看出通过对课程的逐年调整，学生能够较好地完成该课程的要求，完成专业认证达成度的要求;（2）在毕业设计方面，2015级本科毕业设计能够较好地运用MATLAB软件进行控制仿真、优化设计等方面的计算分析。

五、结论

通过对机电系统仿真授课过程中问题进行详细剖析，相应的提出了三条解决方案，课程改革近两年的时间学生学习效率大幅度提高，不但对前续课程机械控制工程有了更加深入的理解，对MATLAB软件使用能力显著提高，同时为后续课程如课程设计、毕业设计提供了方便。

参考文献

[1]马文斌.《机电系统仿真》教学改革與实践[J].常熟理工学院学报（教育科学），2011（6）：113-117.

[2]章玮.《Matlab与机电系统仿真》双语课程教学模式的探讨[A]//第六届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集[C].2015.

[3]刘欣，方艳.机电系统仿真课程与专业课程结合的教学探讨[J].教育教学论坛，2013（46）：207-208.

[4]宋志安，朱绪力，谷青松，等.MATLAB/Simulink与机电控制系统仿真[M].第2版.国防工业出版社，2011.