虚拟仿真教学在机械工程控制基础课程中的应用研究

张小雪，李 磊，苏合新

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引言

在当下，高校尤其重视学生实际动手能力的锻炼，而想要达到这一目的，实践活动开展十分必要。机械工程控制基础课程作为重要的专业基础课程，为帮助学生更好地理解课程内容，实验教学和理论教学同样重要，高校教学改革导致各课程的学时有所减少，理论教学尚不足，实验教学就更难坚固度。基于此，为让学生在学习完机械工程控制基础课程后，能够灵活地处理实际情况下的工程问题，需要以新颖的教学手段来简单化实验、理论。而虚拟仿真技术正能达到这一目的。

1 机械工程控制基础课程教学现状

机械工程控制基础课程的教学目的是使学生可以熟练掌握该课程知识的理论和方法，同时锻炼学生系统分析稳定和参数变更优化系统性能的能力。由于该基础课程面向的教学对象为机械工程类专业的学生，其之前已经学习了《高等数学》《电工电子学》《机械原理》等相关理论和专业基础课，所以学生的逻辑思维能力较强，有助于该课程的教学开展。但是，机械工程控制基础课程在以往的教学中，其理论课和实践课是分离的，学生在理论课中没有吃透的知识，在实验课中也无法深入理解，由此导致学生知识掌握不牢固。另外，机械工程控制课程在开展时离不开数学公式的支持，且计算起来比较难，内容理论较复杂，所以对学生的理论基础要求也高。对此，只有针对以往课程教学存在的问题，灵活使用教学资源，依托虚拟仿真技术来来吸引学生注意，使学生更好地掌握和运用机械工程控制相关知识。

2 虚拟仿真教学在机械工程控制基础课程中的应用优势

2.1 多目标层次

学生的基础知识能力不同，在学习机械工程控制理论知识的时候会面对不同的困难，所以导致成绩不一，因而在虚拟仿真教学开展实验时，需要满足不同层次学生需求。只有教学能满足不同层次学生需要的时候，该教学方法才能获得学生的认同，并且吸引力倍增。此外，课堂上，对于不同学生的内容理解和掌握差异，教师可应用虚拟仿真多层次平台，来带动学生主动积极性，从而灵活理解理论知识。

2.2 灵活易操作

虚拟仿真教学拥有的优势之一灵活性，体现为：教学开展实验时，学生可自由变化系统结构参数，然后分析系统性能受各结构参数的影响差异。对比得到结构参数实验结果后，学生便可更深入的了解问题，从而总结出导致问题的原因。并且，因为虚拟仿真教学依托的实验平台是一个软件包，所以学生只需要复制该软件包，就能在课下随时开展仿真实验学习了。课下学生的自主学习，能进一步巩固学生机械工程控制基础课程知识的掌握，避免下次上课时已将上次所学内容遗忘。

2.3 多样实验结果

在应用虚拟仿真教学手段来开展机械工程控制基础实验的时候，实验平台针对学生会给出两种实验结果，有图形式的，也有数据式的。通常而言，计算机将实验的结果绘制呈现出，能保证其准确性，同时学生看起来更直观。另外，在发现实验参数不一时，学生也可借同一张图比较结果曲线，以方便分析。

2.4 简单易上手

机械工程控制基础这门课要应用虚拟仿真教学来引导学生投入到知识学习中去，离不开虚拟实验平台的支持。上课前，学生对虚拟实验平台是没有概念的，也从来没有操作过，因此，虚拟平台必须要简单易上手，才能让学生能很快理解并学会操作平台的用户界面来开展实验，最终得到相应的实验结果。

3 虚拟仿真教学实验平台的架构

3.1 设计

机械工程控制基础课程在应用虚拟仿真技术的时候，要搭建仿真实验平台，可以通过MATLAB技术来实现。在MATLAB的GUI环境中创建的任何用户界面都能被其他UI界面调用，被调用的UI界面就如同其他编程中的函数。平台以变成分块编程方式把课程的各个实验分成多个模块，然后设置一个个UI界面，保证其独立性，主要由一个UI界面来进行其他模块UI的调用。流程为：进入平台主界面——点击某一模块——输入系统模型或选择典型系统输入参数——得到时间响应曲线、系统参数、系统频率特性的奈氏图和伯德图以及改变系统参数时曲线的变化情况——选择是否改变系统参数值（是）——总结系统性能——实验结束。

3.2 实现

采用MATLAB仿真技术来设计虚拟平台的时候，用户和计算机进行交互的途径主要是通过MATLAB GUI提供的控件来完成。同时，整个虚拟平台的功能实现主要应用了PUSH BUTTON、RADIO BUTTON、CHECK BOX等多种控件的事件和方法。借助MATLAB/ Simulink仿真技术，可以为学生营造生动的实验环境，让学生在操作界面时，能直观了解课程相关知识，并锻炼具体应用能力。

（1）基础实验

基础实验下有三个实验分支系统，分别是典型环节认识、时域分析法与频域分析法。

首先，典型环节认识这一部分，其主要是介绍该门课程的典型环节，然后还涵盖了典型环节定义、传递函数等，加上对应的例子分析，能帮助学生直观了解和掌握相关知识。

其次，建立了控制系统数学模型以后，要分析控制系统性能。时域分析法常常被用来分析系统性能，是不可忽视的一种方法。时域分析能输入给控制系统信号，然后对系统输出信号随时间变化的曲线进行观察，以此探析系统的稳定性和稳态性能。在时域分析界面上，能自由进行任意系统的时域响应和解析，同时也能进行同一系统变结构参数的时域分析，给予学生以直观感受。

再次，频域分析其实就是站在频域角度，对系统性能进行分析，然后校正实际系统性能的方法，该方法的使用频率较高。频域分析能依靠输入特定信号到系统中的方法，来检测出系统频率响应特性，以此使分析者能更深入的认识和了解系统与元件，然后开展高效分析。该模块主要是提供给学生用来进行线形定常系统频率特性的研究。

（2）综合实验

通常来说，控制系统的固有部分是无法完全满足用户提出的性能要求的，所以，对做好原系统校正工作十分重要。综合试验是时域和频域的结合，能分析已有的控制系统，然后选择合适的校正装置来契合系统控制需求。

4 虚拟仿真教学在机械工程控制基础课程中的应用策略

4.1 虚拟仿真沉浸式教学，促进知识吃透掌握

机械工程控制基础课程除了要让学生掌握相关理论外，还需要让学生能够将知识应用于实际。当代学生是在信息技术环境下成长起来的，单纯采取传统的教学方法无法充分吸引学生的注意力，所以必须应用虚拟仿真这一新时代信息技术来开展教学。教师运用虚拟仿真手段，能让学生体会到沉浸式的教学感受。教师在教学中参考机电系统设计过程，结合机械、液压等案例和虚拟仿真平台，依托机械控制系统理论、数学描述等来组织教学。同时，还可引用实例化机械工程控制基础课程综合实验平台，形成电气、液压等实验平台课程案例，将理论知识点和物理期间链接起来，用典型环节来模拟电路、液压回路组建。如此，学生能逐渐掌握实验设备的使用，并可用仿真平台来分析参数对系统瞬态性能与稳定性的影响。学生可主要依靠模块化机器人等实验来对系统串联校正方法和控制系统性能指标进行验证，再依靠MATLAB的机械工程控制基础课程仿真实验平台来进行时域与频域的分析，来完成教学案例从建模到分析再到校正的过程。在这一过程中，学生能沉浸在虚拟仿真操作中，而教师强调控制系统的基本理论和实际机、电、液、气控制系统间的关联，能帮助学生建立起控制系统性能评价整体观，从而更深入的了解机械工程控制基础理论知识和工程具体应用间的紧密关系，促进知识吃透掌握。

4.2 合理设计工程案例，与时俱进激发兴趣

机械工程控制基础课程是一门需要将案例和仿真实验相结合开展教学的课程。通过虚拟仿真技术来营造实际工程氛围，来激发学生学习兴趣，还需合理设计和选择工程案例。当下，科学技术飞速发展，为了让学生能主动参与到学习中，教师需要与时俱进，保证课程内容和时代发展接轨，除了追求工程案例的新颖实际外，还需从以下三点入手来选择与设计案例。

首先，参考教学目标，合理选择案例。根据培养机械类专业人才的目标与特色，教师可着重从合作的企业中来选择案例，让学生能提前习惯知识的实际应用，并带动学习积极性。后期，教师还可以组织学生前往企业开展实训，从而促进学生对知识的吃透。当然，由于实际问题通常复杂性较高，所以教师需要适当根据基础知识来简化案例。

其次，保证案例的兼容性。机械工程控制基础课程各章节知识点有一定独立性，为让学生在学习完对机械工程控制有整体的认知，案例选择时，应当优先选择能涵盖课程重难点的综合型案例，让学生确实了解机械系统、电气系统、机械转动等内容，培养学生应用知识解决实际问题的能力。

最后，保证案例的可扩展性。一方面机械工程控制基础在机械工程类专业人才培养中起着重要作用，所以案例优先的选择，需要保证其也能在后续教学中应用。这样，学生在后期能更进一步巩固知识，让学习保持连贯。另一方面，教师借助虚拟平台来引导学生思考案例问题，还可将案例扩展到课外，让学生从已学知识出发来探索更广阔的创新空间，形成“学习+实践+创新”为一体的教学模式。

4.3 项目驱动虚拟仿真，引导学生自主学习

在机械工程控制基础课程教学中，教师要留给学生一定的思考空间，也就是，教师虚拟仿真手段的应用，需要落实“以生为本，学生主导”的教学理念，将以往教师灌输讲授变为学生自主探索知识。而为了发挥学生的主动性，可利用项目驱动开展虚拟仿真教学，以激发创新思维和学习动力。例如，教师可以典型项目工作任务和工作过程为主线，让学生通过小组合作的形式来进行学习，每个小组借助虚拟仿真实验平台，来完成教师布置的项目任务，教师则只适当对学生进行点拨，期间，学生要完全按照资讯、计划、决策、实施等一系列流程来完成任务。项目任务开展这不仅要培养学生知识、技能和工作态度，更是要培养学生的职业思维、行动知识和情感。项目任务完成后，评价可以从工作方法、虚拟仿真平台使用情况和学生收获等方面着手进行，将自评、互评和师评相结合。如此， 既能让学生在实际操作中锻炼虚拟仿真平台应用能力，又能帮助学生吃透知识，锻炼学生自主学习能力，一举多得。

4.4 依托虚拟仿真模型库，开展创新实验

除了虚拟仿真实验平台之外，教师还可以引导学生借助虚拟仿真动态模型库来完成机械工程控制基础课程学习。学生在上课之前，可利用互联网平台，结合课程视频、虚拟仿真模型库和实际工程案例来进行自学预习、讨论交流。在上完课之后，学生们又可依托MATLAB/ Simulink虚拟仿真平台和模型库，来以团队形式完成教师布置的创新实验任务，在设计方案、文献查询、数据采集、数据分析、实验操作的过程中，学生能逐步培养实践操作能力、思维创新能力与团队合作能力。

5 结语

总的来说，虚拟仿真教学应用于机械工程控制基础教学中是对传统教学模式的革新，跟契合当下学生的学习需求。通过搭建虚拟仿真实验平台，然后采取虚拟仿真沉浸式教学，促进知识吃透掌握；合理设计工程案例，与时俱进激发兴趣；项目驱动虚拟仿真，引导学生自主学习；依托虚拟仿真模型库，开展创新实验等策略，优化学生创新能力和实际问题解决能力培养，提高教学质量。