模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用

商琴琴　牛蔺楷　兰媛　刘辉

摘 要：机械电子工程专业旨在培养能在生产一线从事机电产品设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型高级专门人才。相比较于形象具体的机械类课程，电子类课程（特别是模拟电子技术）理论知识更加抽象，知识体系更加繁杂，实验学时安排有限，并且目前机电专业本科生电子类课程尚缺乏机械和电子融合元素，使学生难以形成机电一体化的系统思维。因此，有必要提出新的课堂教学方法和手段，变抽象理论为具体实践，增强机电融合元素，以利于机电类专业的学生更好地掌握电子理论知识，形成机电系统性分析思维。

关键词：模块化仿真 机械电子工程 课程教学

随着现代科学技术的飞速发展，不论是机械装备还是机器人、数控技术等都离不开机电一体化技术。机电一体化不仅仅是简单的机械专业和电子技术相结合，同时也是很多边缘学科互相探索借鉴和互相渗透的复合型专业。随着机电一体化不断优化教学和实践模式，机械电子工程专业的产生无疑将二者紧密结合的同时更具有了前所未有的复合性和挑战性。

机械电子工程专业旨在培养能在生产一线从事机电产品设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型高级专门人才。电子类课程（包括模拟电子技术和数字电子技术）是机械电子工程专业的专业必修课，在培养具备机电一体化复合型创新人才的课程方案中具有重要地位。然而，在目前教学过程中，发现存在该专业学生基础课程与实践相脱离，难以正确理解和应用所学模电知识，从而无法形成机电系统性分析思维等现实问题。

本文依据项目“模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用”计划采用模块化系统仿真技术，通过增强机电融合元素优化教学设计和编写计算机机电系统辅助分析软件，将仅涉及每节课教学内容的仿真和验证工具进行模块化打包并随堂应用，以使学生及时验证和掌握课堂讲授的电子理论知识，并进一步提高机电一体化系统思维的能力。

1 当前机械电子专业中模拟电子课程的现实问题

根据教学过程及考核结果反馈，相比较于形象、具体的机械类课程，电子类课程（特别是模拟电子技术）理论知识更加抽象，知识体系更加繁杂，对学生理解和掌握相关知识点造成较大的学习压力，学习过程枯燥乏味，学习热情大幅下降；进而，相比较于自动化和电气等专业的电子类课程，机械电子工程专业更侧重于实践应用。然而实验学时安排有限，学生难以在有限的时间内全面验证和接受课堂讲授的理论知识；最后，目前机电专业本科生电子类课程尚缺乏机械和电子融合元素，使学生难以形成机电一体化的系统思维。基于上述原因，有必要提出新的课堂教学方法和手段，变抽象理论为具体实践，增强机电融合元素，以利于机电类学生更好地掌握电子理论知识，形成机电系统性分析思维。

2 构建模块化随堂仿真实验的思路

近年来，电子设计自动化（Electronic design automation， EDA）技术广泛应用于电子产品的设计和制造中，同时也在电子类课程的课堂和实验教学中得到应用，是变抽象为具体，帮助学生理解电子知识，增强实践能力的重要辅助手段。目前有多种商业化的EDA软件在教学方面得到应用，例如PSpice、Multisim、OrCAD等。但是，这些软件操作较为复杂，有时需要一定的理论和经验知识，对初学电子课程的机电专业本科生来说有一定难度，并且软件培训也需要占用一定的学时。因此，在课堂教学环节，商业EDA软件仅适用于教师演示操作。同时，商业化的EDA软件难以考虑机械元素，较难做到机械和电子的同步融合。因此，有必要开发和利用一种轻量化和模块化的机电系统仿真软件，使学生在课堂上即可通过自主简单操作随堂验证所学知识，将理论实践化，并加深对机电系统融合概念的理解。

本文依据项目，通过设计开发模块化机电系统教学仿真验证软件，将其作为一种新的教学工具和手段优化教学过程，使机电专业本科生在课堂环节就能将理论实践化。因此，本项目开展“模块化机电系统教学仿真验证软件开发研究”和“模块化随堂仿真实验的教学应用研究”两个方面的研究。两个研究内容的逻辑关系如图1所示。

2.1 模块化机电系统教学仿真验证软件开发研究

为减轻学生软件负担，便于交流传播，简化操作流程，提高和主流教学多媒体软件的高效融合，本项目基于Excel软件平台，通过VBA二次开发，构建和编写模块化机电系统教学仿真验证软件。首先，根据每节课主要教学内容，基于VBA语言进行GUI窗口设计，在窗口中置入所需的各种电子元件和机械元件；其次，编写软件后台代码，通过联立求解电路元件和机械元件的非线性方程组得到电路各节点/支路的电流/电压，以及机械部分和电路部分的相互作用关系，并通过图形界面进行结果显示。为了更好地帮助学生理解电路的工作过程，在电路仿真中增添试错模式，在对错误的修改过程中理解所讲授的知识内容。

2.2 模块化随堂仿真实验的教学应用研究

在软件程序设计完成以后，课前将软件打包发送给学生进行模块化随堂仿真实验。为此，对教学设计进行优化，在教学设计中增加机电融合元素和仿真实验验证环节，研究仿真实验和课堂知识讲授、讨论以及思考等教学环节的有效衔接和融合，以达到教学目标要求；其次，研究基于问卷、投票、作业、拓展训练等线上、线下反馈环节的后期评价体系，在学生反馈的基础上进行软件和教学过程的优化迭代。

3 模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用

在软件开发方面，项目组成员企业进行监测和故障诊断系统的开发，利用LabView进行了系统的GUI前端和软件后台算法程序编写；同时，项目组成员皆具备电路数值建模和分析的能力。在教学应用方面，通过机械电子工程专业本科生《电路原理》、《模拟电子技术》或《数字电子技术》的教学任务，及山西省一流本科课程《机械测试技术基础》的前期准备工作，本项目团队成员在本科生教学设计和教学实践方面具有一定能力和经验，将所開发软件成功应用于本科教学。

本項目主要在机械电子工程专业大二和大三本科生的《模拟电子技术》和《数字电子技术》的教学中开展。如图2所示为所开发软件的数字电子技术课程部分的软件界面。该软件利用EXCEL软件中的VBA代码中“用户窗体”功能进行设计，将数字电子技术课程中相关章节放入该用户窗体的“章节”下拉菜单中，同时在每个章节下设置子单元“项目”，将每一章中所需要的模块放入。

软件在编码器一节中的教学应用实例如图3所示。课堂讲解优先编码器（8线-3线优先编码器）时，该部分教学重点是如何利用已有编码器模块芯片（如74HC148）的扩展端口进行多个编码器的级联扩展。在一般的课堂教学中，仅有原理的讲解环节，而缺乏相应的检验环节，因此难以掌握学生的掌握程度。为了检验学习效果，实时掌握学生的掌握程度，教师可利用如图3所示的本项目提出的教学软件。该界面具有批量输入和随机输入的功能。批量输入时，教师可以自由键入16个输入；随机输入时，由系统自行随机键入16个输入。点击运行按钮即可显示出在当前输入情况下对应的输出。例如，利用随机输入功能，随机输入0、1数字到16个输入端口，让同学们说出所对应的输出，再利用该界面进行验证，也可以通过批量输入和随机输入来简化输入过程。同时，也可以配合单个74HC148芯片的输入输出功能，进一步加深对16线-4线优先编码器和“芯片串行拓展”功能的理解。

项目成果初期可为机电专业本科生理解和掌握模拟电子技术和数字电子技术的理论知识和提高实践应用能力提供新的教学工具和教学方法，长期可进一步向其他相关专业和课程进行推广，使更多的学生受益。

4 模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用意义

综上所述，参照本项目的实施及目前发展状态和所获成果，笔者认为模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用具有以下意义：

首先，实现模块化机电系统教学仿真验证软件的开发，为机电专业本科生学习和掌握电子理论提供一种新的工具和手段；其次，实现模块化随堂仿真实验在课堂教学环节中的合理、高效利用，为机电专业本科生深刻理解课堂所讲授电子知识、深刻理解机电融合概念，以及建设一流本科专业提供新的教学方法。

机械电子工程专业鉴于其专业本身的综合性和负责向，在培养过程中必须保证可以锻造出能在生产一线从事机电产品设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型高级专门人才。相比较于形象具体的机械类课程，电子类课程（特别是模拟电子技术）理论知识更加抽象，知识体系更加繁杂，实验学时安排有限，并且目前机电专业本科生电子类课程尚缺乏机械和电子融合元素，使学生难以形成机电一体化的系统思维。本教改项目不仅开发了一种新的轻量化和模块化的机电系统教学仿真验证程序，同时为提高机械电子工程专业本科生深入理解电子类课程的基础理论，提高机电融合思维和实践能力提供了一种新的教学工具和手段。此项目仅仅是探索之后专业内容的一个参考，在今后的教学研究过程中，一线教师有必要始终在实践中探索和发现，提出新的课堂教学方法和手段，变抽象理论为具体实践，增强机电融合元素，以利于机电类专业的学生更好地掌握电子理论知识，形成机电系统性分析思维。通过教学改革创新，不断推进机电专业学科建设和高质量人才培养贡献应有之力。

2022年山西省高等学校教学改革创新项目，项目编号：J20220153 模块化随堂仿真实验在机械电子工程专业电子类课程教学中的应用。

2022年山西省高等学校教学改革创新项目，项目编号：J20220136 机器人工程专业卓越工程师产教联合培养探究与实践。

参考文献：

[1]黎霞，唐圣学.激发工程应用能力，优化电工电子课程教学[J]. 教育教学论坛，2020，（9）：208-209.

[2]杨伟，龙顺宇，邝国旺，钟鹏飞.立创EDA教育版软件在电子信息类课程实训中的应用[J]. 电子测试，2019，23：119-126.

[3]李春，蒋玲.基于新形势下数字电子技术教学改革探讨[J].科技咨询，2022，（4）：145-148.

[4]温宏愿，孙松丽，翟志俊，刘超，牛绿原.新工科和专业集群视角下机器人工程专业建设研究[J].职业技术教育，2020.

[5]张亚雷，宋裴斐，李建成，沈峥.面向卓越工程师培养的校企合作教育初探[J].科教导刊，2020.

[6]刘振天，完善高等教育评价体系 提升高等教育治理能力[J] 高等教育管理，2020.