基于虚拟仿真的机械电子工程专业实验教学改革与探究

吴晨曦，蒋 嵘，钟 超

（湖南工程学院，湖南 湘潭 411101）

湖南工程学院机械电子工程专业成立于2006年，是湖南省双一流建设专业。现有微机接口、机电控制、测试技术等专业实验室，承担“微机原理及接口技术”“机床电气及PLC控制”“机械控制工程”“机电传动与控制”“工程测试技术”“工业机器人”“机电一体化系统设计”等专业核心课程的实验实训教学任务。机电类课程实验教学是深化学生专业理论认知、培养实践技能、激发创新思维的必要环节，在培养智能制造、机器人工程等机电特色的高水平应用型人才的过程中发挥重要作用。

一、实验教学存在的问题

目前，机械电子工程专业实验教学仍以传统教学方式为主，严重依赖实体设备，存在实验设备固化封闭、实验内容一成不变、实验过程可观测性不强、实验计划囿于时空局限等不足，突出表现为以下几方面问题。

（一）实验设备紧缺，制约了向以学为中心的教学方式转变

实验设备台套数不够，需多人分组实验，实验时间受限，动手实践机会少，难以满足以学为中心的教学需要。随着机械电子工程专业人才需求旺盛而扩大招生规模，以及其他机械类专业向智能制造方向转型升级的需要，导致这一窘况更加凸显。

（二）实验设备封闭固化，难以自主开发设计创新性实验

由于实验设备结构封闭、功能单一，实验内容固化，以验证性实验居多，大多数学生只会机械地按规定步骤操作，却不知其所以然，因而觉得实验过程枯燥乏味、深奥难懂、无亲历感，更没有兴趣去自主设计创新性实验，如“工程测试技术”课程实验就是典型。

（三）各课程实验教学相互割裂，缺乏集中统一的应用场景

目前，各门课程的实验教学还处于分散割裂的状态，有待整合成综合的实验教学体系。例如，可综合运用“数字化技术”“机电传动与控制”“工程测试技术”“机床电气及PLC控制”等课程知识创建各种数字孪生对象，作为“机电一体化系统设计”实验实训的仿真平台。

（四）数理建模抽象，计算控制复杂，无可视化技术支持

机械电子工程专业课程教学涉及数理建模、检测采集、分析处理、计算控制等多学科知识，抽象难懂。面对这一难题，可视化技术是全新有效的解决办法。然而，实验室目前还不具备这样的条件，如“机械控制工程”“工业机器人”等课程的对象建模、学科创新竞赛建模等，都缺乏对模型的可视化设计优化与调试验证[1-3]。

此外，在面对新冠疫情及其他突发情况时，实验室尚不具备通过线上、远程交互方式开展全部实验项目的能力；一些大型复杂实验设备，如“机床电气及PLC 控制”实验用到的铣床，学生需在教师监督下操作，导致实验时空大受限制，目前暂无学生可自由使用的替代仿真平台；实验设备更新周期长，教学内容滞后于学科专业的发展，与社会需求脱节，等等。

为弥补这些不足，虚拟仿真实验应运而生。它最早起源于工科类院校基础课程教学，是信息技术与学科专业深度融合的产物。虚拟仿真实验技术着眼于专业与实践教学体系的重塑和学生的综合创新训练，运用虚拟仿真技术、多媒体和网络通信等技术，通过精选案例、精确模拟真实的实验环境和实验对象，开发理论学习、虚拟仿真、实操3 者相结合的实验实训教学平台。学生在虚拟平台上开展实验，能达到或超越真实实验的效果。同时，在开放交互的虚拟环境中自主协同设计，有利于调动学生的学习积极性、拓展实践领域、丰富教学内容，提高工程实践能力、综合设计与创新能力。虚拟仿真教学已成为改革传统教学、提升人才培养质量、引领现代教育的重要手段[4-5]。

湖南工程学院机械电子工程专业实验教学改革以机电专业课程为对象，以学生专业素质、实践能力和创新精神培养为目标，利用虚拟仿真、多媒体和网络通信技术，开展突出工程实践、强化综合应用、拓展机电特色的数字驱动与融合的虚拟仿真实验教学，构建工程化、综合性、创新性的机电实验教学新体系。

二、实验教学改革内容

（一）构建层次化、模块化的虚拟仿真实验教学体系

按照“虚实结合，互为补充”的原则，构建多层次模块化的虚拟仿真实验教学平台，把虚拟仿真实验教学内容整合为3 个层次。

1.以专业基础实训技能为主的基础层。该层虚拟仿真实验教学主要包括“微机原理及接口技术”“机电传动与控制”“工程测试技术”等机电控制基础课程实验和开发工具的使用等。基础层平台直观展现专业基础课程的基本原理与应用，学生能够加深理论认知、掌握实验技能、提升学习能力。

2.以专业课程实验技能为主的拓展层。该层虚拟仿真实验教学主要包括“机械控制工程”“工业机器人”“机电一体化系统设计”与“机床电气及PLC 控制”等机电控制专业课程实验和开发工具的使用等。利用拓展层平台完成专业课程实验与工程实训，培养学生的工程实践能力和团队协作精神。

3.以综合创新实践为主的创新层。该层虚拟仿真实验教学主要包括专业课程设计和毕业设计等综合性环节、学生自主设计的研究创新实验、专业学科竞赛等。利用创新层平台培养学生的综合设计和创新创造能力。

基础层、拓展层、创新层共同构成层次分明、循序渐近、各有侧重、相互渗透、相互促进的虚拟仿真实验教学体系（图1），使之成为具有扩展性、兼容性、前瞻性、开放性的共享和管理平台。

（二）坚持以学为中心，改革教学内容和教学方法

1.确立以应用创新为主的教改方案。以培养专业素质、工程应用能力和综合创新能力为主线，精选实验项目，重塑实验内容，以设计性、综合性、创新性实验为主，并将家国情怀、工匠精神、科技强国等思政元素融入其中。

2.开设与实际需求结合的实验项目。追踪前沿先进技术，如数字孪生、元宇宙等，及时用于专业教学；以企业及社会需求为导向设计实验项目，重视将各类科研项目和大学生创新创业项目转化为教学案例，推动“教学—虚拟—科研—实践”的相互转化、相互融合、相互促进。

3.采用学生自主探究式的实验模式。从问题、案例出发，充分发挥虚拟仿真实验时间自主、空间自由、实现方便、安全高效的优势，由学生自行设计实验方案，协同探究学习，直至完成全部实验工作，落实以学为中心的教学理念。

4.推动混合式教学方法的组织实施。开发涵盖教学重点难点的虚拟仿真项目，促进理论教学与实验教学相互渗透融合。在理论教学中借助虚拟仿真实验，通过实操演示，使教学内容直观形象、生动易懂。将理论教学引入实验室，线上线下交叉教学，虚实结合，形成“理论授课—虚拟实验—实验室教学”相融合的教学新模式，提高教学实效。

（三）开发各具专业特色的虚拟仿真实验项目

机械电子工程专业实验教学要按照“卓越工程师培养计划”与“工程教育认证”等要求，强化工程及综合素质的培养，贯彻学生中心、产出导向及持续改进的理念。由于机械设计制造及其自动化、材料成型及控制等专业也开设了机械电子工程专业的相关课程，因此，要针对不同专业的特点，开发各具特色的实验项目，实现人才培养多样化。

（四）建立稳定高效的虚拟仿真实验平台运行管理机制

虚拟仿真实验平台支持在线开放虚拟仿真教学资源、远程实验教学、在线演示，具有良好的交互特性、教学互动与答疑等特点，能开展实验数据采集分析、实验过程指导、实验报告在线收集、在线作业及测验、在线成绩评定、成果展示、信息发布等教学环节。

上述教改内容中，工程化、综合性、创新性的机电专业虚拟仿真实验项目的设计开发是关键。

三、总体实施方案

（一）广泛调研，收集资料，制定教改方案

通过跟踪已毕业学生、走访用人单位、问卷调查毕业班学生等方式，征求校内外学生、企业对课程与实验设置的意见和建议，发现人才培养及实践教学方面存在的问题。广泛查阅资料，借鉴成功经验，为教改研究积攒第一手材料。在广泛调研、收集资料的基础上，结合教改团队成员在教学实践中正反两方面的经验教训，制定实验教改方案。

（二）实验教学内容的优化整合

面向智能制造、工业机器人等行业领域，将工程化的典型案例引入实验中，积极推进项目、实例、案例实验教学；分析机械电子工程专业实验教学的内在联系，理顺前后关系，注重专业知识的交叉融合；更新实验教学内容，将新技术、新知识、新成果引入课堂，确保实验教学内容的先进性、工程化，做到理论与工程实际相结合。

（三）开发虚拟仿真实验教学项目

根据虚拟仿真实验教学平台的3 个层次，首先，开发基础层的虚拟仿真实验，包括“微机原理及接口技术”关于微机的结构原理、基本输入输出、外部中断、定时中断等虚拟仿真实验，“机电传动与控制”关于交流电机、直流电机、控制电机结构原理与控制等虚拟仿真实验，“工程测试技术”关于信号分析、传感器原理与应用、信号调理等虚拟仿真实验，以直观形象、可视化的方式展现基础课程的原理与应用。

其次，开发拓展层的虚拟仿真实验，包括“机械控制工程”关于系统的时域分析、频域特性分析等虚拟仿真实验，“工业机器人”关于机器人运动控制设计的虚拟仿真实验，“机电一体化系统设计”关于智能产线设计的虚拟仿真实验，“机床电气及PLC 控制”关于PLC 综合控制系统设计的虚拟仿真实验，为专业课程实验与工程实训服务。

最后，开发创新层的虚拟仿真实验，为专业课程设计和毕业设计等综合性环节、创新创业、学科竞赛等服务。

（四）虚拟仿真实验教学平台在线开放与运行管理

以“专业基础实训虚拟仿真平台”为对象，开发虚拟仿真实验教学项目，通过网络在线开放，共享实验资源，建立开放式网络化虚拟仿真实验教学模式。取得成功经验后逐步推广到其他两类虚拟仿真平台的设计、开发与应用中去。

四、教学改革成果

机械电子工程专业课程门数多，实验实践环节多，课程的应用性、实践性、综合性强，各学科之间的交叉融合、相互关联多。学生通过机电虚拟仿真实验实践教学，系统地掌握机电综合应用知识，并提升动手实践能力。每年有超30 个班级的上千名学生因此受益。

（一）预期成果

构建突出工程实践、强化综合应用、展现机电特色的教学改革架构。优化重整机械电子工程专业课程体系，并以此作为实验实践教学改革的基本依据。探索工程化、综合性、创新性的机械电子工程专业实验实践教学模式。开发与工程实际结合紧密、综合应用性强的机电虚拟仿真实验平台，依托该平台指导学生积极参加各种创新创业与学科竞赛，为机械电子工程专业人才培养创造良好的实践条件。建立开放式网络化实践教学模式，确定线上线下相结合的虚拟仿真实验教学途径与方法，实现教学资源共享。要及时总结教改成果，发表教改论文，再继续用于指导教改实践，推动教改工作不断深入进行。

（二）已取得的阶段性成果

针对“微机原理及接口技术”“机床电气及PLC 控制”“机械控制工程”“机电传动与控制”“工程测试技术”“工业机器人”“机电一体化系统设计”等机械电子工程专业核心课程，经过不断探索积累，已遴选拟定教改内容，在教学案例、实验内容、课程设计等环节，全面开展虚拟仿真设计、调试、验证的研究与实践，着力推进课程虚拟仿真项目开发建设，落地生根。目前，湖南工程学院已建立并逐步完善“微机原理及接口技术”“机床电气及PLC 控制”2 门课程的虚拟仿真教学体系，在课堂教学、实验实训、毕业设计中已广泛实施，积累了丰富经验，取得了良好成效，并在持续稳步推进中。其他课程也正在按计划有序展开，通过评估教改效果，及时发现问题，改进方案，总结经验，巩固成果。下面介绍2 个具有代表性的虚拟仿真实验的开发与应用。

1.急救车与交通灯控制虚拟仿真实验

通过开发急救车与交通灯控制仿真实验，解决单片机的存储结构、工作过程无法直观展示等问题，这一直是学习“微机原理及接口技术”带有全局性的重点和难点问题。

借助keil 与仿真开发板，清楚地看到用户程序编译后在程序存储空间以机器码存贮及分配的地址、占用的字节数，每条指令执行后引起数据存储器数值改变，更好理解指令的具体含义，以及通过对I/O 口的读写操作，实时接收外部信号和驱动外部负载（图2）。以可验证、能应用的方式将CPU 如何执行指令、操作存储器和接口外设生动具体地展示出来，使单片机抽象的内部结构、工作原理具体形象化，硬件动作和程序执行协同一体化。

图2 急救车与交通灯控制虚拟仿真实验

利用proteus 搭建灵活多变的硬件仿真平台，能加深学生对外设接口的直观理解，在加载应用程序后，可调试验证系统的有效性。通过这样的仿真实训，调动学生的学习积极性，学以致用解决一些实际问题，最终真正喜欢上这门课。

2.基于MCD 的虚拟码垛机设计实验

为顺应制造业数字化转型需要，在数字空间进行产线设备的虚拟设计、验证与优化，实现低成本、更高效的智能制造。

以码垛机设计为例，提出一种基于NX MCD 的虚拟码垛机设计与仿真调试方法。首先，建立码垛机的3D 模型，运用NX MCD 技术“物理化”模型，然后，通过TIA 博图软件设计S7-1500PLC 控制程序和HMI 监控界面，以PLCSIM Advanced 软件建立MCD 模型和虚拟PLC 的通信链接，最后，对码垛机和PLC 进行联合仿真调试，通过PLC 仿真器控制MCD 模型，对机械动作、控制程序等进行虚拟调试，确认控制程序的逻辑是否合理（图3）。此实验验证了虚拟码垛机设计方案的可行性和有效性，摸索出可行的数字孪生方法，为机电产线设计、验证与优化提供了新思路，对于推动产学研变革创新有重要意义。

图3 基于MCD 的虚拟码垛机设计实验

经过不断探索与实践，逐步建立起以案例演示、实操练习为基础的虚拟仿真教学体系，得到了学生、督导、同行、企业专家等各方的好评，认为以可视化方式展示抽象的原理、过程、结果，思路清晰、直观明了、简洁易懂、精准可信，活跃了课堂气氛，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，有利于培养学生的创新意识，有利于增强其动手实践和工程应用能力，推动教学质量水平上新台阶。

五、结束语

湖南工程学院机械电子工程专业实验教学改革，以机电虚拟仿真实验体系的开发应用为重点，做到虚实结合、数字孪生、相互补充。通过多层次、多功能、开放性、网络化的仿真教学平台，拓展实验教学的深度与广度，激发学生的学习兴趣与创新思维，增强学生的机电工程应用能力，促进教研教改进一步深入，提高教学质量与专业建设水平，既满足社会需求，又有利于学生发展，实现课程教学与人才培养目标相统一，对于培养高水平工程应用型人才具有重要意义。