机电系统计算机仿真教学改革

　　中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.061

　　Electromechanical Systems Computer Simulation Teaching Reform

　　LIU Yu， BIE Hainan， HAO Lina， DAI Li

　　（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

　　Abstract With the development and application of computer technology， electrical and mechanical systems simulation has become a mechatronic complex talent necessary knowledge. In this paper， electrical and mechanical characteristics of the system of computer simulation programs for teachers and students from the two-pronged approach to reform， the establishment of co-teaching class teachers to assist and enhance the interactive curriculum， to stimulate enthusiasm for learning， and create a positive atmosphere in the classroom， to achieve the desired teaching effect.

　　Key words electromechanical system; computer simulation; teaching reform; Simulink

　　1 机电系统计算机仿真的课程特点

　　该课程以高等数学、线性代数等数学知识为基础，将系统分析的理论性和目的性相结合，从机电系统的建模、控制以及信号的处理等方面进行了介绍，方便学生从数学角度对机电系统有一个全面的认识。但是对机电系统的数学描述是抽象的，学生难以对系统特点有直观的、深刻的认识，需要对系统进行仿真模拟，而在实际应用中建立物理模型进行仿真是一件费时费力的事情，因此该课程的学习最终还要落实到相应的仿真软件上。在课程学习的过程中还需要与实例相结合，既要在数学方面对系统有清楚的了解，又要在仿真软件中对系统运行的过程和结果有一个直观的认识。对于仿真软件，美国Mathworks公司开发的MATLAB语言软件和MDI公司开发的ADAMS软件是其中的经典。MATLAB具有强大的矩阵运算功能，在MATLAB平台上开发出来的各种工具箱，和面向结构图的SIMULINK系统分析环境，在机电系统仿真的控制运算方面提供了有力支撑;而ADAMS可以对机电系统的样机模型进行静力学、运动学和动力学仿真，它所建立的模型可以很好地反映实际的物理模型，二者结合可以直接对机电系统的仿真模型添加复杂的控制而不需要使用数学公式建模，而且提高了仿真分析精度。

　　2 计算机仿真对学生的培养目标

　　机电系统计算机仿真设计是机械电子工程专业的一门专业技能课，主要是培养学生掌握数学建模，根据系统数学模型建立仿真模型，用计算机仿真控制系统的基本方法，使学生能够熟练应用仿真技术分析机电系统，为今后从事机电系统的分析、设计打下基础。要求学生掌握有关的基本理论，初步培养进行系统分析能力，同时注重实践，掌握MATLAB平台、SIMULINK、ADAMS等实用建模技术与仿真实验设计、分析的方法，能够根据所学对简单的机电系统进行控制，能够独立进行简单机电系统的设计。

　　3 教学改革内容

　　3.1 教师自身的培养

　　一门课程的讲解需要多方面的知识，授课老师不可能面面俱到，必须形成一个教学团队，由多位老师担任授课老师，每位老师讲解自己擅长的专业领域，以达到合作共赢，相互促进的过程。这种改革方式具有以下几方面的作用：①有助于教学问题的相互探讨。不同老师看待问题的角度是不同的，多位老师共同教学可以从多个角度看待教学问题，大家相互探讨有助于发现课程的不足和缺陷。②适应现在高校的发展特点。科研与教学并重的教师可以代课，不耽误科研任务。③有助于课程的发展，增加新的课程内容。不同的老师授课的侧重点不同，比如主讲教师把握课程的方向，讲解与课程相关的前沿科技;助教老师讲解数学建模、理论分析等具体知识;另一位助教老师注重实践讲解仿真软件的使用等，这样会减少授课老师的压力，又能使课程内容丰富、充实，该学科的教学工作得到不断发展。④学生可以从不同教学风格中获益。由于老师讲解侧重点各不相同，有助于学生全方位了解与课程相关的内容，开阔视野、发散思维，提升学生的自主学习能力和创新能力，为学生将来从事相关科研工作打下基础。

　　3.2 课程内容的梳理

　　本课程重要内容有：（1）计算机仿真的基本概念;（2）建模方法――分析法和辨识法。分析方法中最重要的是牛顿三定律方法和拉格朗日法。辨识算法是根据历史数据进行建模的方法。（3）微分方程的数值解法。微分方程数值解法有欧拉法、改进欧拉法、龙格库塔法。微分方程数值解是对初值问题进行的，基本思想是离散化和递推化。在龙格（下转第182页）（上接第131页）库塔方法中泰勒级数展开和多项式线性组合是工程中非常常用的思想。 　　3.3 助课老师的作用

　　随着国际化的发展，越来越多国外大学的教学方法不断流入中国。其中美国的凯勒个人化教学体系非常具有参考价值。该教学方法最突出的一点就是引进了助课教师。我们参考该方法也引进了助课教师。在讲课过程中，主讲教师进行方向的，总体的教学，由助课教师进行细致的教学，并由助课教师负责与学生的日常交流和疑难解答。助课教师多由青年教师担任，他们具有一定的专业知识水平，而且便于与学生沟通，可以将学生的听课状态、疑难点和生活中的各方面与主讲教师进行交流讨论，进而调整下一步授课方向，对学生普遍有疑问的章节可以进行重复讲解以加深学生的理解。但助教老师年轻化会导致授课经验不足，讲课时专业性太强不便于学生的理解。因此助课教师也应该随堂听课，不断向主讲教师学习授课经验，做到把专业的知识用通俗易懂的语言进行讲解，提升授课效果。

　　3.4 学生授课的尝试

　　机电系统计算机仿真是一门偏重实践的课程，而在实际的教学工作中仍以理论教学为主导，缺少实践教学，学生印象不深刻。其次，机电系统的学习需要机械和电子两方面的知识，学生水平参差不齐也是难以达到理想授课效果的一个原因。因此我们要尝试新的教学改革以改善这些状况。

　　授课首先就是要激发学生的学习热情和求知的欲望。机电系统计算机仿真课程知识点繁多，包括机电系统的构成，机电系统的建模，机电系统的控制等多方面内容，各方面内容之间的联系也不是十分紧密，若不在讲解时对知识点进行梳理，势必会降低学生们的学习热情。因此在学习前一定要向学生阐明课程为何这样设置，并用现在已投入实践应用的例子进行引导，使学生有兴趣学、愿意学。

　　授课过程中注重学生的定位，学生不只是听课的角色，也可以让学生参与到教学的过程中，他们乐于参与进来。将课堂时间交给学生能激发学生的责任感，学生为了弄明白所学的内容就会去查阅参考资料、做演示文件等，对于学生整体素质的提高有很大的促进作用。授课班级较多的情况下也可实行按班分组，每两个班级的课题一致，这样两个班级可以相互对照，共同促进补充。

　　3.5 学生作业的作用

　　学生作业的作用是为了检验学生对于授课知识点的掌握情况。因此除了常规的随堂作业外应设置大作业，强迫学生参与教学，强调听课的效果一般，参与的效果更好。学生参与进来可以加深对课程的理解，讲解时可以从学生的角度出发，找到授课老师忽略的、学生有不清楚的地方，令其他学生也受益。

　　3.6 考试形式的改革

　　评分标准改变以往以考试为主的评分方式，强调参与的重要性，对于参与较好的学生给予鼓励。要结合大作业，平时参与度和期末考试进行考核，采用老师评价与学生自评相结合，力求客观公正的对学生的掌握程度进行评价。

　　4 结束语

　　综上所述，机电系统计算机仿真课程是一门偏重实践的课程，传统的理论教学难以达到理想的授课效果。课程的改革改变以往学生只是听课的状态，让学生参与到授课的过程中，激发学生的学习热情，提升学生的创造性，在加深对课程的理解过程中不断丰富课程内容;同时设立助课教师从理论到实践应用，对课程进行全方位讲解，同时加深与学生的交流，由老师和学生一起共同完善机电系统计算机仿真这门课程。

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