机电系统动态仿真课程教学改革研究

机电系统动态仿真课程教学改革研究
摘要:文章是结合笔者的教学实践和《机电系统动态仿真》这门专业课的特点,探讨了当前课程教学中存在的问题,从教学内容、教学方法、实践教学和评价体系等方面,阐述了改进教学的策略,将教与学紧密地结合起来,将传授知识与提高能力统一起来,改革的目的是探索以培养学生科学研究能力为核心的素质教育模式。

关键词:机电系统动态仿真课程教学改革素质教育
引言
随着科学技术的发展,机电产品层出不穷,而且越来越复杂,对这些复杂的机电系统进行动态设计和动态分析显得尤为重要,本课程正是为了适应这一趋势而安排到本科生的培养计划中的。

“机电系统动态仿真”是工科机械电子专业重要的专业课,在专业的培养体系和课程结构中占有举足轻重的地位,它是培养本科学生科学研究能力的重要教学环节,其前修课程是高等数学,线性代数,机械控制工程基础,电子技术,机电传动控制,机器人技术基础等,学生应当具有了机电系统方面的预备知识。

本课程以仿真软件的应用为基础,注重学生科学研究能力的培养,课程的教学改革有利于学生综合素质的全面提高。

文章从教学内容、教学方法、和实践环节入手,阐述了机电系统动态仿真课程实践教学的改革方法,探索了提高教学质量和学生能力培养以及综合素质提升
的有效途径。

1 课程教学目标和特点
本课程是使学生通过学习,获得机电系统仿真方面必要的基本理论、基本知识和基本技能,了解仿真技术的发展动向,为后续学习和深造以及从事机电专业的工程技术工作和科学研究打下坚实的基础。

该课程是一门研究性很强的课程,为了适应新世纪素质教育的要求以及该学科特点,应对这门课程所涉及的教学内容、教学环节进行深入的分析和研究,合理调整和优化。

同时,学习兴趣和自学能力是学好一门课程十分重要的两个方面,为了提高学生的学习兴趣,需要通过具体的实例练习,使学生深刻理解机电系统动态仿真的重要性。

对机电系统的建模与动态仿真属于软件实验,不同于理论教学,也不同于硬件实验教学,有其自身的特点和规律,它更能引导学生的形象思维与抽象思维相结合,在培养学生能力方面有独到之处:
1)培养学生的学习兴趣和自学能力;
2)培养学生掌握软件工具基本的操作技能;
3)培养学生从复杂事物中抽象科学问题,进行分析、解决问题的能力。

目前,这门课程由于缺乏前序课程的有效支撑,使得该课程把主要精力放在仿真软件的基础知识上,由于课时有限,相对而言,在有关先进仿真技术以及实际机电系统的仿真实例方面就显得课时少,这就成为教改的难题之一,怎样设计适合我校学生特点的课程也是教改的当务之急,以下从调整教学内容、改革教学方法和完善考核办法等方面进行探索。

2 调整教学内容,提高教学质量
课程改革是提高教学质量的核心,也是教学改革的重点和难点。

本课程教学学时相对较少,再除去上机练习的课时,理论讲授的学时则更少,这就要求在教学过程中注意课程的重点、难点和关联点,精选教学内容,进行知识的整合。

在讲课内容上要讲重点、讲难点抓关键,对于那些学生熟悉的内容,略加提示,提出相应的教学要求,鼓励学生去自学。

在内容的舍取上,我们遵循相关教材的安排但不拘泥于教材内容,在相关内容处及时补充实用的算法和技术,既要学生掌握基本理论,又要打下应用基础,以突出基础性和知识体系的完整性。

笔者结合课程特点和学生的认知程度,按讲授知识内容的递进及关联将机电系统动态仿真课程整合成了四大块:
(1)机电系统与仿真技术,主要讲述机电系统的组成,特点和关键
技术,以及仿真的含义,计算机仿真的内容和步骤。

(2)仿真软件的基本知识,包括软件安装,工作环境,数学运算,矩阵运算,多项式运算与拟合,以及符号运算,编程基础,绘图基础等,其中函数文件编译与调用为难点。

(3)系统仿真模型的建立与系统分析,是本课程的中心环节,主要阐述建立模型的基本步骤,数学模型的主要形式,系统仿真的解析解法与数值积分解法,以及系统的稳定性、时域、频域和根轨迹分析,其中建立MIMO模型与系统仿真的数值积分法为难点。

(4)Simulink仿真基础,重点介绍模型的图形化输入,模块库,自定义模块的封装,仿真运行设置,条件子系统的仿真。

利用仿真软件工具,进行机电系统建模与仿真是本课程的重点环节,通过讲授机电系统建模理论和方法,提供建模工具,重点培养学生利用建模与仿真工具进行机电系统的设计和分析,提高解决实际工程问题的能力。

新的机电产品随着科学技术突飞猛进的发展而不断涌现,教学内容也应不断更新,并融入一些具有工程实践应用的实例。

3 改革教学方法,培养高素质研究型人才
如何设计课堂教学环节和课堂进展程序,是我们努力探索和实践的问题。

根据机电系统动态仿真课程的特点,改进课堂教学,培养学生
有效地借助仿真软件工具,综合分析系统的能力。

(1)重视第一节课。

明确该课程的地位和作用,以及与其他课程先行后续的关系,讲述本课程相关的技术前沿和有关学术研究领域等,以激发学生的求知欲,并介绍学习参考书目和辅助资料等。

同时结合机械控制工程基础、机电传动控制以及机器人基础等课程,事先布置本课程的大作业:选择某一种熟悉的机电系统(直流拖动控制系统,交流拖动控制系统,机器人,数控机床,磁悬浮系统等),进行抽象建模,并对其进行仿真分析。

(2)发挥学生的主体作用。

在教学中,要在少课时的条件下,完成教学任务,实现教学目的,就必须充分调动学生的学习自觉性。

在本课程的第三大块内容中,系统的稳定性、时域、频域和根轨迹分析确定为学生的自学范围,因为有关基本控制理论和仿真软件应用的教学已经完成,而且经过几次的上机实践,学生已具备相应的自学能力,只需稍作提示,系统分析这部分内容的教学在充分发挥学生自学优势的前提下,就可以完成,同时要求大作业中包含系统仿真分析这个环节,这样不仅有效利用了有限的课时,而且实现了教与学的有机互动。

(3)强化上机实践环节。

培养学生的独立解决问题的能力,在上机练习中,不同的学生个体由于听课质量的差异,会遇到各种各样的问题。

由于教学过程不仅仅是传授知识,更要重视学生的能力,尤其是运用所学知识解决问题能力,本课程所学仿真软件Matlab是美国
Mathworks公司推出的适用于多种学科的大型仿真软件,其全英文的工作环境以及程序提示和出错警告信息,让很大一部分学生感到茫然,这就需要任课教师鼓励学生自主去探究问题的根源,从而得到解决问题的办法。

这样,使学生在学习仿真技术的同时,还能使从英文界面和英文提示中,学到许多相关的专业英语词汇,提升学生的专业水平。

(4)增加实践环节。

改进课堂教学方法和手段的同时,对实践教学的内容和方法不断地提出要求,为了理论联系实际,让科学主导工程,要增加综合性仿真实例,着眼于提高学生实际分析问题和解决问题的能力,我们要充分利用学校购置的倒立摆平台,该平台属于数控工作台,是广泛用于工业的典型机构,而且机器人的行走也类似倒立摆系统,所以该平台是对机电系统动态仿真课程的有效辅助,它能直观、简明地验证时域或频域分析的基本原理,让学生在轻松地实践中加深对机电系统动态仿真课程的理解和掌握。

同时,培养学生科学研究的意识,为后续学习深造打下坚定的基础,努力培养出适应高科技发展所需要的研究型人才。

4 完善考核办法,注重能力培养
考试是教学效果测量的主要形式,在考核方式选择上,要努力做到既考知识又考能力。

加强考核,改革考试方式和改变学生的应试心理是提高课程教学效果的有效途径。

一种好的考核方法对于学习一门课
程至关重要:考核不仅是对教学效果的检验和学生水平的测试,同时也是对学生学习习惯和学习方法的导向。

本课程在评价学生的学习成绩时不再单一地看笔试考试成绩,还要看学生运用所学知识解决问题的能力。

其中笔试占70%(基本理论知识),大作业占20%,上机练习占10%,这种考试方法有助于学生掌握所学到的知识,提高综合能力:
(1)仿真实例的作业练习能给学生以主动探究、自主学习的空间,具体做法是:
教师给学生推荐一些有关典型机电系统的题目,或由学生自己通过各种途径查阅资料,教师针对不同的方案和不同的问题进行一些关键性的指导,一起确定设计课题,然后由学生进一步去完成该机电系统的动态仿真分析,并得出有用的结论。

仿真练习的基本流程如图1所示。

这样,形成一个以学生为主、教师引导与点评相结合的启发式教学模式。

由于学生个体之间在学识和能力方面的差异,为了提高大作业的质量,采取组队完成的形式,每小组五六个人,充分发挥学生学习的主动性及协作精神,并可以通过讨论,群策群力,获得更加系统和更加完善的机电系统仿真练习,从而帮助学生更好地吸收知识,运用所学到的理论知识进行分析和解决实际问题。

最后给予相应的成绩,计人总评成绩之中。

(2)在平时上机练习的过程中,发现部分同学上网和打游戏的现象,此类现象的解决除了对机房的电脑实施强行断网之外,还要求老师每次上机前布置相应的练习题目并现场辅导,对于学生遇到的程序运行出错警告提示,只需引导学生积极主动的去解决,激发他们解决问题的兴趣。

根据相应表现,计人总评成绩。

5 加强教学研究,不断提升教师素质
教学是一门科学,也是一门艺术,教师参与教学研究,是促进教师素质提高的有效途径。

讲好任何一门课,都需要任课教师潜心钻研、精心教学,不断研究教学中的新情况,及时总结和交流先进的教学经验,不断提高教学水平和教学效果。

教师一方面需要充分利用课余时间查找有关最新机电产品的资料进行再学习,另一方面还要重视科学研究和学术交流,对仿真技术领域的先进技术和仿真方法进行学习,以科学研究促进教师教学水平的提高。

教师通过参加科学研究活动,能够积累新经验,充实新知识,把教学过程和科学研究紧密联系起来,才能长期保持教学与科研的活力,从而实现“教研相长”。

任课教师还应该在教学实践中不断探索动态仿真技术在具体的机电系统中的应用,并鼓励学生针对实际的机电系统进行初步的科学研究尝试,调动学生参与科研的热情,学生自主参与科学研究工作,会
激发教师进行科学研究探索的思路,也顺应了社会的需要,适应了我校目前开展的本科生进行科学研究项目的形势。

6 结语
教学改革是一个循序渐进和长期积累的过程,也是一项长期而富有挑战的工作,其最终目标是为了培养学生能力,提高教学效果。

在教学的过程中,应该不断更新教学理念,优化教学内容,改进教学方法,加强教学实践。

“机电系统动态仿真”课程涉及到的机电系统范围广泛,抽象模型困难,加上课时比较少,对教学者而言,不管是指导学生对仿真软件的灵活掌握,还是引导学生对层出不穷的机电系统进行完善的动态仿真分析研究,都是一种挑战,但通过提升教师素质,深化教学研
究,充分发挥教师在教学改革中的作用,同样可以达到良好的教学效果,成功地进行教学改革。

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