馮巧紅，韓 江

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

Matlab在機(jī)電一體化專業(yè)教改實(shí)踐中的應(yīng)用探討

馮巧紅，韓 江

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

機(jī)電一體化人才是當(dāng)前社會(huì)急需的復(fù)合型人才，但在目前的高職教育方式下培養(yǎng)出的人才在一定程度上還不能適應(yīng)市場(chǎng)需求。本文在現(xiàn)有的機(jī)電一體化教改基礎(chǔ)上，提出了一種新的具體的教學(xué)方案，以期適應(yīng)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)模式。

機(jī)電一體化；Matlab/Simulink；模塊；仿真

一、引言

目前，教學(xué)改革（尤其是課程體系改革）已經(jīng)成為各所高職院校不同發(fā)展時(shí)期的重要研究?jī)?nèi)容之一。伴隨機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)機(jī)電一體化人才的需求也日益擴(kuò)大。以服務(wù)市場(chǎng)需求為目標(biāo)的高職教育也就不得不因時(shí)而動(dòng)，大力推進(jìn)機(jī)電一體化專業(yè)的教學(xué)改革。隨著改革的深入進(jìn)行，幾乎每所高職院校都已經(jīng)形成了一套自己的改革方案。這些方案雖然在理論上基本成熟，但具體實(shí)施起來(lái)卻總是差強(qiáng)人意，很難從真正意義上培養(yǎng)出真正適合社會(huì)需求的人才。其具體原因主要在教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施保障上面，主要體現(xiàn)為現(xiàn)有的教學(xué)模式和教學(xué)方法與改革發(fā)展不同步。

二、機(jī)電一體化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和教改現(xiàn)狀

實(shí)行教學(xué)改革的首要任務(wù)必須先認(rèn)清本專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，只有知己知彼才能實(shí)現(xiàn)百戰(zhàn)百勝。機(jī)電一體化專業(yè)要求的是“機(jī)”和“電”的“有機(jī)融合”，而非簡(jiǎn)單的“加和”。也就是說，機(jī)電一體化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是在具備一定機(jī)械加工和機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，能利用計(jì)算機(jī)、電氣控制等知識(shí)和手段來(lái)控制機(jī)電產(chǎn)品。它既不同于傳統(tǒng)的機(jī)械專業(yè)，也有別于電氣專業(yè)和自動(dòng)控制專業(yè)。因而，在課程設(shè)置上就要求能充分體現(xiàn)出“機(jī)”和“電”的融合?，F(xiàn)在，許多院校都采用理論上比較成熟的模塊化教學(xué)方式。不同院校有自己不同的模塊方案，但總的來(lái)說，無(wú)外乎基礎(chǔ)教學(xué)模塊、機(jī)械基礎(chǔ)模塊、電氣基礎(chǔ)模塊和控制基礎(chǔ)模塊等幾個(gè)方面。這些模塊教學(xué)方案從理論上來(lái)說是符合現(xiàn)實(shí)社會(huì)對(duì)機(jī)電一體化人才的需求的。但是，事實(shí)是，在這些模塊化教學(xué)方式下培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生的水平、能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我們的期望。究其緣由，既不是學(xué)院的浮于形式、落實(shí)不到位；也不是老師的教學(xué)水平低下，知識(shí)傳授不深入；更不是學(xué)生的消極惰學(xué)，而是最終沒有實(shí)現(xiàn)這些模塊之間的有機(jī)結(jié)合。學(xué)生從不同的課程中學(xué)到了不同的知識(shí)，但這些知識(shí)只是一些零散的、彼此沒有聯(lián)接的散件。就好比一個(gè)人擁有了蓋建一間房屋所需的足夠的磚頭和木料，但并等于他就可以建好一間房子。他必須還得有足夠的水泥、砂漿等其他材料，把手中的磚頭以一定方式壘砌起來(lái)，才能建好他要的房屋。我們的實(shí)際教學(xué)中就缺少了能系統(tǒng)的將現(xiàn)有的教學(xué)模塊聯(lián)接起來(lái)的一個(gè)紐帶。在這里，我將向大家推出一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)有的教學(xué)模塊聯(lián)系起來(lái)的方法：就是將Matlab/Simulink軟件教學(xué)融入到模塊化教學(xué)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)不同模塊的有機(jī)結(jié)合。

三、Mat lab/Simul ink簡(jiǎn)介

MATLAB的含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）。是1980年美國(guó)MathWork公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個(gè)平臺(tái)上，用戶只需對(duì)所要解決的問題簡(jiǎn)單地列出數(shù)學(xué)表達(dá)式，就可以數(shù)值或是圖形的方式得到求解。經(jīng)過20年的完善和發(fā)展，MATLAB由早期的3.x（DOS）版本到今天的MATLAB7.0(R14)版本，其功能在逐步強(qiáng)大。它不僅作為一個(gè)有力的數(shù)學(xué)工具，更成為了眾多科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用工具。獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)可，是學(xué)術(shù)研究部門也是進(jìn)行高效研究和開發(fā)首選的軟件工具。如美國(guó)的National Instruments公司的信號(hào)測(cè)量和分析軟件LabVIEW，Cadence公司的信號(hào)和通信分析軟件SPW等，都是直接建立在MATLAB之上，或是以MATLAB為主要支撐；又如TM公司的DSP，HP公司的VXI硬件，Gage的各種硬卡、儀器等都接受MATLAB的支持。從一定程度上可以說，目前在相關(guān)領(lǐng)域還沒有能與之匹敵的計(jì)算機(jī)軟件。

Simulink是MATLAB環(huán)境下的工具軟件包。它主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析。它可進(jìn)行線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)分析，還可進(jìn)行連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間或是混合分析。它的界面更加友好，他提供了豐富的模塊庫(kù)，用戶只需將自己需要的模塊直接拖放到屏幕中并將它們聯(lián)系起來(lái)即可。同時(shí)，它的開放式的結(jié)構(gòu)和交互式的仿真方式也為眾多行業(yè)人員所推崇。它不僅可以使我們方便快捷地建立各種模型，而且可以讓我們清晰地了解各個(gè)器件、各個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系。而且，Simulink在仿真領(lǐng)域得到了廣泛的信任和認(rèn)可，許多軟件都支持。它可以用于航空、電力、機(jī)械、通信甚至社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。

四、Mat lab在機(jī)電一體化專業(yè)教改中的實(shí)踐應(yīng)用

將Matlab/Simulink軟件教學(xué)引入高職機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中，并不是要求將它作為一門獨(dú)立學(xué)科進(jìn)行教學(xué)，而是將軟件學(xué)習(xí)融入到不同模塊教學(xué)過程中，也就是化整為零，將Matlab分解為幾個(gè)部分，分別貫穿到不同的學(xué)科教學(xué)中。其具體實(shí)施方案如下：

首先，在基礎(chǔ)模塊教學(xué)中插入Matlab的基礎(chǔ)入門。高等數(shù)學(xué)是一門理論性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，是工科學(xué)生的必修必考課。一直以來(lái)，數(shù)學(xué)教學(xué)過程中都是“教師講、學(xué)生聽”，這種教學(xué)方式不但容易讓學(xué)生厭倦，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力，更不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求。如果在課堂教學(xué)中引入Matlab軟件基礎(chǔ)教學(xué)，利用Matlab強(qiáng)大的計(jì)算功能，將某些復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單化，一些抽象的概念具體化和形象化，可以使眾多復(fù)雜而繁瑣的計(jì)算過程得以簡(jiǎn)化。這不但讓學(xué)生從繁重的計(jì)算工作中解放出來(lái)，通過程序的輸入，還可以使學(xué)生在潛移默化中理解一些運(yùn)算的數(shù)學(xué)原理，同時(shí)，還能提高他們的計(jì)算機(jī)操作技巧。讓學(xué)生從被動(dòng)的聽課、手工的計(jì)算轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作，在很大程度上可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

第二，在電氣模塊教學(xué)中貫穿Matlab/Simulink/SimPowersystem的學(xué)習(xí)使用。在電氣知識(shí)教學(xué)中，經(jīng)常需要對(duì)一些簡(jiǎn)單或是復(fù)雜的電路進(jìn)行計(jì)算和分析。在人們印象中，電學(xué)是枯燥無(wú)味的，因?yàn)樗床灰?、摸不著（?dāng)然也不能摸），盡管現(xiàn)在也出現(xiàn)了很多的電路仿真軟件（如EWB、Multism等），可以實(shí)現(xiàn)電路的實(shí)時(shí)仿真和分析，但是這些軟件在很大程度上都局限于一定范圍內(nèi)的仿真，而且缺乏與其他軟件的接口。而Simulink下的SimPowersystem工具箱則提供了大量的用于電類系統(tǒng)的仿真，它可以用于電路、電力電子、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真。而Matlab最大的優(yōu)點(diǎn)就是它可以實(shí)現(xiàn)多種軟件的聯(lián)接和支持。在電類課程教學(xué)中，可以通過建立電類仿真模型具體分析電路的實(shí)際波形和電機(jī)的運(yùn)行特性。讓學(xué)生在此平臺(tái)上構(gòu)建一些實(shí)用的電路模型，幫助他們觀察和分析電路的各種狀態(tài)并可以了解電路的具體原理。如在這里可以讓學(xué)生自己動(dòng)手構(gòu)建三相整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變等線路并實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電機(jī)的控制，并且將這些模型封裝為子系統(tǒng)加以保存，以備后用。

第三，在機(jī)械模塊教學(xué)中，融合SimulinkSim/Mechanics的學(xué)習(xí)使用。在機(jī)械模塊教學(xué)中，要涉及到機(jī)械原理和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。而Simulink則為我們提供了一個(gè)構(gòu)建系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)易操作平臺(tái)，并且不需要復(fù)雜的運(yùn)算和繁瑣的作圖。如在Simulink下可以構(gòu)建一些液壓系統(tǒng)模型，設(shè)置好參數(shù)，就可以實(shí)時(shí)觀察液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)過程。同時(shí)SimMechanics還提供了大量的機(jī)械模塊可直接利用它們實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，并且可以隨時(shí)改變其約束條件和聯(lián)接方式，及時(shí)觀察所設(shè)機(jī)構(gòu)在變參數(shù)下運(yùn)行時(shí)的工作特性。如果可能，還可以做成動(dòng)畫模式，也就是把書上的機(jī)構(gòu)變活，提高了學(xué)習(xí)過程的趣味性。另外，我們還可以將我們學(xué)習(xí)過程中利用其他一些建模軟件（如PRO/E、UG、SolidWorks）所建立的實(shí)體模型添加到SimMechanics中以供所需之用。

第四，在控制基礎(chǔ)教學(xué)中，充分綜合Matlab/Simulink的實(shí)際使用。在學(xué)習(xí)控制理論過程中，正好充分利用前面所學(xué)的Matlab/Simulink的知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、建模和分析等環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真功能。將學(xué)習(xí)過程中繁瑣的拉氏變換、復(fù)雜的頻域響應(yīng)曲線、煩人的波特圖的繪制全部交給計(jì)算機(jī)來(lái)完成，正好將前面分散學(xué)習(xí)的Matlab知識(shí)全部綜合起來(lái)，完成這一學(xué)科的完整學(xué)習(xí)，并利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的關(guān)于“機(jī)”和“電”的結(jié)合。

最后，可以在老師的指導(dǎo)或是布置下，進(jìn)行機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)。課題主旨就是建立一個(gè)完整的機(jī)電控制系統(tǒng)并對(duì)其仿真分析。如實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速并用它完成對(duì)具體對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制等。而完成這一任務(wù)所需的知識(shí)和素材都包含在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中，我們只需將平時(shí)課程學(xué)習(xí)中所建立的各個(gè)子系統(tǒng)調(diào)出，通過Simulink將它們以一定方式聯(lián)接起來(lái)即可。這既是對(duì)三年所學(xué)的全部總結(jié)，也是對(duì)以前全部學(xué)習(xí)的復(fù)習(xí)。經(jīng)過這一系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和最終的綜合，學(xué)生對(duì)機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)該有了比較全面的認(rèn)識(shí)和了解。其知識(shí)水平和學(xué)習(xí)能力可以大幅提高，真正成為知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)所需的機(jī)電一體化專業(yè)人才。

五、總結(jié)

從上面的實(shí)施過程來(lái)看，Matlab正好作為一條聯(lián)接各個(gè)教學(xué)模塊的紐帶，將原本分散的各個(gè)模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)過程的連續(xù)性和完整性。另外，Matlab也是從事不同行業(yè)的研究人員的首選工具，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。通過三年的不間斷學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握它的基本應(yīng)用，還可以在今后的實(shí)際工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)和使用，從一定程度上來(lái)說，這又為終身教育奠定了一定的基礎(chǔ)。當(dāng)然，完全按照這個(gè)方案進(jìn)行教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，對(duì)我們的老師也就毋庸置疑地提出了更高的要求。它要求我們老師必須先掌握這一軟件的使用，并能將之有機(jī)地結(jié)合到實(shí)際教學(xué)中，這需要我們的老師付出很多甚至是艱辛的努力才能實(shí)現(xiàn)。但是，我想這應(yīng)該不能成為反對(duì)這一方案的理由，因?yàn)樵诟呗毥谈闹?，?qiáng)化師資力量建設(shè)應(yīng)該是重中之重，是改革發(fā)展的核心因素，也是改革實(shí)施的保障。以上是基于我多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和大量的調(diào)查研究基礎(chǔ)上的設(shè)想，希望以此為契機(jī)，拋磚引玉，引發(fā)高職教育的進(jìn)一步改革和快速發(fā)展。

G712 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

1671-5993（2010）03-0019-03

2010-05-10

馮巧紅（1974-），女，安徽天長(zhǎng)人，合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院在讀研究生。