肖能齊，方子帆，陳保家，盧 金

(三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

機械工程控制基礎課程作為機械專業(yè)非常重要的一門核心課，以控制論為理論基礎，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學問題。其課程目標主要是使學生逐步學會運用“系統(tǒng)”、“動態(tài)”的觀點定性分析系統(tǒng)的工作原理及特點，通過構建系統(tǒng)的數(shù)學模型，運用控制原理和數(shù)理基礎課知識對系統(tǒng)信息的傳遞及反饋控制的動態(tài)特性進行定性分析，初步學會將控制理論、微處理機技術同機械制造技術結(jié)合，運用控制論的理論與方法，來考察、分析與解決機械工程中的實際問題[1-2]。

目前工程教育中新工科建設和工程教育專業(yè)認證工作，不斷強調(diào)通過課程教學體系、實驗教學體系和企業(yè)實踐等多樣化方式提升學生解決復雜工程問題和科技創(chuàng)新的能力[3-4]。但是目前大多數(shù)高校在實驗教學和企業(yè)實踐等方面存在較多困難，一方面，較多企業(yè)基于安全生產(chǎn)管理要求，正在減少或不愿意接納高校學生參加企業(yè)實踐的需求；另一方面，實驗教學環(huán)節(jié)的增加，勢必會導致學校不斷增加教學實驗設備采購和設備維護資金的投入以及增加實驗設備安全性管理難度。虛擬仿真技術的應用順應了國家高等教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需求[5-6]。例如，2020年新冠病毒疫情的暴發(fā)導致高校學生無法正常開學，2020春季學期的教學任務往往采取線上教學手段完成，但是對于實驗教學與企業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)卻較為被動，若將虛擬仿真技術應用于課程教學和實踐教學環(huán)節(jié)中，將很好地解決上述問題。

以機械工程控制基礎課程為研究對象，依托課程大綱體系和培養(yǎng)目標，利用Simulink軟件構建虛擬仿真動態(tài)模型庫和虛擬仿真平臺，同時制定虛擬仿真技術在課程教學中的應用與實施方案。通過虛擬仿真技術在課程教學中的應用，讓學生可以運用理論知識解決實際問題，提高學生的學習熱情和工程應用能力。

1 構建虛擬仿真動態(tài)模型庫

機械工程控制基礎課程中系統(tǒng)的數(shù)學模型、頻域與時域特性分析以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷等涉及較強的數(shù)學理論知識、復雜的公式推導過程和復雜的圖表曲線特性分析，與其他專業(yè)課程相比，該課程具有較強的理論性，學生學習動力不足。同時，針對課程內(nèi)容而言，其所涉及的知識面廣，在有限的學時內(nèi)按照教材章節(jié)逐一講解的方式，系統(tǒng)性不強，往往難以讓學生們理解和掌握，教學效果較差。為了解決上述問題，采用課程知識結(jié)構與MATLAB/Simulink仿真軟件相結(jié)合的方式，建立虛擬仿真動態(tài)模型庫，從而實現(xiàn)以課程知識為主干和以虛擬仿真動態(tài)模型庫為枝葉的課程組成。

以數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)為對象，該系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖1所示。通過對數(shù)控直線運動工作臺的工作原理進行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在數(shù)控鏜床、激光加工機床和數(shù)控鉆床等方面有廣泛的應用，該系統(tǒng)全閉環(huán)的控制系統(tǒng)精度高。

圖1 數(shù)控直線運動工作臺位置控制的工作原理示意圖

根據(jù)上述該系統(tǒng)的工作原理和能量守恒定理，可以構建如下微分方程組：

其中，J1為電動機轉(zhuǎn)子軸部件的轉(zhuǎn)動慣量；J2為減速器輸出軸部件轉(zhuǎn)動慣量；i為減速比；P為螺距。

根據(jù)構建的系統(tǒng)模型和微分方程組，利用Simulink仿真軟件，可以構建如圖2所示的位置控制系統(tǒng)的仿真模型。利用該模型進行仿真分析，從而獲得該系統(tǒng)的時域響應特性和頻域響應特性等，為機械工程控制基礎中系統(tǒng)數(shù)學模型、系統(tǒng)的時間響應分析和頻域響應分析提供了更為直觀的演示，使學生更加容易理解相關授課知識。

圖2 位置控制系統(tǒng)的仿真模型

2 虛擬仿真技術在教學中的應用

為了推動教育與信息技術的融合，依托虛實并重、課內(nèi)外結(jié)合的原則，實現(xiàn)多元化教學。本課程教學方案的實施包括以下幾個步驟：

第一，教學準備，為后續(xù)的教學提供支持。課堂教學主要包括虛擬仿真動態(tài)模型庫、課件制作、教學活動設計等。網(wǎng)絡教學準備主要是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺資源，將課程視頻、虛擬仿真模型庫以及工程實際案例分析等提供給學生用于自學、討論交流與答疑。

第二，基于虛擬仿真技術的課堂教學。與傳統(tǒng)的灌輸式課堂教學不同，課堂教學不是采用對課本知識全部講解的方式進行教學活動，而是闡述某一實際生產(chǎn)生活的實例或項目實例方案，通過對實例進行拆解和借助虛擬仿真動態(tài)模型庫，使得課程重點難點知識以較為簡單和直觀的方式呈現(xiàn)在學生面前，從而讓學生可以運用理論知識解決實際問題并提高理論聯(lián)系實際的能力。

第三，根據(jù)虛擬仿真平臺，開展創(chuàng)新實驗。相對于傳統(tǒng)實驗平臺，虛擬測試網(wǎng)絡實驗平臺具有明顯優(yōu)勢，如投入運行成本小、受益面廣、影響范圍大等。依托MATLAB/Simulink仿真軟件平臺，學生以團隊形式完成自主綜合課程設計項目，在查閱文獻、設計方案、系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及答辯陳述的過程中培養(yǎng)實踐動手能力、綜合創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作能力。

3 結(jié)論

第一，提高了學生課堂學習興趣。借助虛擬仿真教學將課程中的抽象問題具體化，將理論知識實踐化。使學生能夠更加直觀、清晰地理解和掌握課程知識，有利于提高教學質(zhì)量、增強學生的學習興趣。

第二，提升了學生的創(chuàng)新與實踐能力。根據(jù)制定的虛擬仿真動態(tài)模型庫或自主設計課題，學生可以運用虛擬仿真手段參與到系統(tǒng)建模、分析、設計中，提高學生的創(chuàng)新及實踐能力。

第三，解決了傳統(tǒng)實驗不足的問題。虛擬仿真解決了實驗受硬件設備條件限制的問題，大大拓展了傳統(tǒng)實驗的范疇，解決了實驗資金和實驗設備不足的問題。