模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用

商琴琴　牛藺楷　蘭媛　劉輝

摘 要：機械電子工程專業旨在培養能在生產一線從事機電產品設計制造、控制開發、應用研究和生產管理等工作的應用型高級專門人才。相比較于形象具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，實驗學時安排有限，并且目前機電專業本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統思維。因此，有必要提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類專業的學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統性分析思維。

關鍵詞：模塊化仿真 機械電子工程 課程教學

隨著現代科學技術的飛速發展，不論是機械裝備還是機器人、數控技術等都離不開機電一體化技術。機電一體化不僅僅是簡單的機械專業和電子技術相結合，同時也是很多邊緣學科互相探索借鑒和互相滲透的復合型專業。隨著機電一體化不斷優化教學和實踐模式，機械電子工程專業的產生無疑將二者緊密結合的同時更具有了前所未有的復合性和挑戰性。

機械電子工程專業旨在培養能在生產一線從事機電產品設計制造、控制開發、應用研究和生產管理等工作的應用型高級專門人才。電子類課程（包括模擬電子技術和數字電子技術）是機械電子工程專業的專業必修課，在培養具備機電一體化復合型創新人才的課程方案中具有重要地位。然而，在目前教學過程中，發現存在該專業學生基礎課程與實踐相脫離，難以正確理解和應用所學模電知識，從而無法形成機電系統性分析思維等現實問題。

本文依據項目“模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用”計劃采用模塊化系統仿真技術，通過增強機電融合元素優化教學設計和編寫計算機機電系統輔助分析軟件，將僅涉及每節課教學內容的仿真和驗證工具進行模塊化打包并隨堂應用，以使學生及時驗證和掌握課堂講授的電子理論知識，并進一步提高機電一體化系統思維的能力。

1 當前機械電子專業中模擬電子課程的現實問題

根據教學過程及考核結果反饋，相比較于形象、具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，對學生理解和掌握相關知識點造成較大的學習壓力，學習過程枯燥乏味，學習熱情大幅下降；進而，相比較于自動化和電氣等專業的電子類課程，機械電子工程專業更側重于實踐應用。然而實驗學時安排有限，學生難以在有限的時間內全面驗證和接受課堂講授的理論知識；最后，目前機電專業本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統思維?；谏鲜鲈?，有必要提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統性分析思維。

2 構建模塊化隨堂仿真實驗的思路

近年來，電子設計自動化（Electronic design automation， EDA）技術廣泛應用于電子產品的設計和制造中，同時也在電子類課程的課堂和實驗教學中得到應用，是變抽象為具體，幫助學生理解電子知識，增強實踐能力的重要輔助手段。目前有多種商業化的EDA軟件在教學方面得到應用，例如PSpice、Multisim、OrCAD等。但是，這些軟件操作較為復雜，有時需要一定的理論和經驗知識，對初學電子課程的機電專業本科生來說有一定難度，并且軟件培訓也需要占用一定的學時。因此，在課堂教學環節，商業EDA軟件僅適用于教師演示操作。同時，商業化的EDA軟件難以考慮機械元素，較難做到機械和電子的同步融合。因此，有必要開發和利用一種輕量化和模塊化的機電系統仿真軟件，使學生在課堂上即可通過自主簡單操作隨堂驗證所學知識，將理論實踐化，并加深對機電系統融合概念的理解。

本文依據項目，通過設計開發模塊化機電系統教學仿真驗證軟件，將其作為一種新的教學工具和手段優化教學過程，使機電專業本科生在課堂環節就能將理論實踐化。因此，本項目開展“模塊化機電系統教學仿真驗證軟件開發研究”和“模塊化隨堂仿真實驗的教學應用研究”兩個方面的研究。兩個研究內容的邏輯關系如圖1所示。

2.1 模塊化機電系統教學仿真驗證軟件開發研究

為減輕學生軟件負擔，便于交流傳播，簡化操作流程，提高和主流教學多媒體軟件的高效融合，本項目基于Excel軟件平臺，通過VBA二次開發，構建和編寫模塊化機電系統教學仿真驗證軟件。首先，根據每節課主要教學內容，基于VBA語言進行GUI窗口設計，在窗口中置入所需的各種電子元件和機械元件；其次，編寫軟件后臺代碼，通過聯立求解電路元件和機械元件的非線性方程組得到電路各節點/支路的電流/電壓，以及機械部分和電路部分的相互作用關系，并通過圖形界面進行結果顯示。為了更好地幫助學生理解電路的工作過程，在電路仿真中增添試錯模式，在對錯誤的修改過程中理解所講授的知識內容。

2.2 模塊化隨堂仿真實驗的教學應用研究

在軟件程序設計完成以后，課前將軟件打包發送給學生進行模塊化隨堂仿真實驗。為此，對教學設計進行優化，在教學設計中增加機電融合元素和仿真實驗驗證環節，研究仿真實驗和課堂知識講授、討論以及思考等教學環節的有效銜接和融合，以達到教學目標要求；其次，研究基于問卷、投票、作業、拓展訓練等線上、線下反饋環節的后期評價體系，在學生反饋的基礎上進行軟件和教學過程的優化迭代。

3 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用

在軟件開發方面，項目組成員企業進行監測和故障診斷系統的開發，利用LabView進行了系統的GUI前端和軟件后臺算法程序編寫；同時，項目組成員皆具備電路數值建模和分析的能力。在教學應用方面，通過機械電子工程專業本科生《電路原理》、《模擬電子技術》或《數字電子技術》的教學任務，及山西省一流本科課程《機械測試技術基礎》的前期準備工作，本項目團隊成員在本科生教學設計和教學實踐方面具有一定能力和經驗，將所開發軟件成功應用于本科教學。

本項目主要在機械電子工程專業大二和大三本科生的《模擬電子技術》和《數字電子技術》的教學中開展。如圖2所示為所開發軟件的數字電子技術課程部分的軟件界面。該軟件利用EXCEL軟件中的VBA代碼中“用戶窗體”功能進行設計，將數字電子技術課程中相關章節放入該用戶窗體的“章節”下拉菜單中，同時在每個章節下設置子單元“項目”，將每一章中所需要的模塊放入。

軟件在編碼器一節中的教學應用實例如圖3所示。課堂講解優先編碼器（8線-3線優先編碼器）時，該部分教學重點是如何利用已有編碼器模塊芯片（如74HC148）的擴展端口進行多個編碼器的級聯擴展。在一般的課堂教學中，僅有原理的講解環節，而缺乏相應的檢驗環節，因此難以掌握學生的掌握程度。為了檢驗學習效果，實時掌握學生的掌握程度，教師可利用如圖3所示的本項目提出的教學軟件。該界面具有批量輸入和隨機輸入的功能。批量輸入時，教師可以自由鍵入16個輸入；隨機輸入時，由系統自行隨機鍵入16個輸入。點擊運行按鈕即可顯示出在當前輸入情況下對應的輸出。例如，利用隨機輸入功能，隨機輸入0、1數字到16個輸入端口，讓同學們說出所對應的輸出，再利用該界面進行驗證，也可以通過批量輸入和隨機輸入來簡化輸入過程。同時，也可以配合單個74HC148芯片的輸入輸出功能，進一步加深對16線-4線優先編碼器和“芯片串行拓展”功能的理解。

項目成果初期可為機電專業本科生理解和掌握模擬電子技術和數字電子技術的理論知識和提高實踐應用能力提供新的教學工具和教學方法，長期可進一步向其他相關專業和課程進行推廣，使更多的學生受益。

4 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用意義

綜上所述，參照本項目的實施及目前發展狀態和所獲成果，筆者認為模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用具有以下意義：

首先，實現模塊化機電系統教學仿真驗證軟件的開發，為機電專業本科生學習和掌握電子理論提供一種新的工具和手段；其次，實現模塊化隨堂仿真實驗在課堂教學環節中的合理、高效利用，為機電專業本科生深刻理解課堂所講授電子知識、深刻理解機電融合概念，以及建設一流本科專業提供新的教學方法。

機械電子工程專業鑒于其專業本身的綜合性和負責向，在培養過程中必須保證可以鍛造出能在生產一線從事機電產品設計制造、控制開發、應用研究和生產管理等工作的應用型高級專門人才。相比較于形象具體的機械類課程，電子類課程（特別是模擬電子技術）理論知識更加抽象，知識體系更加繁雜，實驗學時安排有限，并且目前機電專業本科生電子類課程尚缺乏機械和電子融合元素，使學生難以形成機電一體化的系統思維。本教改項目不僅開發了一種新的輕量化和模塊化的機電系統教學仿真驗證程序，同時為提高機械電子工程專業本科生深入理解電子類課程的基礎理論，提高機電融合思維和實踐能力提供了一種新的教學工具和手段。此項目僅僅是探索之后專業內容的一個參考，在今后的教學研究過程中，一線教師有必要始終在實踐中探索和發現，提出新的課堂教學方法和手段，變抽象理論為具體實踐，增強機電融合元素，以利于機電類專業的學生更好地掌握電子理論知識，形成機電系統性分析思維。通過教學改革創新，不斷推進機電專業學科建設和高質量人才培養貢獻應有之力。

2022年山西省高等學校教學改革創新項目，項目編號：J20220153 模塊化隨堂仿真實驗在機械電子工程專業電子類課程教學中的應用。

2022年山西省高等學校教學改革創新項目，項目編號：J20220136 機器人工程專業卓越工程師產教聯合培養探究與實踐。

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