《机械工程控制基础》实践教学改革探索.pdf

108 Academic and Practise 学术与实践机械工程控制基础实践教学改革探索袁奎，张富贵，吴怀超，喻丽华（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）摘要：本文系统总结了在机械工程控制基础实践教学中使用 DRlab 快速可重组基础实验平台的应用情况。该平台可以完成机械工程控制基础“测试技术”“传感器原理与应用”和“测控综合实验”等实验实践教学任务，同时给本科或者研究生参加相关创新设计大赛提供相应的实验支撑平台。通过该实验平台的应用，不仅可以提高学生对机械工程控制类课程的学习积极性,培养学生综合运用相关专业知识的能力，还可以锻炼学生的实际动手能力，从而加强学生的创新能力。关键词：机械工程；测试技术；DRlab；实验平台；创新基金项目：2020 年度教育部新农科研究与改革实践项目“农机专业信息技术与教育教学深度融合实践”（教高厅函202020 号）。作者简介：袁奎，男，贵州大学机械工程学院实验师。张富贵，男，博士，贵州大学机械工程学院教授、硕士生导师。吴怀超，男，贵州大学机械工程学院教授、博士生导师。喻丽华，女，博士，贵州大学机械工程学院正高级实验师。机械工程控制基础作为机械制造及其自动化、农业机械化及其自动化、车辆工程、机械电子工程、机械设计和材料成型等机械类专业的必修课程，其基础理论是经典控制原理，是一门以机械系统为研究对象的系统动力学方法和理论。该课程内容侧重相关原理的学习，密切贴合工程实际，已成为机械相关学科必修的基础课程1。由于课程的专业性比较强，存在概念抽象、理论性强、知识面广、对基础要求较高、偏重于工程实践应用等特点，采用传统的课堂教学模式授课，学生普遍反袁奎，张富贵，吴怀超，喻丽华：机械工程控制基础实践教学改革探索109映该课程难度较大，不易理解，学习枯燥乏味。因此，将理论课程教学与实验实践教学紧密结合起来，使学生对该类课程由感性认识层次提升到理性认识层次，可以达到提高教学质量的目的2，3。现阶段，国内高校正大力开展工程教育专业认证体系建设以及新工科建设的相关工作，需要高校通过理论课程教学体系、实验实践教学体系和企业生产实践等多样化措施，来提升学生分析解决较为复杂工程问题和进行科学技术创新的能力。然而，目前大多数高校在实验实践教学和企业生产实践等方面存在诸多困难：一是出于多数企业在生产安全管理方面的要求，导致在校学生参与企业实践的机会减少；二是高校实验实践教学环节的增设，必然会导致学校实验设备的购置成本和维护资金的投入增加，还会增大实验室资产设备的管理难度。虚拟仿真技术的大范围推广和应用，符合我国高等教育信息化和智能化的发展趋势，加之受新冠肺炎疫情影响，高校无法正常开展线下教学课程，需辅之以线上教学手段才能完成教学任务。理论课程尚有比较成熟的教学平台，比如钉钉、腾讯会议和雨课堂等软件，但实验实践教学和生产企业实践则较为被动。将虚拟仿真教学技术应用于机械工程控制基础课程和实验实践教学，能很好地解决上述问题。基于机械工程控制基础课程的教学大纲体系和机械工程专业的培养目标，利用软件总线和芯片结构构建虚拟仿真快速可重组实验平台，将虚拟仿真技术应用于课程的课堂和实验实践教学过程中，为高校学生提供一个全天候、全时段开放的虚拟仿真实验平台，使学生能充分利用课程所学的基础理论知识解决工程实际问题，提高学生的工程实践应用能力和学习的积极性。一、实验平台简介贵州大学机械工程学院德普施 DRlab快速可重组基础实验平台包括 DRVI 可重组虚拟仪器平台、DRLink 可重组计算机控制平台、各种传感器及实验设备。其中，DRVI/DRLink 是基于芯片结构和软件总线的原理搭建的快速可重组实验开发平台。两者是利用虚拟软件总线的开放式结构和具备即插即用特性的 COM/DCOM 组件来开发的具有模块化组装特点的计算机硬件，是一种可在线编程、调试和重组的新型计算机控制基础虚拟实验系统，在实验实践教学、远程教育以及科学实验等诸多领域中获得广泛应用。DRlab 快速可重组实验平台的设计思想，是根据小汽车和 PC 机的组装生产方110 Academic and Practise 学术与实践式，通过将计算机虚拟仿真仪器测试分析系统拆分为一个软件组装底盘结构和多个能实现独立功能的模块化软部件。之后，基于测量和测试任务的需求，用软体底盘结构把所需的模块化软部件组装起来，形成一个能满足特定测试和控制需求的系统。当测试和控制任务发生改变时，对软体底盘结构所组装的模块化软部件进行重新组合和装配，即可快速更新为另一个新的测量和控制系统。DRlab 的主体结构为一个具备数据总线和软件控制总线的软主板，在其上可快速插接相关的仪器表盘、软波形显示芯片、软信号分析处理电路和软信号发生器等软件芯片组，且能与信号采集硬件（如 I/O 接口、A/D 数据采集卡等）进行组装与连接。此外，在以软件总线为基础的控制面板上，实验平台直接通过较为简单的可视化即插即用软件芯片和连线，就能完成对仪器和部件功能的增减、重构和定制，从而快速构建一个按实际工程应用需求制定的虚拟仪器测量和控制系统。虚拟仪器软件总线结构如图 1 所示。该实验装置可以满足机械类学科中相关专业课程的实验实践教学任务，在机图 1虚拟仪器软件总线结构图袁奎，张富贵，吴怀超，喻丽华：机械工程控制基础实践教学改革探索111械工程控制基础课程中，可以在控制理论、典型信号处理、典型控制系统分析和PID 控制器校正等方面提供一整套网络化创新实验室解决方案，同时完成控制系统动态性能试验、时域和频域的分析方法和稳定性试验等4。这些实验涉及许多测试和控制基础理论知识和相关专业知识，包括测试技术、传感器原理及应用、机械控制工程基础知识5，6。该装置广泛适用于机械制造及其自动化、农业机械化及其自动化、车辆工程、机械电子工程、机械设计和材料成型等机械类专业，能根据应用需求快速组建一个高水平的实验室，提升学科建设水平。二、实验技术和方法该平台的建设旨在培养学生获取知识、处理信息及综合运用知识的能力，提出问题、分析问题及解决问题的能力以及大胆质疑、敢于探索、勇于创新的能力。在实验过程中，指导教师应积极引导学生按照实验室相关要求使用平台，最大限度地发挥学生的主动性和能动性。学生在实验过程中不再盲目地为完成实验而做实验，而是实验前有思考，实验过程中有创新，实验完成后有收获，设计、操作、实践能力都得到全方位的锻炼。具体操作过程如下：第一，实验前，指导教师提出要求，学生独立完成选题、提出设计思路、拟定实施方案等，旨在培养学生的独立思考能力。第二，实验过程中，学生根据设计方案跨专业选择团队伙伴，自己动手制作、改装相应的实验装置，并进行相关实验，旨在培养学生的动手能力及团队合作能力。第三，学生根据实验结果，分析实验数据，得出实验结论，提交具有独立见解的实验报告。对具有一定创新性的实验成果，鼓励学生整理成论文或申报应用型专利，培养学生的分析能力。第四，有意识地增加学生自主设计和动手的机会。在实验内容上，逐步从验证性实验过渡到创新性、设计性实验；在实验次序上，由简单到复杂，由浅入深，循序渐进。从验证性常规实验到设计性综合实验，最后进行自主性创新性实验和自主研发实验。在 DRlab 快速可重组实验平台中，全部的实验仿真结果提供数据化和图形化两种输出形式。其中，一般的实验仿真结果直接通过计算机绘图软件绘制出来，其更形象、准确和直观，且能在实验参数改变时，和实验仿真结果的曲线绘制在同一界面进行比较，从而方便学生对实验结果进行分析。若需要保存实验仿真结果相关数112 Academic and Practise 学术与实践据，则可将实验仿真结果保存到硬盘，便于后续调用。三、DRlab 快速可重组实验平台实验教学的优点1.提高学生的学习兴趣在运用 DRlab 快速可重组实验平台搭建实验系统的过程中，通过在软主板进行快速插装，教师在指导实验过程中边讲授边实验，节约时间，实验效果较好。平台可以开展测试技术、机械工程控制基础和传感器原理及应用等方面的实验实践教学，实验操作简单可行。学生可以选择自己感兴趣的实验并积极投入到实验当中，加深对课堂相关理论知识的理解。2.提高学生动手和思考问题能力和传统的实验实践教学相比，DRlab可重组实验平台可以让学生亲自动手搭建实验系统，同时在实验运行过程中不断发现问题，并努力寻找问题的答案，提高学生动手操作和思考问题的能力。3.提高学生分析和解决问题能力学生在搭建好实验系统后，可根据实际需求调节芯片的设置参数。通过运行搭建的实验系统，得到实验数据和实验结果；通过对实验数据进行分析和处理，可以根据课堂理论知识验证实验结果的正确性，从而提高分析和解决问题的能力。4.培养学生创新能力基于 DRlab 快速可重组实验平台搭建的实验系统绝大多数都是综合性的实验，若想取得较好的实验效果，就要求学生能够综合运用测试技术、传感器和电机拖动等课程的相关知识，如此一来，在一定程度上能够激发学生的学习激情，培养创新能力。相对于传统实验实践教学平台，作为虚拟仿真技术范畴的 DRlab 快速可重组实验平台具备收益面广、运行维护成本较小等明显优势。依托该虚拟仿真软件平台，学生可以团队形式完成自主设计的综合性创新实验项目。同时，在查阅文献资料、设计项目实验方案、实验系统搭建、实验数据采集及实验数据分析等过程中，也能培养学生的实验实践动手能力、综合创新能力及项目团队协作能力。5.为学生的科研训练和创新项目提供支撑平台学生可以根据实际工业生产的具体过程和相关创新项目的要求，搭建实验系统、编写实验程序等。在这一过程中，可以加强学生对相关专业基础知识的理解和对专业知识的综合应用能力，为学生进行科研训练和创新项目提供支撑平台。6.提高教师的教学水平DRlab 快速可重组实验平台不仅满足了袁奎，张富贵，吴怀超，喻丽华：机械工程控制基础实践教学改革探索113相关课程的实验实践教学任务，同时也对教师的教学水平提出了更高的要求。该平台涉及的相关专业知识非常广，教师若要取得良好的教学效果，必须掌握测试技术、传感器原理及应用和电机拖动等领域的相关知识，从而促使教师提高理论和实验教学水平。四、总结贵州大学机械工程学院实验中心的德普施 DRlab 快速可重组实验平台，不仅可以完成机械工程控制基础课程的实验实践教学任务，还可辅助完成“测试技术”“传感器原理与应用”和“测控综合实验”等实验实践教学环节。借助虚拟仿真技术，将理论课程中遇到的抽象问题具体化，将理论知识实践化，让学生主动参与到实验过程当中，变被动为主动，真正成为实验教学的参与者，从而提高学习兴趣。通过相关实验教学环节，提高学生动手、思考、分析和解决问题的能力，从而激发学生的学习的积极性，培养学生创新能力。在平台上开展综合性和创新性的实验，可以增强学生对课堂理论知识的掌握程度，同时加强学生综合运用相关专业知识的能力。参考文献：1 杨叔子.机械工程控制基础 M.武汉.华中科技大学出版社.2003:118-120.2 吕俊燕,杨瑞青,陈福德.基于 OBE 理念的机械工程控制基础课程教学改革 J.汽车实用技术,2022,47(13):138-141.3 杨凯,李浩东.机械工程控制基础混合式教学模式探索 J.中国教育技术装备,2021(24):57-59+65.4DRlab 用户使用手册 M.武汉.德普施科技有限公司.2020：15-20.5 张春华.工程测试技术基础 M.武汉.华中科技大学出版社.2014:85-94.6 刘迎春.传感器原理设计与应用 M.第四版.长沙.国防科技大学出版社.2007:210-215.