机电系统动力学建模与仿真课程教学改革探索

吴小勇 邹 政 张凯飞 王玉金

(重庆理工大学机械工程学院 重庆 400054)

机电系统动力学建模与仿真是机械电子工程专业中的一门重要课程，它是机械、电子、控制、信息、计算机、人工智能、管理等诸多理论体系的集合。现如今，国内外许多大学的机电系统动力学建模与仿真课程主要是由机械工程、电子工程、计算机科学以及控制工程中的部分课程整合而成[1]。掌握机电系统动力学规律，可以避免在机电系统的设计、生产及运行过程中造成不必要的动力学破坏，同时可以合理化设计机电系统，使得系统具备最优动力学操作性能[2]。

本课程的目的是让机械电子工程专业的学生在学习期间了解机电系统动力学分析的基本理论、解决问题的具体手段和前沿方法[3]，初步掌握机电耦合系统的建模及计算机仿真的实现。学习系统参数对动力学性能的影响规律，利用相关仿真软件，能在计算机上模拟和分析实际机电系统的动力学特性，从而实现对机电系统的动态设计。通过这门课程的学习，培养学生的机电系统的一体化设计思路，使学生掌握机电系统设计与仿真的能力，为毕业后成为合格的机电工程师打下牢固基础[4]。

重庆理工大学机电系统动力学建模与仿真课程为机械工程学院本科生选修课，授课课时为32学时，学习内容多、教学课时少。具体而言，在课程教学过程中存在下列问题：1.学习难度大，难以调动学生兴趣启发内驱力。2.部分教学内容晦涩难懂，缺乏启发式教学案例。3.学习多停留于纸面，缺少实践动手机会。针对上述问题，本文进行了深入广泛的探讨，以期提升课程教学质量。

一、激发学习内驱力

步入大学时代，学生的三观逐渐成熟，因而开始有了相对明确的学科发展目标和专业规划。同时，大学生开始有了较强的自学能力和求知欲望，故而希望专业教师能指导其知识体系发展。作为选修课而言，学生的来源较为广泛[5]。从选课意愿来说，部分学生对自己的学习方向和学习兴趣较为明确，因而选课意愿较为主动，学习动力较强。另一部分学生缺乏对专业的了解，选课时多是随波逐流，或是迫于毕业学分要求而被动选课，因而学习动力不强。就学习基础而言，部分学生学习态度端正，学科基础知识牢靠；另一部分学生则缺乏学习目标，基础知识较为薄弱。整体而言，学生整体学习意愿和学习基础存在一定的差异性。另一方面，机电系统动力学建模与仿真课程涉及多学科内容，对于机电专业学生而言需要补充的知识较多，学习难度较大，不可避免地会产生一定程度的“畏难”情绪。

为此，授课过程中可增加形象有趣的应用案例，体现本课程的重要性，调动学生学习兴趣，激发学习内驱力，进而降低“畏难”情绪。一方面，系统论述所在学科发展历史，详细讲解对应理论研究方向，剖析研究难点和热点，探讨本学科的重要性，逐步激发学生学习热情。另一方面，将时事工程热点话题与学科方向结合。如最近登陆火星的祝融号火星车（图1所示），其本身就是一个复杂的机电系统，由此分析其动力学问题，突显机电系统动力学的重要工程应用价值。同时，将学科研究与生活相结合。如助老助残机器人，其本质也是一个机电系统，通过其动力学分析体现学科研究给生活带来的便利性。总之，通过多层次应用案例讲解，明确本课程的价值，调动学生学习积极性，激发其学习兴趣，由此加强学生学习内驱力，从被动学习转换到主动学习，进而充分发挥学习主观能动性。

图1 祝融号火星车

二、启发式教学案例

机电系统动力学建模与仿真涉及的基础理论知识较为晦涩抽象，如果重点放在数学层面的公式推导上，课程将变得十分枯燥，学生也很难理解机电系统动力学理论背后的真正原理。不少大学生思维固化，缺乏举一反三的能力，其中一个重要的原因就是过分重视知识的学习而忽视了对理论背后基本原理的理解，故而缺乏创新能力。客观来讲，大学阶段学习科目多，充分了解知识原理才能达到良好的学习目的。也只有通过知识原理的掌握，才能达到触类旁通的效果，进而保障学习行为的持久性。

为保证学生充分了解课程背后的知识原理，本课程拟借鉴相关教学实践中的成功案例，设计不同层次的启发式教学案例。例如，在讲解动力学建模方法时，设计了如图2所示曲柄滑块机构动力学算例。分别建立基于拉格朗日方程和牛顿-欧拉法的动力学方程，并通过MATLAB数值仿真和ADAMS虚拟样机仿真分析对算例进行分析。计算结果表明，两种方法得到的结果是一致的，通过深层次的推导发现两种方法本质原理是一致的，由此使学生明白两者原理的等价性，进而对动力学分析的原理有更加充分的认识。

图2 曲柄滑块机构

在学生学习阶段，教师是学生最直接的指导者，教师可以试图将自己的研究课题融入课堂。如本课题组参研了风洞多体动力学搭载机构研究，由此引导学生进行基础动力学建模。事实上，看似高大上的动力学模型实质也是搭建在最为基础的动力学原理上的，进一步突显基础原理的重要性。通过上述启发式案例，让学生深刻了解系统动力学背后的工程原理，引导学生对基础原理进行深层次的探索。

三、项目驱动实践

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。课程教学多停留于纸面，缺少实践动手机会，不利于知识的融会贯通和创新能力的培养。实践平台可以为学生提供“做中学”的机会，培养学生的创新能力。但由于经费、师资等限制，课程实践缺乏有效指导，创新效率低，项目内容可持续性较差，而基于项目驱动的课程实践则可解决该问题。

基于项目驱动的课程实践能力培养，重点是解决“做什么”的问题。一方面，构建基于项目驱动的实践教学体系，将实践能力培养分为构思、设计、实现、运作等环节，使学生的实践能力呈双螺旋式发展。基于项目驱动的实践教学体系，使学生在内驱式的全生命周期项目实践中提升自主学习能力、项目管理能力以及创新实践能力。另一方面，提倡基于项目驱动的实践教学内容与教学方式。以机电产品创新设计展开课程实践，通过连续的子项目训练，最终完成综合性项目实践。教学方式上可以依靠课外导师，学生结合兴趣和导师研究方向，开展有价值的项目实践。再者，综合国际国内在机电一体化方面的各级比赛，打造机电工程专业竞赛体系。通过参加各种积极、具有明确主题的机电学科竞赛，激发学生的创新思维，提升实践能力和解决复杂工程问题的能力。

四、结束语

本文针对机电系统动力学建模与仿真课程教学实践遇到的一些问题进行了深入的探讨，具体研究工作如下：1.增加了形象的应用案例，体现本课程的重要性，调动学生学习兴趣，激发学习内驱力，进而降低“畏难”情绪。2.设计了不同层次的启发式教学案例，增加了课程的趣味性，使学生明白课程知识背后的原理性。3.基于项目驱动实践，促进知识的融会贯通和创新能力的培养。本课题研究为机电系统动力学建模与仿真课程教学质量的提升提供了理论支撑，也可为机械电子工程专业其他课程的教学改革提供借鉴。