机械电子专业课程的网络教学与实验

李伟

摘要 机械电子专业课程强调在项目研究实践中去掌握基础知识和设计方法，突出基础知识的综合运用、实践动手能力等的培养。传统课堂教学方式局限大，无法满足课程需要。本文提出采用远程教学与远程实验相结合的方式，提高机械电子专业课程的授课效果，设计了远程教学框架以及三类远程实验系统。

关键词 远程教学 远程实验 虚拟仿真

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.07.042

1网络教学与实验的必要性

在机械工程学科，机械结构、信号测量与自动控制技术密切关联，使现代机械设备成为机电一体化系统，机电一体化也成为我国机械行业发展的趋势。为适应这种发展趋势，机械工程专业课程，尤其是机械电子方向专业课程必须包括机电一体化设计、机电控制、测试技术、状态监测与诊断等内容。这类课程往往强调在学习中结合实践去掌握基础知识和设计方法，突出基础知识的综合运用、实践动手能力、研究与协作能力的培养。

目前，机械电子相关专业课程以传统课堂教学方式为主，其特点是立足课堂，以课本为中心，以教师讲授为主，形成单向的知识传递或灌输方式，学生的主观能动性未得到重视。机械电子专业相关课程的实验教学是课堂教学的重要补充，通过分组实验使得学生运用所学知识去解决实际的问题，激发学习兴趣，有利于加深学生对知识的理解，提高学生动手能力和团队协作能力，锻炼学生综合素质。一般实验教学时可供每个学生使用的设备资源有限，实验教学所需要的实验设备、实验器材和实验场地往往不能满足要求，限制了机械电子专业实验教学的有效开展。实验保障条件也在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。

网络教学是基于互联网技术、计算机技术的新型学习方式，区别于单纯的课堂教学，教师与学生可以在网络空间里以虚拟的方式进行有效的交流，并利用先进的多媒体技术丰富学习手段，同时提高学习效果。与课堂教学以教师为主不同，网络教学是以学生为主体，学生发挥自己的主观能动性，在网络上根据自己的时间和条件，自由地选择学习时间、学习内容，同时可以控制自己的学习进度。目前的网络教育主要着重于教学内容的呈现与讲解，用仿真的方式模拟实验仪器和电子类实验内容，不适用于复杂机电系统的实验教学，缺乏研究性学习的环节，尤其是涉及互动式的网络实验教学。

本文主要探讨网络教学与网络实验在机械电子专业相关课程的开展方式。

2网络教学与实验的作用

网络教学应该将传统课堂教学的要素，如课程内容、教学大纲、教学目标等，通过网络技术、计算机技术、多媒体技术进行展现，并在此基础上进行提升，使学生在快速掌握课程关键知识点的同时，通过网络实验灵活运用所学的知识点解决实际动手问题，锻炼学生自主学习和主动思维的能力。网络教学和网络实验应能够利用网络资源的共享性，不受地域和时间影响的特点，为学生提供便利的学习条件和实验条件。网络教学与实验所应起到的作用主要有：

（1）课堂教学的有益补充。课堂时间有限，学生对于相关知识点有可能没有完全掌握，可以通过网络教学中提供的多媒体课件、实验录像、补充材料等，反复学习，不受时间和地点的限制。

（2）实验教学的有益补充。对于实验比重较大的课程，可以通过将实验放在网络上，以网络实验的方式进行，扩大实验的地域范围和时间范围，如控制工程基础课可通过网络交互的方式进行实验，可以提高实验设备的利用率，尤其是一些数量少、价值高的实验设备，同样不受时间和地点的限制，开阔学生的视野，锻炼学生的思维。

（3）教师与学生之间有益的即时交流。课堂教学之后，学生有问题可通过网络及时与教师沟通，提高学习效率。特别是机电一体化设计、控制工程基础、测试技术、状态监测与诊断等课程、内容多，相对学时少，知识点抽象，往往需要学生课后复习来理解和消化。在这个过程中存在的疑问可以通过网络教学系统提出，教师看到问题后及时给予答复。这种交流可以是文字形式，也可以是语音形式。也可以通过现在使用范围极广的即时通讯系统，如微信等，实现课程信息的发布，加强教师与学生的高效交流。

3网络教学与实验系统框架

网络教学与网络实验均采用WEB技术实现。网络教学系统主要包括课程简介、课程大纲、教学日历、课程导学、作业库、留言板等功能部分；网络实验系统主要包括实验简介、实验大纲、实验操作说明、实验图像、实验结果分析与显示、实验报告等。

4网络教学系统开发

网络教学系统总体部分包括：课程简介、课程大纲、教学日历、练习题数据库、交流板块等，具体如下：（1）课程简介、教学大纲和教学日历。课程简介包括课程特点、先修课程、教学目标、应用前景、授课对象、教材与参考资料等；教学大纲包括教学目的、教学任务、教学内容、课时分配、考试方式等；教学日历包括每学期的课时和教学内容、作业等。（2）练习题数据库。编制针对教材各章节内容的全部练习题，教师可以从中选择题目作为作业，学生也可自选练习题作为补充作业，并检查作业和修正作业，提高学习效果。（3）交流板块。提供教师与学生的交流平台，并与微信等即时通讯平台连接，提高师生的交流效率，同时提供有关课程的最新信息。

网络实验系统主要包括实验简介、实验大纲、实验操作说明、实验图像、实验结果分析与显示、实验报告、安全守则等，具体如下：（1）实验简介和实验大纲。实验简介包括课程各个实验的特点、实验的目的和意义、实验过程的概述等；实验大纲包括课程各个实验的学时分配、要求等。（2）实验操作说明。主要包括实验具体的步骤、操作流程和注意事项等，学生需要按照操作说明完成实验。（3）实验图像。主要包括实验现场的照片和视频，采用流媒体技术，使学生更加直观地在网络上了解实验过程，并对实验过程进行监控。（4）实验结果分析与显示。采用图表技术，在网络实验平台直接实现对实验结果的实时显示，引导学生对实验结果进行分析，并显示分析结果。（5）实验报告。采用网上提交方式，完成学生实验报告的收取。（6）安全守则和紧急报警。部分实验可能具有一定的危险性或破坏性，网络实验系统中应详细描述实验的注意事项和要避免的错误操作等；同时应具备紧急停机和报警功能，能够在紧急情况下对实验停机，采取相应的保护措施。

5网络实验系统开发

机械电子专业方向课程中机电一体化设计、控制工程基础、测试技术、状态监测与诊断等的实验主要集中于机电系统的自动化，因此网络实验系统开发主要以机电系统的测量与控制为主体，主要包括机械参量测量与分析、控制算法或控制器设计、机电一体化系统虚拟设计等。

（1）机械参量测量与分析。针对典型的机电系统测量并分析其中主要的运行参量，可以采用真实的系统作为实验对象，操作指令与传感信号通过网络进行传输，并在WEB页面进行显示。以状态监测与诊断课程为例，常用的多功能转子实验台是一个综合性实验台架，安装振动、转速、噪声、位移、转矩、扭矩和力等机械参量测量的传感器，进行综合性的工程测试。采用.NET等技术，建立远程访问页面，页面具有对实验台进行起停的控制按钮，具有设置实验台运行特性的功能，同时能够同步显示各传感器的输出，并进行简单的分析，比如频谱分析、轴心轨迹等。

（2）控制算法或控制器设计。针对典型的机电系统控制可采用真实的系统或者虚拟的系统作为实验对象，控制器可在本地，也可在远程。通过网络进行控制指令和传感系统的传输，并在WEB页面进行显示。以控制工程基础为例，常用的倒立摆实验台，可对课程涉及的多种控制器设计方法进行验证实验。同样采用.NET等技术，建立实验系统远程访问与控制页面，页面具有对实验台进行起停的控制按钮，能够选择实验台的运行方式、控制器类型，能够设置控制器参数，并能够实时显示反馈量、控制量、系统输入和输出等关键信息。

（3）机电一体化系统虚拟设计。针对典型的机电系统设计，完全采用虚拟技术，机械部分动力学与运动学模型可在WEB页面提供，由学生完成传感器、控制器的选型或设计。系统模型可以采用MATLAB等实现，或采用已有的MATLAB模型，设计对象可以采用较为热门的机电系统，比如风力发电机、混合动力汽车、机器人平台等。综合采用.NET技术、MATLAB等，将运行于服务器的各种模型通过WEB页面显示出来，同时WEB页面能够设置模型运行参数和运行方式，并具备仿真结果的传输和显示功能。

以上三种远程实验系统均需具有安全保障措施和使用规范。如在实验室内应有人值守，应配备实时监控摄像头，图像信息可以远程访问；对于控制远程实验，应具备错误诊断能力，避免有问题的控制算法造成实验台的损坏。

6结束语

随着计算机及网络技术的发展和应用，实现基于Internet的网络教学将成为教育改革的一个方向。本文详细介绍了机械电子专业课程网络教学与实验系统，具有网络性、交互性和及时性等特点，可实现答疑、讨论等教学环节，也可实现高效的网络实验教学，可以有效地提高网络教学的优势和教学资源的利用率。