Matlab在机电一体化专业教改实践中的应用探讨

冯巧红，韩 江

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

Matlab在机电一体化专业教改实践中的应用探讨

冯巧红，韩 江

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

机电一体化人才是当前社会急需的复合型人才，但在目前的高职教育方式下培养出的人才在一定程度上还不能适应市场需求。本文在现有的机电一体化教改基础上，提出了一种新的具体的教学方案，以期适应现代化人才培养模式。

机电一体化；Matlab/Simulink；模块；仿真

一、引言

目前，教学改革（尤其是课程体系改革）已经成为各所高职院校不同发展时期的重要研究内容之一。伴随机电一体化技术的快速发展，国家对机电一体化人才的需求也日益扩大。以服务市场需求为目标的高职教育也就不得不因时而动，大力推进机电一体化专业的教学改革。随着改革的深入进行，几乎每所高职院校都已经形成了一套自己的改革方案。这些方案虽然在理论上基本成熟，但具体实施起来却总是差强人意，很难从真正意义上培养出真正适合社会需求的人才。其具体原因主要在教学环节的实施保障上面，主要体现为现有的教学模式和教学方法与改革发展不同步。

二、机电一体化专业的人才培养目标和教改现状

实行教学改革的首要任务必须先认清本专业人才的培养目标，只有知己知彼才能实现百战百胜。机电一体化专业要求的是“机”和“电”的“有机融合”，而非简单的“加和”。也就是说，机电一体化专业人才培养目标应该是在具备一定机械加工和机械设计基础上，能利用计算机、电气控制等知识和手段来控制机电产品。它既不同于传统的机械专业，也有别于电气专业和自动控制专业。因而，在课程设置上就要求能充分体现出“机”和“电”的融合。现在，许多院校都采用理论上比较成熟的模块化教学方式。不同院校有自己不同的模块方案，但总的来说，无外乎基础教学模块、机械基础模块、电气基础模块和控制基础模块等几个方面。这些模块教学方案从理论上来说是符合现实社会对机电一体化人才的需求的。但是，事实是，在这些模块化教学方式下培养出来的学生的水平、能力远远落后于我们的期望。究其缘由，既不是学院的浮于形式、落实不到位；也不是老师的教学水平低下，知识传授不深入；更不是学生的消极惰学，而是最终没有实现这些模块之间的有机结合。学生从不同的课程中学到了不同的知识，但这些知识只是一些零散的、彼此没有联接的散件。就好比一个人拥有了盖建一间房屋所需的足够的砖头和木料，但并等于他就可以建好一间房子。他必须还得有足够的水泥、砂浆等其他材料，把手中的砖头以一定方式垒砌起来，才能建好他要的房屋。我们的实际教学中就缺少了能系统的将现有的教学模块联接起来的一个纽带。在这里，我将向大家推出一个可以实现将现有的教学模块联系起来的方法：就是将Matlab/Simulink软件教学融入到模块化教学当中，实现不同模块的有机结合。

三、Mat lab/Simul ink简介

MATLAB的含义是矩阵实验室（Matrix Laboratory）。是1980年美国MathWork公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个平台上，用户只需对所要解决的问题简单地列出数学表达式，就可以数值或是图形的方式得到求解。经过20年的完善和发展，MATLAB由早期的3.x（DOS）版本到今天的MATLAB7.0(R14)版本，其功能在逐步强大。它不仅作为一个有力的数学工具，更成为了众多科学领域的实用工具。获得了国际学术界的一致认可，是学术研究部门也是进行高效研究和开发首选的软件工具。如美国的National Instruments公司的信号测量和分析软件LabVIEW，Cadence公司的信号和通信分析软件SPW等，都是直接建立在MATLAB之上，或是以MATLAB为主要支撑；又如TM公司的DSP，HP公司的VXI硬件，Gage的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。从一定程度上可以说，目前在相关领域还没有能与之匹敌的计算机软件。

Simulink是MATLAB环境下的工具软件包。它主要用于动态系统的建模、仿真和分析。它可进行线性系统和非线性系统分析，还可进行连续时间、离散时间或是混合分析。它的界面更加友好，他提供了丰富的模块库，用户只需将自己需要的模块直接拖放到屏幕中并将它们联系起来即可。同时，它的开放式的结构和交互式的仿真方式也为众多行业人员所推崇。它不仅可以使我们方便快捷地建立各种模型，而且可以让我们清晰地了解各个器件、各个系统之间的关系。而且，Simulink在仿真领域得到了广泛的信任和认可，许多软件都支持。它可以用于航空、电力、机械、通信甚至社会和经济等多个领域。

四、Mat lab在机电一体化专业教改中的实践应用

将Matlab/Simulink软件教学引入高职机电一体化专业教学中，并不是要求将它作为一门独立学科进行教学，而是将软件学习融入到不同模块教学过程中，也就是化整为零，将Matlab分解为几个部分，分别贯穿到不同的学科教学中。其具体实施方案如下：

首先，在基础模块教学中插入Matlab的基础入门。高等数学是一门理论性很强的基础学科，是工科学生的必修必考课。一直以来，数学教学过程中都是“教师讲、学生听”，这种教学方式不但容易让学生厌倦，也不利于培养学生的动手能力和解决实际问题的能力，更不适应现代社会发展的需求。如果在课堂教学中引入Matlab软件基础教学，利用Matlab强大的计算功能，将某些复杂的数值计算简单化，一些抽象的概念具体化和形象化，可以使众多复杂而繁琐的计算过程得以简化。这不但让学生从繁重的计算工作中解放出来，通过程序的输入，还可以使学生在潜移默化中理解一些运算的数学原理，同时，还能提高他们的计算机操作技巧。让学生从被动的听课、手工的计算转为计算机的实际操作，在很大程度上可以提高他们的学习兴趣。

第二，在电气模块教学中贯穿Matlab/Simulink/SimPowersystem的学习使用。在电气知识教学中，经常需要对一些简单或是复杂的电路进行计算和分析。在人们印象中，电学是枯燥无味的，因为它看不见、摸不着（当然也不能摸），尽管现在也出现了很多的电路仿真软件（如EWB、Multism等），可以实现电路的实时仿真和分析，但是这些软件在很大程度上都局限于一定范围内的仿真，而且缺乏与其他软件的接口。而Simulink下的SimPowersystem工具箱则提供了大量的用于电类系统的仿真，它可以用于电路、电力电子、电机系统、电力传输等领域的仿真。而Matlab最大的优点就是它可以实现多种软件的联接和支持。在电类课程教学中，可以通过建立电类仿真模型具体分析电路的实际波形和电机的运行特性。让学生在此平台上构建一些实用的电路模型，帮助他们观察和分析电路的各种状态并可以了解电路的具体原理。如在这里可以让学生自己动手构建三相整流、滤波、稳压、逆变等线路并实现对三相电机的控制，并且将这些模型封装为子系统加以保存，以备后用。

第三，在机械模块教学中，融合SimulinkSim/Mechanics的学习使用。在机械模块教学中，要涉及到机械原理和一些简单的机械系统的设计和分析。而Simulink则为我们提供了一个构建系统模型的简易操作平台，并且不需要复杂的运算和繁琐的作图。如在Simulink下可以构建一些液压系统模型，设置好参数，就可以实时观察液压系统的动态响应和运动过程。同时SimMechanics还提供了大量的机械模块可直接利用它们实现一些简单机构的运动模型，并且可以随时改变其约束条件和联接方式，及时观察所设机构在变参数下运行时的工作特性。如果可能，还可以做成动画模式，也就是把书上的机构变活，提高了学习过程的趣味性。另外，我们还可以将我们学习过程中利用其他一些建模软件（如PRO/E、UG、SolidWorks）所建立的实体模型添加到SimMechanics中以供所需之用。

第四，在控制基础教学中，充分综合Matlab/Simulink的实际使用。在学习控制理论过程中，正好充分利用前面所学的Matlab/Simulink的知识来实现运算、建模和分析等环节来实现控制系统仿真功能。将学习过程中繁琐的拉氏变换、复杂的频域响应曲线、烦人的波特图的绘制全部交给计算机来完成，正好将前面分散学习的Matlab知识全部综合起来，完成这一学科的完整学习，并利用它来实现我们的关于“机”和“电”的结合。

最后，可以在老师的指导或是布置下，进行机电一体化毕业设计。课题主旨就是建立一个完整的机电控制系统并对其仿真分析。如实现直流电机的双闭环调速并用它完成对具体对象的运动控制等。而完成这一任务所需的知识和素材都包含在平时的学习过程中，我们只需将平时课程学习中所建立的各个子系统调出，通过Simulink将它们以一定方式联接起来即可。这既是对三年所学的全部总结，也是对以前全部学习的复习。经过这一系统的学习和最终的综合，学生对机电系统应该有了比较全面的认识和了解。其知识水平和学习能力可以大幅提高，真正成为知识经济社会所需的机电一体化专业人才。

五、总结

从上面的实施过程来看，Matlab正好作为一条联接各个教学模块的纽带，将原本分散的各个模块有机地结合起来，真正意义上实现了学习过程的连续性和完整性。另外，Matlab也是从事不同行业的研究人员的首选工具，广泛应用于各行各业。通过三年的不间断学习，学生可以掌握它的基本应用，还可以在今后的实际工作中继续学习和使用，从一定程度上来说，这又为终身教育奠定了一定的基础。当然，完全按照这个方案进行教学环节的设计，对我们的老师也就毋庸置疑地提出了更高的要求。它要求我们老师必须先掌握这一软件的使用，并能将之有机地结合到实际教学中，这需要我们的老师付出很多甚至是艰辛的努力才能实现。但是，我想这应该不能成为反对这一方案的理由，因为在高职教改中，强化师资力量建设应该是重中之重，是改革发展的核心因素，也是改革实施的保障。以上是基于我多年的教学经验和大量的调查研究基础上的设想，希望以此为契机，抛砖引玉，引发高职教育的进一步改革和快速发展。

G712 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1671-5993（2010）03-0019-03

2010-05-10

冯巧红（1974-），女，安徽天长人，合肥工业大学机械与汽车学院在读研究生。