機械電子專業(yè)課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗論文

　　機械電子專業(yè)課程強調(diào)在項目研究實踐中去掌握基礎(chǔ)知識和設(shè)計方法，突出基礎(chǔ)知識的綜合運用、實踐動手能力等的培養(yǎng)。傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式局限大，無法滿足課程需要。本文提出采用遠程教學(xué)與遠程實驗相結(jié)合的方式，提高機械電子專業(yè)課程的授課效果，設(shè)計了遠程教學(xué)框架以及三類遠程實驗系統(tǒng)。

　　1網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗的必要性

　　在機械工程學(xué)科，機械結(jié)構(gòu)、信號測量與自動控制技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，使現(xiàn)代機械設(shè)備成為機電一體化系統(tǒng)，機電一體化也成為我國機械行業(yè)發(fā)展的趨勢。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，機械工程專業(yè)課程，尤其是機械電子方向?qū)�業(yè)課程必須包括機電一體化設(shè)計、機電控制、測試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與診斷等內(nèi)容。這類課程往往強調(diào)在學(xué)習(xí)中結(jié)合實踐去掌握基礎(chǔ)知識和設(shè)計方法，突出基礎(chǔ)知識的綜合運用、實踐動手能力、研究與協(xié)作能力的培養(yǎng)。

　　目前，機械電子相關(guān)專業(yè)課程以傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式為主，其特點是立足課堂，以課本為中心，以教師講授為主，形成單向的知識傳遞或灌輸方式，學(xué)生的主觀能動性未得到重視。機械電子專業(yè)相關(guān)課程的實驗教學(xué)是課堂教學(xué)的重要補充，通過分組實驗使得學(xué)生運用所學(xué)知識去解決實際的問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于加深學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生動手能力和團隊協(xié)作能力，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)。一般實驗教學(xué)時可供每個學(xué)生使用的設(shè)備資源有限，實驗教學(xué)所需要的實驗設(shè)備、實驗器材和實驗場地往往不能滿足要求，限制了機械電子專業(yè)實驗教學(xué)的有效開展。實驗保障條件也在一定程度上影響了實驗教學(xué)的開展和學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)的新型學(xué)習(xí)方式，區(qū)別于單純的課堂教學(xué)，教師與學(xué)生可以在網(wǎng)絡(luò)空間里以虛擬的方式進行有效的交流，并利用先進的多媒體技術(shù)豐富學(xué)習(xí)手段，同時提高學(xué)習(xí)效果。與課堂教學(xué)以教師為主不同，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是以學(xué)生為主體，學(xué)生發(fā)揮自己的主觀能動性，在網(wǎng)絡(luò)上根據(jù)自己的時間和條件，自由地選擇學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時可以控制自己的學(xué)習(xí)進度。目前的網(wǎng)絡(luò)教育主要著重于教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)與講解，用仿真的方式模擬實驗儀器和電子類實驗內(nèi)容，不適用于復(fù)雜機電系統(tǒng)的實驗教學(xué)，缺乏研究性學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，尤其是涉及互動式的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)。

　　本文主要探討網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)實驗在機械電子專業(yè)相關(guān)課程的開展方式。

　　2網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗的作用

　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)該將傳統(tǒng)課堂教學(xué)的要素，如課程內(nèi)容、教學(xué)大綱、教學(xué)目標等，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)進行展現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上進行提升，使學(xué)生在快速掌握課程關(guān)鍵知識點的同時，通過網(wǎng)絡(luò)實驗靈活運用所學(xué)的知識點解決實際動手問題，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動思維的能力。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)實驗應(yīng)能夠利用網(wǎng)絡(luò)資源的共享性，不受地域和時間影響的特點，為學(xué)生提供便利的學(xué)習(xí)條件和實驗條件。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗所應(yīng)起到的作用主要有：

　　(1)課堂教學(xué)的有益補充。課堂時間有限，學(xué)生對于相關(guān)知識點有可能沒有完全掌握，可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中提供的多媒體課件、實驗錄像、補充材料等，反復(fù)學(xué)習(xí)，不受時間和地點的限制。

　　(2)實驗教學(xué)的有益補充。對于實驗比重較大的課程，可以通過將實驗放在網(wǎng)絡(luò)上，以網(wǎng)絡(luò)實驗的方式進行，擴大實驗的地域范圍和時間范圍，如控制工程基礎(chǔ)課可通過網(wǎng)絡(luò)交互的方式進行實驗，可以提高實驗設(shè)備的利用率，尤其是一些數(shù)量少、價值高的實驗設(shè)備，同樣不受時間和地點的限制，開闊學(xué)生的視野，鍛煉學(xué)生的思維。

　　(3)教師與學(xué)生之間有益的即時交流。課堂教學(xué)之后，學(xué)生有問題可通過網(wǎng)絡(luò)及時與教師溝通，提高學(xué)習(xí)效率。特別是機電一體化設(shè)計、控制工程基礎(chǔ)、測試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與診斷等課程、內(nèi)容多，相對學(xué)時少，知識點抽象，往往需要學(xué)生課后復(fù)習(xí)來理解和消化。在這個過程中存在的疑問可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)提出，教師看到問題后及時給予答復(fù)。這種交流可以是文字形式，也可以是語音形式。也可以通過現(xiàn)在使用范圍極廣的即時通訊系統(tǒng)，如微信等，實現(xiàn)課程信息的發(fā)布，加強教師與學(xué)生的高效交流。

　　3網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗系統(tǒng)框架

　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)實驗均采用WEB技術(shù)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)主要包括課程簡介、課程大綱、教學(xué)日歷、課程導(dǎo)學(xué)、作業(yè)庫、留言板等功能部分;網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)主要包括實驗簡介、實驗大綱、實驗操作說明、實驗圖像、實驗結(jié)果分析與顯示、實驗報告等。

　　4網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

　　網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)總體部分包括：課程簡介、課程大綱、教學(xué)日歷、練習(xí)題數(shù)據(jù)庫、交流板塊等，具體如下：

　　(1)課程簡介、教學(xué)大綱和教學(xué)日歷。課程簡介包括課程特點、先修課程、教學(xué)目標、應(yīng)用前景、授課對象、教材與參考資料等;教學(xué)大綱包括教學(xué)目的、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、課時分配、考試方式等;教學(xué)日歷包括每學(xué)期的課時和教學(xué)內(nèi)容、作業(yè)等。

　　(2)練習(xí)題數(shù)據(jù)庫。編制針對教材各章節(jié)內(nèi)容的全部練習(xí)題，教師可以從中選擇題目作為作業(yè)，學(xué)生也可自選練習(xí)題作為補充作業(yè)，并檢查作業(yè)和修正作業(yè)，提高學(xué)習(xí)效果。

　　(3)交流板塊。提供教師與學(xué)生的交流平臺，并與微信等即時通訊平臺連接，提高師生的交流效率，同時提供有關(guān)課程的最新信息。

　　網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)主要包括實驗簡介、實驗大綱、實驗操作說明、實驗圖像、實驗結(jié)果分析與顯示、實驗報告、安全守則等，具體如下：

　　(1)實驗簡介和實驗大綱。實驗簡介包括課程各個實驗的特點、實驗的目的和意義、實驗過程的概述等;實驗大綱包括課程各個實驗的學(xué)時分配、要求等。

　　(2)實驗操作說明。主要包括實驗具體的步驟、操作流程和注意事項等，學(xué)生需要按照操作說明完成實驗。

　　(3)實驗圖像。主要包括實驗現(xiàn)場的照片和視頻，采用流媒體技術(shù)，使學(xué)生更加直觀地在網(wǎng)絡(luò)上了解實驗過程，并對實驗過程進行監(jiān)控。

　　(4)實驗結(jié)果分析與顯示。采用圖表技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)實驗平臺直接實現(xiàn)對實驗結(jié)果的實時顯示，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析，并顯示分析結(jié)果。

　　(5)實驗報告。采用網(wǎng)上提交方式，完成學(xué)生實驗報告的收取。

　　(6)安全守則和緊急報警。部分實驗可能具有一定的危險性或破壞性，網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)中應(yīng)詳細描述實驗的注意事項和要避免的錯誤操作等;同時應(yīng)具備緊急停機和報警功能，能夠在緊急情況下對實驗停機，采取相應(yīng)的保護措施。

　　5網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)開發(fā)

　　機械電子專業(yè)方向課程中機電一體化設(shè)計、控制工程基礎(chǔ)、測試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與診斷等的實驗主要集中于機電系統(tǒng)的自動化，因此網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)開發(fā)主要以機電系統(tǒng)的測量與控制為主體，主要包括機械參量測量與分析、控制算法或控制器設(shè)計、機電一體化系統(tǒng)虛擬設(shè)計等。

　　(1)機械參量測量與分析。針對典型的機電系統(tǒng)測量并分析其中主要的運行參量，可以采用真實的系統(tǒng)作為實驗對象，操作指令與傳感信號通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，并在WEB頁面進行顯示。以狀態(tài)監(jiān)測與診斷課程為例，常用的多功能轉(zhuǎn)子實驗臺是一個綜合性實驗臺架，安裝振動、轉(zhuǎn)速、噪聲、位移、轉(zhuǎn)矩、扭矩和力等機械參量測量的傳感器，進行綜合性的工程測試。采用.NET等技術(shù)，建立遠程訪問頁面，頁面具有對實驗臺進行起停的控制按鈕，具有設(shè)置實驗臺運行特性的功能，同時能夠同步顯示各傳感器的輸出，并進行簡單的分析，比如頻譜分析、軸心軌跡等。

　　(2)控制算法或控制器設(shè)計。針對典型的機電系統(tǒng)控制可采用真實的系統(tǒng)或者虛擬的系統(tǒng)作為實驗對象，控制器可在本地，也可在遠程。通過網(wǎng)絡(luò)進行控制指令和傳感系統(tǒng)的傳輸，并在WEB頁面進行顯示。以控制工程基礎(chǔ)為例，常用的倒立擺實驗臺，可對課程涉及的多種控制器設(shè)計方法進行驗證實驗。同樣采用.NET等技術(shù)，建立實驗系統(tǒng)遠程訪問與控制頁面，頁面具有對實驗臺進行起停的控制按鈕，能夠選擇實驗臺的運行方式、控制器類型，能夠設(shè)置控制器參數(shù)，并能夠?qū)崟r顯示反饋量、控制量、系統(tǒng)輸入和輸出等關(guān)鍵信息。

　　(3)機電一體化系統(tǒng)虛擬設(shè)計。針對典型的機電系統(tǒng)設(shè)計，完全采用虛擬技術(shù)，機械部分動力學(xué)與運動學(xué)模型可在WEB頁面提供，由學(xué)生完成傳感器、控制器的選型或設(shè)計。系統(tǒng)模型可以采用MATLAB等實現(xiàn)，或采用已有的MATLAB模型，設(shè)計對象可以采用較為熱門的機電系統(tǒng)，比如風(fēng)力發(fā)電機、混合動力汽車、機器人平臺等。綜合采用.NET技術(shù)、MATLAB等，將運行于服務(wù)器的各種模型通過WEB頁面顯示出來，同時WEB頁面能夠設(shè)置模型運行參數(shù)和運行方式，并具備仿真結(jié)果的傳輸和顯示功能。

　　以上三種遠程實驗系統(tǒng)均需具有安全保障措施和使用規(guī)范。如在實驗室內(nèi)應(yīng)有人值守，應(yīng)配備實時監(jiān)控攝像頭，圖像信息可以遠程訪問;對于控制遠程實驗，應(yīng)具備錯誤診斷能力，避免有問題的控制算法造成實驗臺的損壞。

　　6結(jié)束語

　　隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，實現(xiàn)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)將成為教育改革的一個方向。本文詳細介紹了機械電子專業(yè)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與實驗系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)性、交互性和及時性等特點，可實現(xiàn)答疑、討論等教學(xué)環(huán)節(jié)，也可實現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢和教學(xué)資源的利用率。