吳晨曦，蔣 嶸，鐘 超

（湖南工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

湖南工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)成立于2006年，是湖南省雙一流建設(shè)專業(yè)。現(xiàn)有微機(jī)接口、機(jī)電控制、測(cè)試技術(shù)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)“微機(jī)原理及接口技術(shù)”“機(jī)床電氣及PLC控制”“機(jī)械控制工程”“機(jī)電傳動(dòng)與控制”“工程測(cè)試技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器人”“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等專業(yè)核心課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。機(jī)電類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是深化學(xué)生專業(yè)理論認(rèn)知、培養(yǎng)實(shí)踐技能、激發(fā)創(chuàng)新思維的必要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)智能制造、機(jī)器人工程等機(jī)電特色的高水平應(yīng)用型人才的過程中發(fā)揮重要作用。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

目前，機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，嚴(yán)重依賴實(shí)體設(shè)備，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備固化封閉、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一成不變、實(shí)驗(yàn)過程可觀測(cè)性不強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃囿于時(shí)空局限等不足，突出表現(xiàn)為以下幾方面問題。

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺，制約了向以學(xué)為中心的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變

實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)不夠，需多人分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間受限，動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)少，難以滿足以學(xué)為中心的教學(xué)需要。隨著機(jī)械電子工程專業(yè)人才需求旺盛而擴(kuò)大招生規(guī)模，以及其他機(jī)械類專業(yè)向智能制造方向轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要，導(dǎo)致這一窘?jīng)r更加凸顯。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備封閉固化，難以自主開發(fā)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)封閉、功能單一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，大多數(shù)學(xué)生只會(huì)機(jī)械地按規(guī)定步驟操作，卻不知其所以然，因而覺得實(shí)驗(yàn)過程枯燥乏味、深?yuàn)W難懂、無親歷感，更沒有興趣去自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，如“工程測(cè)試技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)就是典型。

（三）各課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互割裂，缺乏集中統(tǒng)一的應(yīng)用場(chǎng)景

目前，各門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還處于分散割裂的狀態(tài)，有待整合成綜合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。例如，可綜合運(yùn)用“數(shù)字化技術(shù)”“機(jī)電傳動(dòng)與控制”“工程測(cè)試技術(shù)”“機(jī)床電氣及PLC控制”等課程知識(shí)創(chuàng)建各種數(shù)字孿生對(duì)象，作為“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的仿真平臺(tái)。

（四）數(shù)理建模抽象，計(jì)算控制復(fù)雜，無可視化技術(shù)支持

機(jī)械電子工程專業(yè)課程教學(xué)涉及數(shù)理建模、檢測(cè)采集、分析處理、計(jì)算控制等多學(xué)科知識(shí)，抽象難懂。面對(duì)這一難題，可視化技術(shù)是全新有效的解決辦法。然而，實(shí)驗(yàn)室目前還不具備這樣的條件，如“機(jī)械控制工程”“工業(yè)機(jī)器人”等課程的對(duì)象建模、學(xué)科創(chuàng)新競(jìng)賽建模等，都缺乏對(duì)模型的可視化設(shè)計(jì)優(yōu)化與調(diào)試驗(yàn)證[1-3]。

此外，在面對(duì)新冠疫情及其他突發(fā)情況時(shí)，實(shí)驗(yàn)室尚不具備通過線上、遠(yuǎn)程交互方式開展全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的能力；一些大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如“機(jī)床電氣及PLC 控制”實(shí)驗(yàn)用到的銑床，學(xué)生需在教師監(jiān)督下操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)空大受限制，目前暫無學(xué)生可自由使用的替代仿真平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新周期長，教學(xué)內(nèi)容滯后于學(xué)科專業(yè)的發(fā)展，與社會(huì)需求脫節(jié)，等等。

為彌補(bǔ)這些不足，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。它最早起源于工科類院校基礎(chǔ)課程教學(xué)，是信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)著眼于專業(yè)與實(shí)踐教學(xué)體系的重塑和學(xué)生的綜合創(chuàng)新訓(xùn)練，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過精選案例、精確模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開發(fā)理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真、實(shí)操3 者相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生在虛擬平臺(tái)上開展實(shí)驗(yàn)，能達(dá)到或超越真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。同時(shí)，在開放交互的虛擬環(huán)境中自主協(xié)同設(shè)計(jì)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容，提高工程實(shí)踐能力、綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。虛擬仿真教學(xué)已成為改革傳統(tǒng)教學(xué)、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量、引領(lǐng)現(xiàn)代教育的重要手段[4-5]。

湖南工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以機(jī)電專業(yè)課程為對(duì)象，以學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)為目標(biāo)，利用虛擬仿真、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，開展突出工程實(shí)踐、強(qiáng)化綜合應(yīng)用、拓展機(jī)電特色的數(shù)字驅(qū)動(dòng)與融合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建工程化、綜合性、創(chuàng)新性的機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容

（一）構(gòu)建層次化、模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

按照“虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充”的原則，構(gòu)建多層次模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容整合為3 個(gè)層次。

1.以專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)技能為主的基礎(chǔ)層。該層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括“微機(jī)原理及接口技術(shù)”“機(jī)電傳動(dòng)與控制”“工程測(cè)試技術(shù)”等機(jī)電控制基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)和開發(fā)工具的使用等?；A(chǔ)層平臺(tái)直觀展現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)課程的基本原理與應(yīng)用，學(xué)生能夠加深理論認(rèn)知、掌握實(shí)驗(yàn)技能、提升學(xué)習(xí)能力。

2.以專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)技能為主的拓展層。該層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括“機(jī)械控制工程”“工業(yè)機(jī)器人”“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”與“機(jī)床電氣及PLC 控制”等機(jī)電控制專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和開發(fā)工具的使用等。利用拓展層平臺(tái)完成專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3.以綜合創(chuàng)新實(shí)踐為主的創(chuàng)新層。該層虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合性環(huán)節(jié)、學(xué)生自主設(shè)計(jì)的研究創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽等。利用創(chuàng)新層平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

基礎(chǔ)層、拓展層、創(chuàng)新層共同構(gòu)成層次分明、循序漸近、各有側(cè)重、相互滲透、相互促進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（圖1），使之成為具有擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性、開放性的共享和管理平臺(tái)。

（二）堅(jiān)持以學(xué)為中心，改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

1.確立以應(yīng)用創(chuàng)新為主的教改方案。以培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)、工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新能力為主線，精選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重塑實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以設(shè)計(jì)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為主，并將家國情懷、工匠精神、科技強(qiáng)國等思政元素融入其中。

2.開設(shè)與實(shí)際需求結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。追蹤前沿先進(jìn)技術(shù)，如數(shù)字孿生、元宇宙等，及時(shí)用于專業(yè)教學(xué)；以企業(yè)及社會(huì)需求為導(dǎo)向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重視將各類科研項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，推動(dòng)“教學(xué)—虛擬—科研—實(shí)踐”的相互轉(zhuǎn)化、相互融合、相互促進(jìn)。

3.采用學(xué)生自主探究式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。從問題、案例出發(fā)，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間自主、空間自由、實(shí)現(xiàn)方便、安全高效的優(yōu)勢(shì)，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，協(xié)同探究學(xué)習(xí)，直至完成全部實(shí)驗(yàn)工作，落實(shí)以學(xué)為中心的教學(xué)理念。

4.推動(dòng)混合式教學(xué)方法的組織實(shí)施。開發(fā)涵蓋教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)的虛擬仿真項(xiàng)目，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互滲透融合。在理論教學(xué)中借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)操演示，使教學(xué)內(nèi)容直觀形象、生動(dòng)易懂。將理論教學(xué)引入實(shí)驗(yàn)室，線上線下交叉教學(xué)，虛實(shí)結(jié)合，形成“理論授課—虛擬實(shí)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)室教學(xué)”相融合的教學(xué)新模式，提高教學(xué)實(shí)效。

（三）開發(fā)各具專業(yè)特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要按照“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”與“工程教育認(rèn)證”等要求，強(qiáng)化工程及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，貫徹學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向及持續(xù)改進(jìn)的理念。由于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、材料成型及控制等專業(yè)也開設(shè)了機(jī)械電子工程專業(yè)的相關(guān)課程，因此，要針對(duì)不同專業(yè)的特點(diǎn)，開發(fā)各具特色的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)多樣化。

（四）建立穩(wěn)定高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行管理機(jī)制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持在線開放虛擬仿真教學(xué)資源、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、在線演示，具有良好的交互特性、教學(xué)互動(dòng)與答疑等特點(diǎn)，能開展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析、實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線收集、在線作業(yè)及測(cè)驗(yàn)、在線成績(jī)?cè)u(píng)定、成果展示、信息發(fā)布等教學(xué)環(huán)節(jié)。

上述教改內(nèi)容中，工程化、綜合性、創(chuàng)新性的機(jī)電專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)是關(guān)鍵。

三、總體實(shí)施方案

（一）廣泛調(diào)研，收集資料，制定教改方案

通過跟蹤已畢業(yè)學(xué)生、走訪用人單位、問卷調(diào)查畢業(yè)班學(xué)生等方式，征求校內(nèi)外學(xué)生、企業(yè)對(duì)課程與實(shí)驗(yàn)設(shè)置的意見和建議，發(fā)現(xiàn)人才培養(yǎng)及實(shí)踐教學(xué)方面存在的問題。廣泛查閱資料，借鑒成功經(jīng)驗(yàn)，為教改研究積攢第一手材料。在廣泛調(diào)研、收集資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合教改團(tuán)隊(duì)成員在教學(xué)實(shí)踐中正反兩方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定實(shí)驗(yàn)教改方案。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

面向智能制造、工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)領(lǐng)域，將工程化的典型案例引入實(shí)驗(yàn)中，積極推進(jìn)項(xiàng)目、實(shí)例、案例實(shí)驗(yàn)教學(xué)；分析機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系，理順前后關(guān)系，注重專業(yè)知識(shí)的交叉融合；更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將新技術(shù)、新知識(shí)、新成果引入課堂，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、工程化，做到理論與工程實(shí)際相結(jié)合。

（三）開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的3 個(gè)層次，首先，開發(fā)基礎(chǔ)層的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括“微機(jī)原理及接口技術(shù)”關(guān)于微機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、基本輸入輸出、外部中斷、定時(shí)中斷等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，“機(jī)電傳動(dòng)與控制”關(guān)于交流電機(jī)、直流電機(jī)、控制電機(jī)結(jié)構(gòu)原理與控制等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，“工程測(cè)試技術(shù)”關(guān)于信號(hào)分析、傳感器原理與應(yīng)用、信號(hào)調(diào)理等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以直觀形象、可視化的方式展現(xiàn)基礎(chǔ)課程的原理與應(yīng)用。

其次，開發(fā)拓展層的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括“機(jī)械控制工程”關(guān)于系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域特性分析等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，“工業(yè)機(jī)器人”關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”關(guān)于智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，“機(jī)床電氣及PLC 控制”關(guān)于PLC 綜合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)訓(xùn)服務(wù)。

最后，開發(fā)創(chuàng)新層的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合性環(huán)節(jié)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)科競(jìng)賽等服務(wù)。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在線開放與運(yùn)行管理

以“專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真平臺(tái)”為對(duì)象，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，通過網(wǎng)絡(luò)在線開放，共享實(shí)驗(yàn)資源，建立開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。取得成功經(jīng)驗(yàn)后逐步推廣到其他兩類虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用中去。

四、教學(xué)改革成果

機(jī)械電子工程專業(yè)課程門數(shù)多，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)多，課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性、綜合性強(qiáng)，各學(xué)科之間的交叉融合、相互關(guān)聯(lián)多。學(xué)生通過機(jī)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，系統(tǒng)地掌握機(jī)電綜合應(yīng)用知識(shí)，并提升動(dòng)手實(shí)踐能力。每年有超30 個(gè)班級(jí)的上千名學(xué)生因此受益。

（一）預(yù)期成果

構(gòu)建突出工程實(shí)踐、強(qiáng)化綜合應(yīng)用、展現(xiàn)機(jī)電特色的教學(xué)改革架構(gòu)。優(yōu)化重整機(jī)械電子工程專業(yè)課程體系，并以此作為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革的基本依據(jù)。探索工程化、綜合性、創(chuàng)新性的機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式。開發(fā)與工程實(shí)際結(jié)合緊密、綜合應(yīng)用性強(qiáng)的機(jī)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，依托該平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生積極參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與學(xué)科競(jìng)賽，為機(jī)械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)創(chuàng)造良好的實(shí)踐條件。建立開放式網(wǎng)絡(luò)化實(shí)踐教學(xué)模式，確定線上線下相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑與方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享。要及時(shí)總結(jié)教改成果，發(fā)表教改論文，再繼續(xù)用于指導(dǎo)教改實(shí)踐，推動(dòng)教改工作不斷深入進(jìn)行。

（二）已取得的階段性成果

針對(duì)“微機(jī)原理及接口技術(shù)”“機(jī)床電氣及PLC 控制”“機(jī)械控制工程”“機(jī)電傳動(dòng)與控制”“工程測(cè)試技術(shù)”“工業(yè)機(jī)器人”“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等機(jī)械電子工程專業(yè)核心課程，經(jīng)過不斷探索積累，已遴選擬定教改內(nèi)容，在教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，全面開展虛擬仿真設(shè)計(jì)、調(diào)試、驗(yàn)證的研究與實(shí)踐，著力推進(jìn)課程虛擬仿真項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)，落地生根。目前，湖南工程學(xué)院已建立并逐步完善“微機(jī)原理及接口技術(shù)”“機(jī)床電氣及PLC 控制”2 門課程的虛擬仿真教學(xué)體系，在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中已廣泛實(shí)施，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，取得了良好成效，并在持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)中。其他課程也正在按計(jì)劃有序展開，通過評(píng)估教改效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)方案，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，鞏固成果。下面介紹2 個(gè)具有代表性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用。

1.急救車與交通燈控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

通過開發(fā)急救車與交通燈控制仿真實(shí)驗(yàn)，解決單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、工作過程無法直觀展示等問題，這一直是學(xué)習(xí)“微機(jī)原理及接口技術(shù)”帶有全局性的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

借助keil 與仿真開發(fā)板，清楚地看到用戶程序編譯后在程序存儲(chǔ)空間以機(jī)器碼存貯及分配的地址、占用的字節(jié)數(shù)，每條指令執(zhí)行后引起數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)值改變，更好理解指令的具體含義，以及通過對(duì)I/O 口的讀寫操作，實(shí)時(shí)接收外部信號(hào)和驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載（圖2）。以可驗(yàn)證、能應(yīng)用的方式將CPU 如何執(zhí)行指令、操作存儲(chǔ)器和接口外設(shè)生動(dòng)具體地展示出來，使單片機(jī)抽象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理具體形象化，硬件動(dòng)作和程序執(zhí)行協(xié)同一體化。

圖2 急救車與交通燈控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

利用proteus 搭建靈活多變的硬件仿真平臺(tái)，能加深學(xué)生對(duì)外設(shè)接口的直觀理解，在加載應(yīng)用程序后，可調(diào)試驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。通過這樣的仿真實(shí)訓(xùn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)以致用解決一些實(shí)際問題，最終真正喜歡上這門課。

2.基于MCD 的虛擬碼垛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為順應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要，在數(shù)字空間進(jìn)行產(chǎn)線設(shè)備的虛擬設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低成本、更高效的智能制造。

以碼垛機(jī)設(shè)計(jì)為例，提出一種基于NX MCD 的虛擬碼垛機(jī)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試方法。首先，建立碼垛機(jī)的3D 模型，運(yùn)用NX MCD 技術(shù)“物理化”模型，然后，通過TIA 博圖軟件設(shè)計(jì)S7-1500PLC 控制程序和HMI 監(jiān)控界面，以PLCSIM Advanced 軟件建立MCD 模型和虛擬PLC 的通信鏈接，最后，對(duì)碼垛機(jī)和PLC 進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，通過PLC 仿真器控制MCD 模型，對(duì)機(jī)械動(dòng)作、控制程序等進(jìn)行虛擬調(diào)試，確認(rèn)控制程序的邏輯是否合理（圖3）。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬碼垛機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性，摸索出可行的數(shù)字孿生方法，為機(jī)電產(chǎn)線設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與優(yōu)化提供了新思路，對(duì)于推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研變革創(chuàng)新有重要意義。

圖3 基于MCD 的虛擬碼垛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過不斷探索與實(shí)踐，逐步建立起以案例演示、實(shí)操練習(xí)為基礎(chǔ)的虛擬仿真教學(xué)體系，得到了學(xué)生、督導(dǎo)、同行、企業(yè)專家等各方的好評(píng)，認(rèn)為以可視化方式展示抽象的原理、過程、結(jié)果，思路清晰、直觀明了、簡(jiǎn)潔易懂、精準(zhǔn)可信，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有利于增強(qiáng)其動(dòng)手實(shí)踐和工程應(yīng)用能力，推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量水平上新臺(tái)階。

五、結(jié)束語

湖南工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以機(jī)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的開發(fā)應(yīng)用為重點(diǎn)，做到虛實(shí)結(jié)合、數(shù)字孿生、相互補(bǔ)充。通過多層次、多功能、開放性、網(wǎng)絡(luò)化的仿真教學(xué)平臺(tái)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生的機(jī)電工程應(yīng)用能力，促進(jìn)教研教改進(jìn)一步深入，提高教學(xué)質(zhì)量與專業(yè)建設(shè)水平，既滿足社會(huì)需求，又有利于學(xué)生發(fā)展，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與人才培養(yǎng)目標(biāo)相統(tǒng)一，對(duì)于培養(yǎng)高水平工程應(yīng)用型人才具有重要意義。