摘要：针对普通高校研究生教学尤其是实验教学中存在的问题，提出了开发以自主学习为主的仿真教学与实验教学系统的思路，并以机械类课程为例，对仿真系统与实验教学系统进行了详细介绍，实践证明，该系统在实际教学中效果良好。
关键词：仿真教学；实验教学；研究生教育；机械类课程
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0231-03
多年来，随着高校研究生教育的深入，实验室设备陈旧与以验证性实验为主的教学方法成为制约研究生教育发展的障碍。与国外高校相比，我们的实验技术教学方式存在不小的差距。如美国麻省理工学院在实验教学中，特别注重对学生个性的培养，开发了许多创新和综合性实验，老师跟学生一起讨论，学术氛围很好。德国的高校，实验指导书上有很多思考题和参考书目，学生开展实验前，须查阅大量参考书籍和资料，通过预习检查后才能实验。同样在英国，实验前要求学生认真预习实验内容，并提出实验方案并与指导老师讨论，充分发挥了学生的主观能动性和自主学习意识。针对我校研究生实践教学中存在的问题，近几年研究生专业课程实践教学中，我们由教师安排固定内容的实验模式向由学生自己根据需要完成实验的方向过渡，发现学生潜力是非常大的，学习兴趣也大大增强了。在实验过程中，学生积极思考并动手操作，弥补理论学习的不足。同时，实验组织由学生完成，学生自信心大大增强，在实践训练中展示出个人的才干。
一、研究生教学的特点
研究生教育在我国高等教育中层次较高，以培养社会主义现代化建设高层次人才为目标。自主和创新性学习是研究生学习的主要途径。但我国研究生招生人数的不断增加，教学资源的优化成为突出问题。首先，在教学方法上，教师可采取灵活多样的方式，如启发式、讨论式等方法，激励学生自主学习。鉴于研究生的授课人数较少，课堂上教师与学生相互探索，获取知识。其次，广泛拓宽教学途径，实现网络教学、课堂教学、实践教学和自主学习的有机结合。为实现这一目标，要求研究生参与具体的教学过程，教师不仅在课堂上传授知识，还在实验室引导学生进行科学探索，让学生发现科学知识的内在规律。为此，应为学生提供自主学习的机会和环境。
二、建立机械类课程仿真实验教学系统的必要性
目前，许多高校实践环节的实验器材相当匮乏。以我校为例，研究生教学大多依靠本科教学的资源，学生普遍反映，课程缺乏实践环节，过于抽象，如研究生开设的机械类课程中，像《机械系统建模与仿真》、《工程测试与信号处理》、《计算机控制与接口技术》课程中都涉及信号分析的内容。目前，实验室现有的设备有一定的局限性，开设的实验是对课本理论知识的验证，导致学生对问题的理解只停留在表面，不能深入思考，达不到理想的效果。为了体现出以学生为主的指导思想，对综合性强的实验系统，以启发学生的思维为主，采取灵活多样的形式。如对于电容测量系统，学生可测量微位移，也可测量振动信息，还可测量纸张、薄膜等介质的厚度，通过测量计算得到介质的介电常数等等。只要学生善于动脑，钻研，就可利用现有的系统完成相应的实验。总之，我们的宗旨是把有限的实验设备变为无限的教学资源，灵活多样地进行理论教学与实验教学，通过实验进一步理解理论知识，用理论指导实验操作，这样，学生自主意识就调动起来了，学习也不再枯燥无味。
三、仿真实验教学系统的内容
JDC非接触式电容测量系统由电容传感器、电容测微仪、1:80的微动台架、标准量块、A/D采集卡、数字示波器组成。测量时，通过调节微动台架改变传感器探头与标准量块之间的间隙，改变电容大小，电容测微仪的输出电压与传感器两极板间的距离为线性关系。该系统测量精度达到1um。转子振动模拟试验台主要用来验证挠性转子轴系的强迫振动特性，可用来模拟旋转机械的振动，系统包括调速器、转子系统、直流电机、光电传感器、电涡流传感器、磁电式传感器等。通过改变转子转速、质量不平衡、轴承的摩擦或冲击条件再现大型旋转机械的多种振动现象，通过对位移、振动、转速等内容的测试获得振动特征。下面以电容测量系统与转子系统为例说明实验过程中的信号情况。二者的有效结合可以实现系统的动态、静态测试，获得测量数据。同时，在系统中引入计算机采集处理实验数据，并实时记录存储数据。为了检验实验结果的正确性，学生获得实验数据后，采用Excel软件进行绘图，查看结果，如图1、2、3所示。图1为静态测量时测量系统获得的电容传感器的输出电压与位移变化的关系，在测量范围内，二者之间为直线，若实验中出现曲线或拐点等现象，说明操作不当引起数据的失真，发现问题后就可纠正，分析原因后重新实验，直到得到可靠的结果为止。图2为电容传感器测量纸张等介质厚度的结果，同样，若不同厚度的纸张的方波规则，说明测量过程中没受到其他因素干扰，若信号波形参差不齐，可能是纸张的平整度或放置位置不符合要求，学生分析原因后需要重新实验。图3为转子系统旋转过程中由安装于其侧面的电容传感器测量得到的位移信息，在此，为了得到理想可靠的转子回转波形，学生必须在采样频率和转子的旋转速度之间反复调整，才能达到好的效果。
系统中加入示波器对测试信号进行显示，且结合数据采集系统对采集的结果进行绘图输出，抽象信号可直观显示，学生可根据需要保存相应的数据，也可进行进一步分析、处理，操作灵活、方便，尤其在综合性实验中，起到了很好的指导作用。完成实验后，学生可借助实验室的校园网系统将实验数据与结果上传并保存在一定空间，然后在任何有校园网的环境登陆并下载实验数据，进行进一步的理论与实验现象分析，查阅相关资料完成实验报告。由于学生从未体验过自主学习的实验模式，对此也非常好奇，预约实验积极主动。实验过程中，对学生的实验安排与内容没有具体规定，实验时间也非常灵活，有的学生为得到可靠的实验结果，重复数次操作，直到得到满意为止，学生严谨的态度与认真作风感动了指导老师。
实践证明，建立仿真与实验教学系统在我校研究生的机械类课程实验教学中起到非常重要的作用，通过对实验过程中信号的仿真处理，把抽象的理论变得直观了，同时，学生可充分发挥主观能动作用，通过老师的引导完成实践操作与探索，并获得可靠的结果。为合理有效地利用高校现有的教学资源，进一步挖掘研究生学习潜力，培养研究生自主学习的兴趣，学校应在硬件与软件上双管齐下，既要加大设备的资金投入，不断引进性能优越的设备资源，同时也应激励教师加大教学投入，在理论教学与实验教学上多开发新思路，使我校研究生教学更上一个新台阶。
参考文献：
[1]肖田元，范文慧，杨明，马萍.仿真科学与技术学科的人才培养与社会需求[J].系统仿真学报，2009，（17）.
[2]刘同娟，马向国.面向创新实践能力培养的研究生教学改革初探[J].中国现代教育装备，2010，（1）：150-151.
[3]吴敏.美国著名大学本科教学特色和改革动态[J].大学化学，2001，16（1）:61-64.
[4]龙春阳.国外高校实验教学改革的经验、特点及启示[J].中国电力教育，2009，（10）：137-138.
[5]王新华，邵海燕，宋方臻，马玉真.基于Matlab语言的测试技术仿真实验教学系统开发[J].中国现代教育装备，2011，（11）：33-37.
[6]马玉真，王新华，宋方臻，邵海燕，等.高校机电类课程网络化仪器的设计与教学实践[J].中国现代教育装备，2010，（11）：33-34.
基金项目：本文系山东省研究生教育创新计划资助项目，项目代号为SDYY09028，济南大学百门课程建设项目，山东省高等学校一般国内访问学者资助项目
作者简介：马玉真，副教授；宋方臻，教授。