任務驅動在控制系統CAD與數字仿真教學中的應用探索

劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術大學電子電氣工程學院

任務驅動在控制系統CAD與數字仿真教學中的應用探索

劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術大學電子電氣工程學院

本文針對控制系統CAD與數字仿真的教學現狀，提出采用任務驅動教學模式，探討了該模式下任務的設計原則，以及具體的實施過程。實踐表明該教學方法的實施能夠激發學生的學習興趣、增強學生的參與度，培養了學生的創新能力，取得了良好的教學效果。

任務驅動；控制系統；教學方法；仿真

1.引言

仿真技術已成為現代工程師所掌握的必備技能之一，控制系統CAD與數字仿真已成為自動化及相關專業的重要課程，在理論和實驗教學、科學研究和生產實踐中都發揮著不可替代的重要作用。

對于自動化及其相關專業的學生而言，為了解決控制系統研究及應用過程中繁瑣計算、曲線繪制、控制與設計等問題，更需要熟練掌握MATLAB的使用，學好控制系統CAD與仿真技術，同時也為后續學習及研究打下基礎。

但是目前，在控制系統CAD與數值仿真的授課過程中，還存在這如下問題：

（1）在理論課上，對于一些概念性介紹內容以及操作規則，由于這些內容及知識沒有很強的邏輯推導關系，不容易激發學生的好奇心，吸引學生的注意力。并且在理論課時授課中，多數是采取在多媒體教室授課，而不是機房授課，僅僅給學生演示性的介紹控制系統CAD的規則及方法，不夠真切，學生印象也不深刻，在后續進行實驗課具體操作時又處于歸零狀態。

（2）在實驗課時，教師在同步完成演示之后，讓學生按照演示自己完成相關內容，此時會發現學生不能夠很好的掌握MATLAB語言的特點，對于老師演示的例子，完成度比較高，但是卻乏思考及探索精神，造成舉一反三的能力不足，對于一些相關例題完成度不高。

對于以上主要問題，究其原因在于教與學的過程中總存在這一些隔閡，學生不能很好的理解掌握教學內容，即便能夠理解課程的內容，但在實際運用操作的時候，往往體現出理解不深刻，思考不充分，探索精神不強等現象。基于以上問題，課程設計上需要改革，在教學方法上加入任務驅動的元素。

2.任務驅動教學模式

任務驅動教學法是一種使學習者在完成特定任務的過程中獲得知識與技能的教學方法[1]。學生在完成教師布置具體任務的過程中，通過師生的互動以及學生之間的互動，真正讓一些知識與技能內化，體現了“教師主導+ 學生主體”的教學理念。那么基于任務的學習，也是學習者根據一個具體的任務，在查閱資料，探索創新、思考認證，內化吸收的過程中，以團隊或個人的形式自主地獲得較為完整而具體的知識，形成技能并獲得發展的學習。

任務驅動教學方法與傳統教學方法相比，表現在三個中心的轉變，即以教師為中心轉變為以學生為中心，以教材為中心轉變為以任務為中心，以課堂為中心轉變為以實際操作為中心[2]。任務驅動教學法以完成為學生設定的任務為教學總目標，在教師的主導作用下，循序漸進的逐步引導學生完成不同教學階段的任務，這樣，學生也很自然的將課堂或書本上的理論知識和實際操作實踐融會貫通起來，既能領會理論知識的指導作用，又能提高其動手能力，還能培養其實踐創新能力。

基于任務驅動的控制系統CAD與數值仿真的教學過程改革中，著重點在于課堂與實驗的自然銜接，教學過程可分為四個部分，一是任務的布置，即讓學生明確學習目標；二是課堂講解相關知識及例題，讓學生直觀感受MATLAB仿真解決問題的過程，促進學生思考并執行布置任務的求解；三讓學生進入實驗室進行具體任務的解答，即仿真和調試程序；四設置開放性的作業，可以采用分組的方式，讓學生在討論中增強學習效果。

2.1 任務的設定

任務的設定是控制系統CAD與數值仿真課程中一個至關重要的環節和基礎。每節課都要設定現實的、有意義的、有代表性的任務，引導學生積極主動的去探尋求解，從而掌握所學理論基礎知識，又能提升學生的實際操作能力。任務的設定，首先是將整門課程任務進行合理的分割，以基礎模塊為主線，專業模塊為支撐，實訓模塊為亮點，將三個模塊有機的結合起來，穿插在教學過程中的各個環節中，這樣可以充分調動學生的積極性，從而極大地提高教學效率，增強教學效果.根據課程不同模塊的特點，在任務設置時合理分配，由淺入深，要具有一定的開放性和前瞻性[3]。任務與任務之間具有連續性，前一個任務是后繼任務的基礎，后繼任務是前一個任務的延續或提高。

通過老師設定提出問題，促使學生積極思考，形成分析問題和解決問題的思維習慣，將知識點融會貫通，提高應用水平。另外，教師在任務制定時可以提前和學生溝通， 對于學生感興趣的或者比較愿意去實現的內容可以擴展任務要求。同時在任務分配時要注意任務的難度，選擇合適的教學手段，可以組織學生進行小組討論，將任務進行分解，讓每個學生負責集體任務的一部分[4]。

2.2 任務的實施

學生在進行任務實施的過程中， 往往接觸的是全新的內容結構，要完成任務對所有學生無論基礎好壞都是個挑戰，同時這也是增強學習能力，提高學生學習信心的好機會，好方法。

2.2.1 完成分組。

布置完任務后，組織同學迅速的完成分組，每次分組都是隨機的，克服同學依賴基礎較好同學的惰性思想，另外還要設定好小組任務完成程度的獎懲措施。

2.2.2 課堂講解。

在布置任務，完成分組后，給學生3-5分鐘隨意討論，查閱資料的時間，讓學生自己對于任務有個大致的想法或者解決的框架。然后在學生感到壓力巨大，無所適從的時候，開始課堂基礎理論教學階段，根絕教學內容的安排及任務的要求組織實施教學計劃。要突出重點，簡潔扼要，提綱挈領。在此過程中，要充分考慮布置的任務對課堂內容的銜接。

2.2.3 任務實施.

對于控制系統CAD與數值仿真的初級階段，任務的內容比較簡單，易于實施。是用于了解，掌握，分析關鍵知識點的應用實例。一般小組能夠獨立完成。通過仿真演示，學生可以看到系統實際運行的結果，有助于提升學生的感性認識，激發學生的學習興趣，增強學生的自信心，促使學生更積極的進行任務的實施完成。在本門課程中如MATLAB基礎知識，常微分方程的求解，MATLAB程序設計入門，還有系統的時域分析，及Simulink基礎等。

對于一些綜合任務，綜合多模塊知識，綜合性強，具有一定難度的項目，大部分同學在老師的引導下都能完成課堂所設定的任務。但是這些任務往往是幾個基礎任務的有機融合，需要先前任務知識的熟練調用、操作，進而完成復雜任務。基本的流程是老師引導，學生探求討論，進而實際操作驗證。

3.結論

任務驅動的控制系統CAD與數值仿真教學方法，以問題和任務覆蓋整門課程的知識構架，采用任務驅動，問題啟發的教學方式來實施教學內容的安排，符合目前專業課的基本教學原則。此教學方式不僅可以提高學生的自學能力及團隊合作能力，還能激發學生的學習興趣，增強學生的自信心。同時對老師也提出了更高的要求，要根據學生實際操作的反饋效果來調整任務的難易程度，根據不用的學生的學習特點，設定多層次的任務。既能保證基礎一般同學達到基本教學目標，又能引導學有余力的同學探求新知。

[1]郭紹青.任務驅動教學法的內涵[J].中國電化教育,2006(7):57-59.

[2]王艷芬，曹慶皎.項目驅動的MATLAB與控制系統仿真教學探索[J].文化視野, 2015:377-392.

[3]周本海.探析matlab 教學中任務教學法的應用[J].信息技術教學與研究,2015(08).

[4]劉麗，朱學玲.MATLAB 課程任務驅動教學的研究與應用[J].赤峰學院學報,2017,33(7):193-194.

課題項目：本文為實踐教學課程建設項目（p201602001）,《模擬電子技術》全英文課程建設項目。