高職自動控制原理虛擬仿真平臺的需求分析及實施方案

王晨豐 鞏建輝 任健

摘要：職業院校招生規模不斷擴大，教學資金缺乏，場地及實驗實訓設備供應不足。基于此，對商洛職業技術學院機電工程系教師進行了教學仿真平臺的需求調查，為高職自動控制原理虛擬仿真平臺的建設提供了依據。根據整理分析的調查結果，對教學仿真平臺的建設提出了初步設計方案。

關鍵詞：高職;虛擬仿真平臺;需求分析;自動控制原理;MATLAB

0 引言

高職教育是以培養生產、建設、管理、服務第一線需要的高素質技能型人才為目標的職業教育，根據多年的教學實際，高職學生群體個體間存在差異性。部分學生學習的主動性較弱，熱衷使用移動終端及網絡，對傳統紙質閱讀缺乏興趣，學習習慣及方法較差，但大部分學生喜歡動手操作，有團隊協作意識，多數學生希望掌握較高的職業技能，謀求較好的職業崗位。

自動控制原理課程是商洛職業技術學院機電一體化技術、工業機器人技術專業的專業基礎課，也是機械設計與制造、汽車檢測與維修技術專業的相關課程。它是一門側重理論、指導實踐的課程，在許多工程技術領域中應用廣泛。該課程理論性強、概念抽象、與工程實際聯系緊密、有特殊的框圖表示方法、公式多、繪圖量大且準確度要求高，加之運用到高等數學中的微分方程、拉氏變換等相關知識，高職學生普遍感到有一定的學習難度[1]。同時，受制于辦學條件及實訓經費，實訓室建設及設備投入相對有限，僅依靠現有的機房及自動化生產線實訓裝置，很難全面體現主干知識，實訓效果有限，造成了學生實訓項目與工程實際相脫節的情況。受當下新冠肺炎疫情的影響，大部分職業院校包括商洛職院較大范圍采用了線上授課的形式，相關課程的實驗實訓環節不同程度縮減或延后，自動控制原理課程亦是如此。

針對商洛職院自動控制原理課程特點建立虛擬仿真平臺，一方面豐富了實訓教學的形式，另一方面也緩解了實訓設備短缺的問題，更是對疫情期間線上理論教學的重要輔助。本文通過對商洛職業技術學院機電工程系教師對虛擬仿真平臺的需求調查，為平臺的建設實施提供依據。

1 需求分析

平臺需求分析采用發放調查問卷的形式進行調研，在商洛職業技術學院機電工程系教師群體中展開。本調研的內容主要包括：實訓教學中存在的困難、教學仿真平臺的需求度、教師對教學仿真平臺的實際需求情況等[2]，共發放問卷41份，回收41份，有效問卷37份，無效問卷4份。

（1）本文通過對實訓教學中存在的困難和虛擬仿真平臺的需求度進行調查，整理統計了最主要的5個問題。從實訓教學中存在困難和虛擬仿真平臺的需求度調查情況統計表（表1）中可以看出，教師在實訓教學中遇到的突出困難有實驗實訓設備數量不足;實訓條件有限，效果差;實訓項目因連貫性占用較多課時;設備故障、損壞率高等。其中有近56.8%的教師認為實訓設備數量不足，仍存在多人使用同一實訓臺或同班分節次實訓的情況。針對目前機電工程系主干的4個專業，教師普遍認為需要用到虛擬仿真平臺作為教學輔助，其中以機電一體化技術類及汽車檢測與維修類專業需求最高。教師在購買或開發平臺的過程中遇到的困難則集中于以下幾點：商業化平臺價格昂貴;自主開發技術難度大;沒有具體適合本專業領域的課程等。其中有近67.6%的教師認為目前的商業化教學平臺價格太貴。基于以上情況不難發現，有限的實訓條件與師生間實際需求的矛盾日益突顯。

（2）本文通過對虛擬仿真平臺的實際需求調查情況統計，歸納整理了主要的需求。根據虛擬仿真平臺的實際需求調查情況統計（表2），在教師考慮采用何種形式使用平臺方面，有近48.6%的教師希望平臺能夠在課堂教學中操作演示，輔助課堂教學。在被問及希望平臺能提供哪些幫助時，有67.6%的教師希望能提供給學生可操作的仿真實訓過程，減少有限的實訓條件及特殊情況（如企業實習時間調整、新冠肺炎疫情等）對學生的影響。在對操作界面的要求上，近62.1%的教師希望界面簡潔、易上手，盡可能降低高職學生的學習畏難情緒，增強學生學習獲得感。而在對平臺功能的要求方面，模塊化實操及演示功能更是大家普遍的要求。綜合來看，不同專業不同課程間，教師的需求存在差異，這也要求在開發虛擬仿真平臺過程中要充分考慮課程的內容及特點，做到有針對性地開發。

2 自動控制原理虛擬仿真平臺初步建設實施方案

（1）平臺構建之初，計劃包含六大模塊內容：數學模型、時域分析、頻域分析、根軌跡分析、系統校正及離散系統分析等。其中的時域分析（一階及二階系統階躍響應）、頻域分析（包括奈奎斯特圖的繪制、伯德圖的繪制）、系統校正（主要以串聯超前校正為例）三部分是重點。整個仿真平臺按照樹形結構從上至下，由六大模塊下沿至12個知識塊，而每個知識塊又可以細分更多知識點。從上到下對知識模塊逐級分解，12個基本知識塊又分別對每個模塊進行支撐，構成一個較完整的知識體系[3]。虛擬仿真平臺的主要模塊內容如圖1所示。

（2）根據之前對平臺的實際需求的調研結果，計劃對平臺設置3類登錄賬號：學生賬號、教師賬號、管理員賬號。不同類型的賬號功能側重不同，權限也有所不同。其中，學生賬號提供給學生驗證登錄使用，同時提供成績查詢及資源下載功能，學生通過對項目模塊內容的操作，后臺實時記錄進程，可在線提交實訓結果，完成相關測驗。教師賬號主要用于授課教師發布課堂任務清單、課堂提問、在線答疑、完善現有模塊內容、定期更新課程資源等工作。管理員賬號主要完成對仿真平臺的日常維護、設置不同賬號的權限、對新功能的開發及主要模塊的增減、對后臺數據的監管等工作[4]。

（3）根據高職學生教學實際，開發基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬仿真平臺，同時將其融入混合式教學模式的課中環節。課前，教師通過云班課、學習通等APP電腦客戶端推送線上教學資源，學生則根據自身情況選擇手機端或電腦網絡終端自主線上學習，了解課程項目任務清單，同時提問或發表看法，與教師和同學互動交流。教師則通過對學生的答疑反饋，及時對課程內容及教學方法做適時調整。課中，教師利用仿真平臺開展教學，在點評學生課前互動情況及布置課堂實訓任務的基礎上，幫助、引導學生利用平臺自主探究學習。同時教師根據學生的學習進程，進行針對性的指導及點評，促使學生順利完成項目模塊操作，平臺自動記錄學生實時數據及成績，方便對學生個體進行量化考核。課后，學生可以繼續通過班課平臺學習相關教學資源及拓展任務，教師也可以根據學生學習效果對本節課進行更全面的評價，形成教學反思。仿真平臺引入課中教學環節，豐富了教學形式，使得學生“做中學”、教師“做中教”，充分體現了教師的指導作用，提高了學生的學習熱情和效果。

3 結語

筆者通過對調查問卷的整理分析發現，機電工程系有近60%的老師認為需要在教學過程中使用仿真平臺來配合課堂教學，尤其是機電一體化技術專業;同時在實際功能需求方面，有67.6%的老師希望平臺能提供可操作的仿真實訓過程，并且有近50%的老師希望將平臺應用于課堂教學的演示。結合反饋情況，針對自動控制原理課程理論性強、相關概念抽象、涉及知識面廣、公式多、學生普遍學習難度大的特點，本文開發了一套適合高職的自動控制原理虛擬仿真平臺。與此同時，將平臺融入混合式教學模式的課中環節，一方面豐富了學生實訓考核的形式，另一方面對常態化線上教學的實訓環節更是一種契合的補充。

[參考文獻]

[1] 王晨豐.基于MATLAB的高職《自動控制原理》課程教學[J].科技資訊，2015（15）：157-158.

[2] 段丹萍，唐潤華.高職虛擬仿真實訓系統使用需求調查分析[J].中國電力教育，2013（16）：163-164.

[3] 王晨豐.基于MATLAB GUI的高職《自動控制原理》教學平臺的構建與實現[D].西安：長安大學，2019.

[4] 喻盼.基于Java和Matlab的虛擬仿真實驗系統的設計與實現[D].荊州：長江大學，2018.