機電控制工程基礎層次化在線實驗教學探討

王敏

（湖北廣播電視大學，武漢430074）

0 引言

實驗教學是工科專業教學中不可或缺的重要教學環節。在普通高等教育中，實驗教學這一環節開展得比較好，積累了豐富的教學經驗。但是，在開放教育中，自主性、分散性和時空分離性的遠程在線學習模式，并不能完全適合傳統的實驗教學模式。因各方面因素的制約，導致開放教育的實踐環節，在組織和實施方面，是教學難度較大的一個環節。隨著信息技術的發展，在遠程實驗教學方面，有許多嘗試和實踐。如構建虛擬仿真實驗平臺，基于物聯網技術搭建實時遠程實驗教學系統，引入價格低廉、便攜式的實驗儀器和學習套件。這些遠程實驗教學模式在實驗平臺運行環境要求、建設成本、可移植性、學習效果上各有優勢和不足。結合實際的教學情況，以《機電控制工程基礎》為例，提出具有易于操作、成本低、改善教學效果的特點的層次化遠程在線實驗教學模式。

1 課程教學現狀分析

1.1 課程特點

《機電控制工程基礎》課程是國家開放大學機械設計制造及其自動化專業的一門專業基礎課程，是一門多學科交叉的課程，是機械、電子、計算機和自動控制等技術的有機結合。該課程具有很強的理論性和實踐性。課程的內容主要是通過機電系統的數學模型，對系統進行定性和定量的研究，分析系統的準確性、穩定性和靈敏性，估算系統的性能指標，并導出對系統性能指標的調整和矯正的理論和方法。課程的教學核心是培養學生分析、設計工程控制系統的能力，能夠應用科學的方法和思路解決實際的工程控制問題。能夠根據實際需要，建立系統的全局的概念，實現對控制系統的分析和創新設計。

1.2 學習者分析

（1）學習能力和入學基礎參差不齊

開放教育學習者群體既有在職的成人，也有剛剛畢業的高中、中職和高職等各種非在職學生。學習者在年齡、身份、受教育程度等方面異質性特征，直接導致了學習群體的學習能力、知識結構參差不齊。

（2）工學矛盾突出

開放教育學習者的工學矛盾很突出，他們在社會生活中承擔著多種責任，一方面要好好工作，一方面要照顧家里的老人小孩，他們時間精力有限，無法全身心、長時間地參加各類教學活動。

（3）學習需求個性化

在學習內容、學習時間、學習方法上，學習者傾向

于根據自身發展的需求和現有條件，有針對性地自主選擇。

1.3 教學現狀

學習《機電控制工程基礎》課程需要具備高等數學、工程數學、力學和電學等基礎，課程對先修課程知識要求較高，應用的數學知識較多。例如，工程數學中的拉氏變換與反變換等相關內容，是學習控制理論的數學基礎。但是學生由于數學功底不足，整個教學過程理論性強、內容抽象，學生對相關知識不易理解吸收，學習過程容易陷在數學的推導與計算的困境中。這導致學生學習課程的難度增加，對學習這些理論的目的性缺乏認識，同時也嚴重影響了學習的興趣和積極性，學習效果欠佳。

目前，本課程已有的在線學習資源主要是針對課程內容講解的視頻資源和文本資源，側重于學科知識的傳授，內容偏理論化。學生在線自主學習，在學習的過程中往往感到十分吃力，對于課程內容的理解往往比較淺顯生疏，學生的工程能力和創新意識無法得到鍛煉。

2 在線實驗教學

實驗教學以學生為中心，能充分發揮學生的主體作用，邊學邊實踐，提供給學習者一種浸入式的學習體驗，有利于學生更好地理解基本概念，掌握基本理論和方法，鞏固課程的理論知識，培養解決實際工程問題的能力，也有利于提高學生學習的積極性。基于上面對課程教學現狀的研究，確定了本課程在線實驗要達到的幾個目標，即“易用性”、“層次化”、“交互性”，最終完成了本課程在線實驗開發模式。課程的在線實驗教學基于MATLAB 軟件，構建了層次化的教學模式。在線實驗內容豐富靈活，學生可不受實驗室的限制，不受時間地點的限制，只要有計算機就可進行實驗。

2.1 MATLAB軟件介紹

MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks 公司出品的商業數學軟件，是一款準確、可靠的科學計算標準軟件。用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算等，MATLAB 作為現代數學計算和計算機模擬仿真的應用軟件，將高性能的數值計算可視化，提供了大量的內置函數，從而廣泛地應用于科學計算、控制系統、信息處理等領域，已經成為工科學生一門必備的數學工具。在控制領域中，控制理論中涉及的復雜的數學計算與處理、系統的數學建模、模型之間的轉換、Bode 圖及Nyquist 圖的繪制、控制系統的時域頻域分析與矯正等教學內容都可在MATLAB 中實現。

使用MATLAB 這一數學工具，可以大大簡化復雜的數學計算和推導，學生可以直觀地觀察計算結果和參數變化給系統帶來的影響。可視化的顯示，可以更方便地展現控制理論的思想，使得理論更容易被學生理解，將原來的單純理論和知識的教育轉變為注重方法和能力的教育。學生在相同的學習時間內可獲得更多的知識信息，從而大大提高學習效率和激發學習的興趣。

2.2 層次化實驗教學模式

課程的教學核心是培養學生分析、設計工程控制系統的能力，能夠應用科學的方法和思路解決實際的工程控制問題。能夠根據實際需要，建立系統的全局的概念，實現對控制系統的分析和創新設計。為了解決課程教學過程中出現的單純地理論灌輸，理論與實踐脫節，學生主體作用不能充分發揮等問題，筆者基于MATLAB 軟件，構建了模擬虛擬實驗和數字仿真實驗兩種實驗手段相融合，驗證試驗、綜合試驗和創新試驗相結合的層次化的在線實驗教學模式，如圖1 所示。在線實驗教學模式以夯實基礎、突出實踐、面向創新為目標，以增強認知理解、提高實踐能力、培養工程思路、激發創新思維為理念，涵蓋模擬虛擬實驗、數字仿真實驗兩種實驗手段。由基礎性的驗證實驗演進到綜合性實驗，再過渡到創新性實驗。層次化實驗教學根據教學內容由淺入深，循序漸進，層層遞進提高，以學生為中心，逐步提高學生解決問題的能力，滿足了學生自主學習和個性化學習的需求。

圖1 層次化在線實驗教學模式

通過利用MATLAB、PPT、ISPRING，制作可交互的模擬虛擬實驗，界面如圖2 所示。首先在MATLAB 中編制代碼，得出運行結果，再把運行結果插入到PPT中，利用ISPRING 導出為可交互的flash 文件。模擬虛擬實驗可以脫離MATLAB 環境運行，操作方便，具有良好的交互功能，使得教學策略實現更便捷，而且適用的范圍更廣。

如分析二階系統的階躍響應，觀察阻尼比ζ對系統的時域響應的影響，傳統的手繪曲線比較費時，在MATLAB 中繪制曲線則非常方便。ζ取0.6 時的編程代碼如下：

運行程序，得出系統的響應曲線。把曲線截圖保存，在PPT 中調用。用同樣的方法，可以得到阻尼比ζ取其他數值時的響應曲線。學生在模擬虛擬實驗中，可以選擇想要查看的阻尼比ζ，如圖3 所示，顯示二階系統的響應曲線。通過觀察不同阻尼比ζ的響應曲線，很容易得出，ζ≤0 時的二階系統都是不穩定的，而在ζ≥1 時，系統動態響應的速度又太慢，對二階系統而言，欠阻尼情況是最有實際意義的。顯示，這種可視化的教學，把抽象的理論知識與可視的圖形結合起來，可以加深學生對基本理論的理解和掌握。

數字仿真實驗引導學生自己利用MATLAB 軟件，搭建仿真程序，該實驗環境要求學生能操作MATLAB軟件。對于部分學有余力、學習興趣濃的學生，還可以自主設計仿真平臺，可有效提升學生分析問題和解決問題的能力，同時激發學生自主探索的精神，有助于學生掌握更多的實踐操作技能。

圖2 模擬虛擬實驗

圖3 二階系統的單位階躍響應模擬實驗

3 結語

《機電控制工程基礎》是一門具有很強的理論性和實踐性的課程。本文針對在遠程在線教學中，單純地理論灌輸，理論與實踐脫節，學生主體作用不能充分的問題，探索了在線實驗教學。希望通過在線層次化實驗教學模式的探討，能改善遠程在線實踐環節的效果，提升教學質量，以提高學生解決實際工程問題的能力。