電氣工程專業課程《MATLAB 應用基礎》教學創新研究

陳 強

（南京工程學院<電力工程學院>，江蘇 南京 211167）

0 引言

MATLAB 以矩陣運算為基礎，實現程序設計的可視化交互。 Simulink 是MATLAB 的一個重要軟件包，基于框圖架構實現目標系統的建模仿真分析。隨著計算機硬件性能持續提升，MATLAB 工具軟件不斷迭代， 針對電氣學科Simulink 推出了SimPowerSystems封裝子模塊庫， 能夠模擬各種實際電氣工況。《MATLAB 應用基礎》 課程是一門理論與實踐緊密聯系的課程，通過仿真的方式模擬實際工況，培養學生運用專業知識分析問題和解決問題的能力。南京工程學院開設該課程，旨在通過MATLAB/Simulink 相關知識的講授， 使學生熟練掌握MATLAB 軟件的操作方法、文件類型、模型建立方法、文件編寫方法、圖形繪制方法等基礎操作， 理解MATLAB 在電力系統中仿真分析及計算中的應用原理，切實提高學生動手操作能力，為將來工作和深造打下堅實的基礎。

1 教學現狀和需求

該課程覆蓋知識面較廣，電力系統、電力電子、電機學等專業方向均有涉及。目前課堂教學多以教師為中心開展，教師通常借用PPT 等傳統多媒體工具單方面向學生灌輸課程知識，教學過程中學生并沒有實際操作，參與度也不高，導致學生缺少獨立思考和主動實踐的機會，被動接受知識，教學效果大打折扣。

MATLAB 重在應用操作，《MATLAB 應用基礎》課程也是側重于電氣工程相關領域的仿真應用，不是單純的書本知識， 這就對教師的科研能力提出一定要求。 教學上應采用理論聯系實際的原則，將課程的理論知識與實際工程案例相結合，把教師在科研中的實踐經驗引入課堂。 除此之外，教師還需要轉變傳統教學模式，充分發揮學生學習的主觀能動性，讓他們多動手操作，從被動學轉換成主動學[1-2]。

2 教學方法和教學內容創新

本人長期在教學工作上摸索和反思，將電氣專業理論知識和仿真實踐知識相結合，有的放矢安排教學計劃， 充分發揮教師科研工作中利用MATLAB/Simulink 建模仿真經驗的作用，培養學生對MATLAB/Simulink 的學習和運用能力，創新教學方法和教學內容，具體如下：

2.1 實踐導向型教學法

《MATLAB 應用基礎》 是一門需要將理論知識與工程實踐相結合的課程， 除相關書面知識的講授，應以實踐應用為導向， 注重學生提升實際建模仿真能力。 在上課地點選擇方面，教師可以充分利用學校資源，安排部分學時課程在計算機房或實驗室實施。 課程教學中應樹立學生的主體地位：課前根據教學計劃安排學生自行預習； 課上根據電氣工程專業特點，重點選取SimPowerSystems 封裝子模塊庫進行講解，并以此為基礎講述仿真系統設計和調試流程，使學生建立建模仿真的基本思路，然后指導學生跟隨教師的步驟獨立進行實際操作， 提高學生的軟件使用能力；課后引導學生將教師課堂講授與自主動手操作相結合相對比，進一步領悟該門課程[3]。

2.2 項目驅動型教學法

項目教學是以具體項目為驅動，將枯燥、復雜的書面知識通過具體項目的形式生動地展現出來，使學生了解實際建模仿真的過程，和理論教學相輔相成[4]。項目既要選取電力系統、電機、電力電子、輸配電等學科方向的傳統項目案例，又要根據學科發展選取智能電網、電動汽車、特高壓、新能源發電等新興產業案例， 使學生在學習課程知識的同時更多了解學科熱點，開闊行業視野。

實際教學過程中，安排學生以小組為單位進行仿真項目開發： 首先教師準備若干仿真項目，3 至5 名學生組成一個項目小組，隨后每個小組隨機抽取教師準備的題目進行仿真開發，最后教師檢查各組仿真結果， 并依據學生所承擔的任務分別進行提問和講評，評估學生的表現。這種教學方式不僅提高了學生實際動手、分析問題、解決問題的能力，也培養了學生團隊分工協作意識。

2.3 應用創新型教學內容拓展

MATLAB/Simulink 仿真與嵌入式開發融合是目前應用的熱點，Simulink 中的Embedded Coder 封裝子模塊庫提供了仿真模型轉化為嵌入式軟件系統的接口，能夠將仿真開發與實際產品開發相結合， 因此有必要向學生講授仿真與嵌入式的聯合開發相關知識點。

教學中首先介紹Embedded Coder 各封裝模塊的功能，搭建具體模型，并借助嵌入式系統硬件在課堂上演示仿真模型向嵌入式軟件系統的轉換過程。以光伏逆變器控制系統仿真與嵌入式系統開發為例，仿真模型由控制系統、驅動系統和逆變功率系統等子模塊構成。 控制系統仿真模塊與Embedded Coder 庫子模塊共同搭建以德州儀器 （TI） 的DSP 控制芯片TMS320F28335 為核心的嵌入式系統軟件生成模型，并利用嵌入式硬件系統和TI 的DSP 開發軟件CCS將仿真模塊轉化為控制系統軟件。整個演示過程生動直觀，有助于學生融會貫通，更好地理解書本抽象的內容。

3 多樣化考核模式

課程考核是促進學生學習的重要手段，也是評價教學質量、評判學生課程成績的主要依據。 考核模式應根據教學內容和教學目標確定。 《MATLAB 應用基礎》課程目標在于培養學生應用MATLAB/Simulink、將專業知識與建模仿真相結合的能力，體現在仿真系統架構設計、仿真模型建立調試、仿真結果分析等方面。

課程考核成績分為平時成績和期末成績兩部分，這就避免了一次考試決定成績的局限性。平時成績能更大程度激發學生日常學習的積極性和主動性，督促學生更扎實地學習該門課程，并認真出勤每一次項目機試，保證日常教學的有效開展。 期末考試采用大作業的形式，教師指定仿真項目，學生根據要求進行建模和仿真分析，并上交仿真模型和仿真實驗報告。 教師審閱學生的模型和報告后對學生進行現場提問，最后綜合給出成績。 這種考核模式能夠更全面、更客觀地考核學生的綜合素質。

4 結語

MATLAB 應用對學生今后工作和科研具有非常重要的意義，是學生運用專業知識進行科研和產品開發的重要工具和手段。本文從《MATLAB 應用基礎》教學的現狀和要求出發，提出了科學的創新教學方法和教學內容，并就多樣化考核模式進行了探討，從提高學生的學習積極性、全面培養學生、綜合客觀考核學生等方面改進教學，提高教學效果。 MATLAB 應用基礎教學是一個不斷改進的過程，從事相關教學的教師應該注重專業知識和科研實踐能力的提升，并在教學過程中不斷推敲打磨、總結經驗，爭取打造精品課程。