新工科背景下《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》翻轉(zhuǎn)教學(xué)研究

陶鍇

摘 要：新工科背景下的課程教育對(duì)學(xué)生工程與創(chuàng)新能力提出了更高的要求。針對(duì)當(dāng)前《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程中存在的課前學(xué)習(xí)自主性缺乏、編程互動(dòng)性欠佳、課后學(xué)習(xí)實(shí)踐性效率低下等問(wèn)題，基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)思路進(jìn)行課程的改革研究，著重從控制系統(tǒng)理論準(zhǔn)備、課中編程操作、課后復(fù)習(xí)及多元化考核等方面展開(kāi)，可提高學(xué)生利用MATLAB工具開(kāi)展系統(tǒng)仿真學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)其工程能力培養(yǎng)和綜合創(chuàng)新素質(zhì)的提高。

關(guān)鍵詞：MATLAB;控制系統(tǒng)仿真;翻轉(zhuǎn)教學(xué);新工科

中圖分類(lèi)號(hào)：G64? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-9132（2022）10-0012-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.10.004

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》是傳統(tǒng)電氣工程自動(dòng)化、測(cè)控儀器專業(yè)本科與研究生階段必修課程之，一隨著“卓越工程師計(jì)劃”的提出，新工科背景下對(duì)當(dāng)代學(xué)生的創(chuàng)新與工程能力提出了更高的要求。雖然當(dāng)前課程教學(xué)采用理論講授與數(shù)值模擬編程相結(jié)合的方法，但在理論講授方式、編程實(shí)踐開(kāi)展方法以及考核模式方面存在較大的改進(jìn)空間。翻轉(zhuǎn)課堂在當(dāng)前高等教育中應(yīng)用廣泛，利于學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和學(xué)習(xí)效率提高。本文基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法探索此課程的創(chuàng)新教學(xué)，分析總結(jié)課程教學(xué)現(xiàn)狀，并以新工科導(dǎo)向?qū)碚撆c實(shí)踐教學(xué)提出改革研究。

一、存在問(wèn)題分析

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程由于理論與實(shí)踐均具有一定的技術(shù)門(mén)檻，故教師在授課時(shí)需要綜合處理二者的課時(shí)分配和考核占比問(wèn)題。以筆者在課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)可知，此課程傳統(tǒng)教習(xí)存在不足如下。

（一）課前學(xué)習(xí)自主性缺乏

課前預(yù)習(xí)是高效學(xué)習(xí)的必要前提，學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)任務(wù)提前了解章節(jié)內(nèi)容分配、知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和難點(diǎn)分布，知曉自身學(xué)習(xí)難點(diǎn)的分布狀況，使課堂更具針對(duì)性。然而在實(shí)際授課中，真正做到課前預(yù)習(xí)的學(xué)生占比較少，大多數(shù)學(xué)生只能從課堂講授開(kāi)始首次接觸新知識(shí)。造成這一現(xiàn)象主要?dú)w咎于課堂時(shí)間限制，教師在完成章節(jié)內(nèi)容講授時(shí)往往已經(jīng)接近下課，無(wú)法詳細(xì)說(shuō)明下次課程的預(yù)習(xí)規(guī)劃，加之學(xué)生課程任務(wù)量大，對(duì)課后復(fù)習(xí)的重視程度遠(yuǎn)高于課前預(yù)習(xí)，沒(méi)有充分重視此教學(xué)環(huán)節(jié)。

（二）編程教學(xué)互動(dòng)性欠佳

MATLAB是一款應(yīng)用廣泛的數(shù)值計(jì)算模擬軟件，要想基于此工具開(kāi)展控制系統(tǒng)仿真，首先需要熟練掌握諸如集合寫(xiě)入寫(xiě)出、數(shù)據(jù)處理及圖形繪制等在內(nèi)的基本操作。當(dāng)前的課堂教學(xué)受課程進(jìn)度和時(shí)間限制，主要采用教師講授演示方式開(kāi)展，學(xué)生作為知識(shí)的接受者，只能被動(dòng)接受講授，雖然可通過(guò)筆記、學(xué)習(xí)視頻等方法對(duì)教師講授的知識(shí)進(jìn)行回顧，但理論方法與編程實(shí)踐的時(shí)間結(jié)合點(diǎn)過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)利用課堂理論豐富實(shí)踐操作，減少了編程知識(shí)的即時(shí)使用性。此外，由于教師演示計(jì)算對(duì)象多為經(jīng)典的控制系統(tǒng)案例，變量的輸入輸出較為固定，故編程操作無(wú)法涉及足夠的矩陣操作，理論與編程教學(xué)互動(dòng)性欠佳。

（三）課后學(xué)習(xí)實(shí)踐性效率低下

基于MATLAB開(kāi)展的控制系統(tǒng)仿真課程最終目的是掌握基本控制系統(tǒng)組成并學(xué)會(huì)使用MATLAB工具開(kāi)展數(shù)值模擬，但實(shí)際課程中往往側(cè)重教學(xué)MATLAB仿真環(huán)節(jié)，在仿真操作步驟所分配的課時(shí)占比較高。此種方法雖然可以更為詳細(xì)地講解MATLAB仿真方法，使學(xué)生可以學(xué)習(xí)更全面的編程指令，但由于無(wú)法在經(jīng)典控制系統(tǒng)理論講授上分配足夠的時(shí)間，學(xué)生無(wú)法擁有控制系統(tǒng)知識(shí)深層次的理解。由于控制系統(tǒng)理論復(fù)雜且內(nèi)容量龐大，學(xué)生在課后自主學(xué)習(xí)時(shí)難度較高，在脫離教師的梳理和引導(dǎo)下難以全面透徹理解知識(shí)。基于此種授課模式開(kāi)展的控制系統(tǒng)仿真也往往偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生自主性和創(chuàng)新性能力培養(yǎng)，學(xué)生在課后學(xué)習(xí)實(shí)踐性方面效率不足。

二、翻轉(zhuǎn)教學(xué)改革措施

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》雖然知識(shí)點(diǎn)繁多，但可依據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行模塊拆解，將課前、課中及課后學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行合理分配，故翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法能更好地契合本課程學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

（一）自主性導(dǎo)向預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)施的必要前提，教師在上一次課程結(jié)束前應(yīng)預(yù)留一定的時(shí)間（一般3-5分鐘）用于布置下次課程提綱講解和預(yù)習(xí)任務(wù)，在任務(wù)下達(dá)過(guò)程中應(yīng)該突出預(yù)習(xí)重點(diǎn)，對(duì)知識(shí)分布和難點(diǎn)進(jìn)行分解，并以宿舍或班級(jí)為單位將學(xué)生分組，教師為每組分配預(yù)習(xí)任務(wù)。每組設(shè)置小組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)為組內(nèi)成員分配任務(wù)，可通過(guò)慕課、國(guó)內(nèi)外高校網(wǎng)課等平臺(tái)下載所需素材。在向?qū)W生下發(fā)預(yù)習(xí)任務(wù)的同時(shí)，教師需要提前篩選多個(gè)備選的學(xué)習(xí)站點(diǎn)，給出完整的預(yù)習(xí)任務(wù)清單。對(duì)于關(guān)鍵的矩陣操作與函數(shù)使用，教師應(yīng)提前錄制教學(xué)視頻并給出演示例程，以提高學(xué)生預(yù)習(xí)效率。教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)留預(yù)習(xí)小測(cè)試，學(xué)生完成后提交反饋，此種做法既便于教師及時(shí)掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)狀態(tài)，也可為預(yù)習(xí)工作增加考核的可量化性。此外，為了克服課堂時(shí)間限制，可充分利用線上任務(wù)布置方式，在課程開(kāi)始前通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下發(fā)任務(wù)，充分實(shí)現(xiàn)學(xué)生的課前自主性導(dǎo)向預(yù)習(xí)。

（二）實(shí)戰(zhàn)化編程

課中學(xué)習(xí)是翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)和知識(shí)內(nèi)化的關(guān)鍵步驟，也是實(shí)現(xiàn)課堂學(xué)習(xí)效率最大化的重點(diǎn)內(nèi)容。課中學(xué)習(xí)可分為如下兩個(gè)步驟：（1）實(shí)戰(zhàn)化學(xué)習(xí)展示。此環(huán)節(jié)為課前預(yù)習(xí)的展示匯報(bào)環(huán)節(jié)，各小組成員依據(jù)前期分配的控制系統(tǒng)仿真算例任務(wù)進(jìn)行演示報(bào)告。依據(jù)選課人數(shù)差異，每小組4-10人不等，組員間合理分工依次進(jìn)行控制系統(tǒng)理論講解、MATLAB操作演示、系統(tǒng)仿真展示等。倘若系統(tǒng)變量過(guò)多，仿真環(huán)節(jié)可依據(jù)模型功能進(jìn)一步細(xì)化，或針對(duì)同一問(wèn)題從多個(gè)角度多次分析。學(xué)生在進(jìn)行任務(wù)準(zhǔn)備與成果展示時(shí)會(huì)專注于課程知識(shí)，在完成任務(wù)自我成就感的激勵(lì)下取得更好的學(xué)習(xí)效果。（2）現(xiàn)場(chǎng)編程訓(xùn)練。此門(mén)課程的最終目的是將理論與實(shí)踐結(jié)合，熟練掌握基于MATLAB工具的控制系統(tǒng)仿真方法。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要側(cè)重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在完成小組展示后，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的熟悉度最高，此時(shí)教師可提前設(shè)計(jì)與此章節(jié)相關(guān)的控制系統(tǒng)算例，讓學(xué)生在課堂給定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行MATLAB編程仿真訓(xùn)練，從實(shí)戰(zhàn)化角度進(jìn)一步加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力。

（三）課后復(fù)習(xí)與多元化考核

當(dāng)前學(xué)生的課后復(fù)習(xí)意識(shí)淡薄，往往會(huì)等到期末考試前才開(kāi)始集中式的復(fù)習(xí)。傳統(tǒng)考核方式大多在課程結(jié)束后進(jìn)行，通常由期末考試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)構(gòu)成，且平時(shí)成績(jī)占比往往較低。此種考核方式雖然可以滿足基本教學(xué)要求，但容易使學(xué)生認(rèn)為課程重點(diǎn)在期末的考察，從而忽視平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程。為了提高學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)課程的重視程度，此處基于翻轉(zhuǎn)課堂思想對(duì)課后復(fù)習(xí)與考核方式進(jìn)行多元化改革，具體方法如下：（1）設(shè)置章節(jié)課后復(fù)習(xí)任務(wù)。為了避免期末集中考試時(shí)段學(xué)生的復(fù)習(xí)壓力，需要在每章節(jié)學(xué)習(xí)后及時(shí)復(fù)習(xí)，權(quán)衡知識(shí)面覆蓋性與學(xué)習(xí)集中性矛盾。作為一門(mén)實(shí)踐與理論相互交叉的課程，課后除了需要練習(xí)MATLAB編程外，還需要加強(qiáng)對(duì)于控制系統(tǒng)理論的復(fù)習(xí)，教師在布置課后復(fù)習(xí)測(cè)試時(shí)需要兼顧理論強(qiáng)化與實(shí)驗(yàn)編程練習(xí)，并及時(shí)做好測(cè)試效果統(tǒng)計(jì)，以調(diào)整后續(xù)授課方法和進(jìn)度安排。（2）加大平時(shí)成績(jī)?cè)谧罱K課程得分的權(quán)重。傳統(tǒng)考核方法中期末測(cè)試成績(jī)占最終分?jǐn)?shù)的權(quán)重過(guò)大（一般大于70%），此處將課程分?jǐn)?shù)構(gòu)成拆解為預(yù)習(xí)測(cè)試得分、現(xiàn)場(chǎng)展示與編程環(huán)節(jié)得分、課后復(fù)習(xí)測(cè)試環(huán)節(jié)得分及期末測(cè)試得分四個(gè)環(huán)節(jié)，占比分別為10%、20%、20%、50%。此種考核方式需要在課程開(kāi)始之初明確公布，課程進(jìn)行中要嚴(yán)格做好數(shù)據(jù)記錄，在總成績(jī)的激勵(lì)之下使學(xué)生更加重視平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程，進(jìn)而提高知識(shí)的內(nèi)化效果。

三、結(jié)語(yǔ)

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程注重理論與實(shí)踐統(tǒng)一，將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念應(yīng)用于此課程，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科認(rèn)知、自主學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新能力。課堂中通過(guò)課前自主性導(dǎo)向預(yù)習(xí)、課中實(shí)戰(zhàn)化編程教學(xué)、課后多元化復(fù)習(xí)考核三個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的課程改革，將學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)由教師轉(zhuǎn)換為學(xué)生，能使學(xué)生具有更好的參與感和積極性，更好地適應(yīng)新工科背景下電氣自動(dòng)化、儀器科學(xué)學(xué)科對(duì)綜合學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)要求。

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