《MATLAB與機電系統仿真》課程教學改革與實踐

張 琪，艾 青，周 武，高紅亮

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

國家重大戰略和需求是工程教育改革創新的起點?，F代人才培養過程中，以學生為中心，注重學生的動手能力和實踐能力的培養。為激發學生的學習熱情和創新意識，注重多學科融合、理論聯系實際，幫助將所學知識融匯貫通[1]。

《MATLAB 與機電系統仿真》是電氣類專業的一門有特色的選修課，面向本科大三學生。課程目標要求學生學習運用MATLAB軟件對機電系統進行仿真，實現所學課程專業知識的交叉融合與綜合運用，為后續課程的學習、工程設計和科學研究打下基礎，提高學生解決復雜工程問題的能力[2]。

1 教學中存在的問題

MATLAB與機電系統仿真課程的教學班級人數為70至120人。在《MATLAB 與機電系統仿真》教學過程中，學生普遍反映，“上課能聽懂，自己動手編程卻沒有思路”“學的會，考的高，不會解決實際工程問題”等。這現象不符合新工科、卓越工程師或工程教育認證等對應用人才的要求[3]。為此，課題組調查研究，與學生溝通，分析過往學生作業、課堂表現和成績等，認為課程教學主要存在以下問題：

1)理論與實驗教學模式過于單一，難以激發學生學習興趣。

課程的理論部分和實驗部分分開進行。理論課上，老師在講臺上授課，演示編程過程，難以顧及學生個體的差異性；而學生不斷地記筆記或一味地模仿操作，往往會忽視老師講的知識點。實驗課上，學生回憶理論課上所學知識，再去嘗試編程，浪費時間，效果不好。

2)教學內容與實際應用缺少關聯，難以培養學生解決問題的能力。

傳統課本重編程語法講解，輕工程實踐，示例無法反映實際工程的應用，教材內容枯燥、更新迭代慢，難以引導學生利用所學知識解決實際應用問題，更難以實現新工科立德樹人的目標。

3)考核形式不完善，難以培養學生的自主學習能力、想象能力和創造能力。

2 教學改革方案

在工程教育專業認證背景下，其他院校課程教學與改革采用了多種有效措施。結合本校和本院學生實際學習情況，優化了教學內容，整合了教學資源，改善了課程考核評價體系，設計并實施了基于“學習通自建課程+翻轉課堂”的線上線下混合式教學模式，提高了學生的參與度，促進了學生自主學習和協作式學習，以及提升了創新能力和動手能力[4,5]。

2.1 優化教學內容，重構教學體系

保留課程必要的知識講授環節，增加基礎實驗和創新項目環節，結合MATLAB軟件對知識和實際工程應用的要求，將課程內容分為“3個模塊，9個章節，6次實驗，3次項目”，如圖1所示。

圖1 MATLAB與機電系統仿真課程優化的教學內容

“3個模塊”分別是MATLAB基礎、系統建模與仿真和Simulink應用，分別從基礎、模型和應用3方面，共9個章節，分階段、分層次進行教學。

“6次基礎性實驗”，在主要章節學習完后進行，幫助學生鞏固所學知識，實驗內容由教師提供，學生獨立完成[6]。

“3次創新型項目”，在每個模塊學習完后進行，內容與行業人才需求接軌，培養學生工程意識和解決工程實際問題的能力。項目的內容是多學科交融的，可以由教師提供，也可以學生自己擬定。這個過程是團隊合作的，集趣味、能力和素質為一體，促進學生之間的相互交流，培養團隊分工協作精神，提高學生的學習效率。同時有助于緩解傳統教學模式中，教師精力有限，無法兼顧每個學生的難題[7]。

同時，在課中增加思政元素，以問題為導向，融合學科前沿與思政元素，有效引入課堂中，潛移默化教育學生，起到立德樹人的效果[8]。

2.2 改革教學模式，改進教學方法

課前，學生學習線上資源；課中，教師有導向性的重難點知識講解，或是學生開展討論與實踐，或是以學生匯報等方式，實施“以學生為中心”的翻轉課堂；課后，學生情況反饋以及教師教學反思。這個過程形成了閉環的混合式教學模式[7]。教師不再只是站在講臺上講授，而是走進學生中間，了解學生學習情況，不斷優化教學內容和學習資源，使學生的學習更加個性化。圖2是混合式翻轉教學模式中教師和學生主要的角色職責。

1)課前準備環節

教師根據授課內容，在學習通上建立教學資源庫，發布學習資源，并布置學生預習的任務。同時配套有小測試，檢測學生預習情況，教師可及時調整線下課堂重難點講授的知識。學生通過學習通app，學習課前資料，完成課前任務。

2)課堂及實驗教學環節

學生通過課前預習，對于知識點已有一定的掌握。在課堂中，學生主要通過與教師交流，實踐操作，使知識得到內化，提高學習的質量。教師也可通過課上的互動、隨堂練習等活動，了解學生課前學習情況，及時調整講解內容及重難點。

3)課后反饋環節

課后學生小組自主學習與討論，并提交學習成果以及學習中問題。教師根據學生實驗完成情況和問題反饋等，利用線上交流平臺和線下指導，與小組學生進行答疑和解惑，同時進一步優化教學內容。

圖2 混合式翻轉教學模式

2.3 更新考核方式，跟蹤教學效果

為了促進學生的學習，從考核形式、考核內容和學業評價方式3個方面，設計教學環節，提高理論和實驗教學的質量，逐步完善學業成績評價方法。圖3展示了《MATLAB 與機電系統仿真》課程的考核方式。

圖3 MATLAB與機電系統仿真課程更新的考核方式

1)考核形式

改變“一紙定終身”考核模式，采用“平時表現+實驗完成+項目實現”的過程評價組合，綜合評價學生的知識掌握程度。通過各種教學手段，以提高學生分析和解決實際問題的能力為目標，督促學生課前預習，促進課堂參與度，激發學生的學習興趣。

2)考核內容

細化考核內容，加強過程管理，鼓勵學生參與課程各環節，以激發學生創新能力和動手能力為目的。“平時”考核學生課前預習程度，課中教學環節的參與度，以及課后課程的反饋情況。“實驗”是基礎性實驗的訓練，主要幫助學生鞏固所學的重難點知識，培養程序設計思路和動手能力?！熬C合性項目”，以解決實際工程問題為導向，綜合考核小組項目完成情況，主要針對項目資料的收集是否完成、總結方案是否可行、程序調試是否成功、實現方法是否單一、項目完成是否及時、回答問題是否正確等方面進行考核。

3)學業評價方式

平時成績，主要通過學習通平臺記錄，教師課前設置，課程結束后系統自動核算。實驗成績，由學生現場實操情況和實驗報告質量兩部分組成。綜合性項目設計部分，從選題創新性、功能完成度、團隊合作情況、項目匯報等綜合考核，通過教師主評、組間互評、小組成員自評等多角度綜合評價[9]。

新的考核形式，能詳細跟蹤學生學習情況，有針對性地引導學生主動學習和探索、積極交流和協作，確保每位學生“主動學、勤練習、有收獲”。

3 教學效果分析

根據本校電氣工程及其自動化專業三年級學生選修《MATLAB與機電系統仿真》課程的學習數據，2017級以前主要實施傳統線下課堂授課模式。從2018級學生開始，建立線上課程資源。對2018級學生提供線上學習資源，但不作強制要求，線上學習情況不計入期末總成績；對2019級學生提供線上學習資源，但跟蹤學生的學習情況，并計入期末總成績。根據學習通線上課程管理數據可以得到2018級、2019級線上視頻觀看情況，如表1所示?？梢钥闯觯?018級學生有大部分同學參與線上學習，2019級94%學生積極參與，參與度大大增加。

表1 學習通視頻完成度

同時，匯總2017級、2018級和2019級學生期末考試成績，如表2所示。相比2017級學生成績，2018級和2019級學生期末成績低分率逐年降低，中高分率逐年升高。

表2 2017級-2019級選課學生期末成績

根據三屆學生的學習反饋，2017級學生主要反映上課速度快，課后學習資料少；2018級學生主要反映，線上課程幫助查漏補缺，但是部分內容與課上重復，浪費時間；2019級學生，主要反映，課前的預習和視頻觀看比較耗時，但課上教師的重難點知識講解更有針對性，吸收更好，并通過多次的實驗和有挑戰性的項目，鞏固了所學的知識，提高了學習的興趣和動手實踐能力，能初步解決簡單的工程問題。

4 結語

《MATLAB與機電系統仿真》 課程教學，結合本校課程目標和學生情況，優化了教學內容，改革了教學方法，更新了考核模式，實施了基于“學習通自建課程+翻轉課堂”的教學模式。學生主動學習，積極參與課堂互動，理論成績和解決工程問題的能力也明顯提高。實踐結果表明，這一系列措施能夠有效提高學生的學習興趣和實踐創新能力。

Discussion on teaching reform based on the course “MATLAB and mechatronic systems simulation”

ZHANG Qi，AI Qing，ZHOU Wu，GAO Hong-liang