材料成形自動控制基礎課程融合教學改革

摘"要：基于材料成形自動控制基礎課程學情反饋和課程特點，借助MATLAB圖形化編程手段，開發了由Laplace變換、系統傳遞函數、時域分析、根軌跡、頻域分析和系統校正六個功能畫面構成的課程教學輔助課件，并將其應用和融合于課程教與學中。通過實例化計算、回調函數代碼學習和可視化運行等多種方式，增強學生對課程重點和難點的理解，對課程內容進行強化學習和拓展學習，同時也激發了對MATLAB軟件的學習和應用興趣。

關鍵詞：融合教學模式；教學課件；教學改革；MATLAB；GUI編程；回調函數

材料成形自動控制基礎課程是東北大學材料成型及控制工程專業在大三開設的一門專業基礎課，在先修課程高等數學、電工學的基礎上，面向鋼鐵生產過程自動控制的實際需求，系統地講授自動控制系統的基本原理、傳遞函數建模、典型環節的時域和頻域特性分析和系統校正五部分內容［1］。在課程教學中，不斷融入教師的最新科研成果，啟發學生理解工程問題中蘊含的控制原理，在知識傳遞中，注重能力培養、素養提升和價值引導。在多年的教學過程中，不斷加強課程研討和課程資源建設，2021年獲批東北大學課程思政示范課程，2022年被評為遼寧省一流本科課程。

專業曾在2019級學生中開展了包括本課程在內的七門必修課的學情調查并及時反饋給各課程教學團隊［2］。學生對本課程總體評價較好，但也反映出傳遞函數涉及的拉普拉斯變換等復變函數相關知識以前未學過，學習難度大，時域和頻域分析部分內容較為抽象，理解較為困難，系統校正效果體現不直觀等學習問題。對此，課程教學團隊在2020級學生中采取了諸如復變函數專題輔導、階段性測試與講解等教學改進措施，并開始著手基于MATLAB"GUIDE開發環境，通過人機交互、圖形展示等手段，創建課程教學輔助課件，實現重點知識的可視化教學。

在對2021級學生進行課程教學時，結合教學內容和學生課堂反饋情況，對所開發的MATLAB課件進行融合教學設計和實施［3］，如圖1所示。

在現有的板書、PPT、動畫、視頻、BB平臺等多種教學方式的基礎上，將課程教學輔助課件融入教學過程中，開展仿真教學［4］，對系統建模、系統分析方面涉及的教學難點進行及時剖析，對因輸入信號變化、系統結構變化和參數變化引起的各種系統響應進行可視化呈現，從而增強學生對課程重點和難點知識的理解，使學生具有對材料成形復雜工程問題進行系統建模、分析、評價和校正的初步能力［5］，并帶動學生自主學習MATLAB編程和應用的興趣，提升使用現代工具的能力和水平。

一、MATLAB教學輔助課件開發

為滿足學生對課程的學習理解和可視化分析需求，針對系統傳遞函數構建、典型輸入信號響應、一階和二階系統的時域和頻域特性計算以及系統綜合與校正等教學內容，將材料成形自動控制基礎課程教學輔助課件分為系統建模和系統分析兩部分，具體由Laplace變換、系統傳遞函數、時域分析、根軌跡、頻域分析和系統校正六個功能畫面與一個登錄畫面組成，如圖2所示。每個交互畫面由MATLAB的圖形用戶界面（GUIDE）編程開發［6］，每個畫面由菜單、面板、按鈕、單選按鈕、復選框、坐標區、可編輯文本、靜態文本、列表框等構成，按照功能進行組合和排列。對每個畫面的按鈕回調函數進行編程，實現具體的功能需求，并完善課件介紹文檔。

在圖2所示的課件功能畫面上，師生可在圖形化環境中開展實例化實時計算、回調函數代碼演示和可視化交互運行，通過數據、曲線、圖形等多種手段對課程知識點進行解析、展示和重現。

二、MATLAB輔助課件的教學應用

材料成形自動控制基礎課程總學時為40小時且均為理論學時。在有限的學時下，要將MATLAB輔助課件無縫地融入教學中，需要結合課堂教學重點、學生學習難點來確定課件引入的時機、教學時長和運用的教學機智［7］，并與現有的板書教學、PPT教學和課堂練習、課后作業等進行融合，才能多角度地呈現抽象知識背后的控制原理、原則和規律，才能真正地幫助學生理解課程教學內容，啟發學生對“控制”內涵的理解［8］，同時促進教學效果的達成和課程目標的達成［9］。

在對2021級學生的課程教學中，適時地將MATLAB輔助課件引入課堂教學和課后自學中。結合教學進度，逐步將部分分式分解，拉普拉斯變換與逆變換計算，傳遞函數的串聯、并聯和反饋，典型輸入信號的響應曲線繪制，系統穩定性分析和穩態誤差計算，系統開環對數頻率特性伯德圖繪制，幅相頻率特性奈氏曲線的繪制，線性系統PID校正等輔助課件內容納入教學過程中。另外，將相關m文件和說明文檔發給學生，留作課后作業，進行自學。

學生通過回調函數代碼學習、實例化教學內容學習、課件運行和交互操作，在動手操作過程中不斷增進對相關知識的理解，在可視化呈現中進行強化學習，借助實例計算掌握拉普拉斯變換的性質，熟悉系統傳遞函數模型的構建，學會系統動態性能指標的計算方法，學會分析系統結構和參數對系統控制性能的影響。

三、學生評價與可持續改進

在融合教學過程中，2021級學生對所開發的教學輔助課件表現出濃厚的興趣，課堂專注度和師生互動明顯增強，同時在課程考核方面對教學輔助課件的運用和學習也有一定的傾斜，引導學生對MATLAB語言和MATLAB軟件控制模塊進行自學，從而能更好地達成課程目標Ⅲ，支撐畢業要求指標點12.1［1011］。

課程團隊教師在教學過程中，也非常注意收集學生對所開發的課件及其運用的意見和建議，對學生反饋的課件內容、交互方式、可視化教學運用方式［12］等多個方面進行改進，滿足不同類型的學生對課程高階性、創新性和挑戰度的不同需求［1314］。另外，課程教師結合課件輔助教學的應用情況，也及時調整和改進教學方式，推動融合教學模式的深化，推動材料成形自動控制基礎課程可持續改進。

結語

針對學生在學習材料成形自動控制基礎課程所面臨的知識抽象、復變函數數學基礎薄弱、系統控制性能定性評價和定量計算交織、系統校正效果不直觀等學習難題，利用MATLAB軟件開發了課程教學輔助課件，并將其融合于課程教學中，通過可視化教學增進學生對課程重點和難點內容的理解和課后的拓展學習，同時也引導學生自主學習MATLAB軟件，學會利用現代工具進行科學計算、分析材料成形相關工程控制問題。

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基金項目：東北大學材料科學與工程學院2023—2024年教育教學改革項目“基于Matlab的材料成形自動控制基礎課程仿真課件開發與教學運用”

作者簡介：彭良貴（1975—"），男，漢族，四川宣漢人，博士研究生，講師，研究方向：扁平材控制軋制與控制冷卻。