任務(wù)驅(qū)動在控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

任務(wù)驅(qū)動在控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

本文針對控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真的教學(xué)現(xiàn)狀，提出采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，探討了該模式下任務(wù)的設(shè)計原則，以及具體的實施過程。實踐表明該教學(xué)方法的實施能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強學(xué)生的參與度，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

任務(wù)驅(qū)動；控制系統(tǒng)；教學(xué)方法；仿真

1.引言

仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程師所掌握的必備技能之一，控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真已成為自動化及相關(guān)專業(yè)的重要課程，在理論和實驗教學(xué)、科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中都發(fā)揮著不可替代的重要作用。

對于自動化及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，為了解決控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用過程中繁瑣計算、曲線繪制、控制與設(shè)計等問題，更需要熟練掌握MATLAB的使用，學(xué)好控制系統(tǒng)CAD與仿真技術(shù)，同時也為后續(xù)學(xué)習(xí)及研究打下基礎(chǔ)。

但是目前，在控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的授課過程中，還存在這如下問題：

（1）在理論課上，對于一些概念性介紹內(nèi)容以及操作規(guī)則，由于這些內(nèi)容及知識沒有很強的邏輯推導(dǎo)關(guān)系，不容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，吸引學(xué)生的注意力。并且在理論課時授課中，多數(shù)是采取在多媒體教室授課，而不是機房授課，僅僅給學(xué)生演示性的介紹控制系統(tǒng)CAD的規(guī)則及方法，不夠真切，學(xué)生印象也不深刻，在后續(xù)進行實驗課具體操作時又處于歸零狀態(tài)。

（2）在實驗課時，教師在同步完成演示之后，讓學(xué)生按照演示自己完成相關(guān)內(nèi)容，此時會發(fā)現(xiàn)學(xué)生不能夠很好的掌握MATLAB語言的特點，對于老師演示的例子，完成度比較高，但是卻乏思考及探索精神，造成舉一反三的能力不足，對于一些相關(guān)例題完成度不高。

對于以上主要問題，究其原因在于教與學(xué)的過程中總存在這一些隔閡，學(xué)生不能很好的理解掌握教學(xué)內(nèi)容，即便能夠理解課程的內(nèi)容，但在實際運用操作的時候，往往體現(xiàn)出理解不深刻，思考不充分，探索精神不強等現(xiàn)象?；谝陨蠁栴}，課程設(shè)計上需要改革，在教學(xué)方法上加入任務(wù)驅(qū)動的元素。

2.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種使學(xué)習(xí)者在完成特定任務(wù)的過程中獲得知識與技能的教學(xué)方法[1]。學(xué)生在完成教師布置具體任務(wù)的過程中，通過師生的互動以及學(xué)生之間的互動，真正讓一些知識與技能內(nèi)化，體現(xiàn)了“教師主導(dǎo)+ 學(xué)生主體”的教學(xué)理念。那么基于任務(wù)的學(xué)習(xí)，也是學(xué)習(xí)者根據(jù)一個具體的任務(wù)，在查閱資料，探索創(chuàng)新、思考認證，內(nèi)化吸收的過程中，以團隊或個人的形式自主地獲得較為完整而具體的知識，形成技能并獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，表現(xiàn)在三個中心的轉(zhuǎn)變，即以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀蝿?wù)為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嶋H操作為中心[2]。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法以完成為學(xué)生設(shè)定的任務(wù)為教學(xué)總目標，在教師的主導(dǎo)作用下，循序漸進的逐步引導(dǎo)學(xué)生完成不同教學(xué)階段的任務(wù)，這樣，學(xué)生也很自然的將課堂或書本上的理論知識和實際操作實踐融會貫通起來，既能領(lǐng)會理論知識的指導(dǎo)作用，又能提高其動手能力，還能培養(yǎng)其實踐創(chuàng)新能力。

基于任務(wù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的教學(xué)過程改革中，著重點在于課堂與實驗的自然銜接，教學(xué)過程可分為四個部分，一是任務(wù)的布置，即讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標；二是課堂講解相關(guān)知識及例題，讓學(xué)生直觀感受MATLAB仿真解決問題的過程，促進學(xué)生思考并執(zhí)行布置任務(wù)的求解；三讓學(xué)生進入實驗室進行具體任務(wù)的解答，即仿真和調(diào)試程序；四設(shè)置開放性的作業(yè)，可以采用分組的方式，讓學(xué)生在討論中增強學(xué)習(xí)效果。

2.1 任務(wù)的設(shè)定

任務(wù)的設(shè)定是控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真課程中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)。每節(jié)課都要設(shè)定現(xiàn)實的、有意義的、有代表性的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動的去探尋求解，從而掌握所學(xué)理論基礎(chǔ)知識，又能提升學(xué)生的實際操作能力。任務(wù)的設(shè)定，首先是將整門課程任務(wù)進行合理的分割，以基礎(chǔ)模塊為主線，專業(yè)模塊為支撐，實訓(xùn)模塊為亮點，將三個模塊有機的結(jié)合起來，穿插在教學(xué)過程中的各個環(huán)節(jié)中，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性，從而極大地提高教學(xué)效率，增強教學(xué)效果.根據(jù)課程不同模塊的特點，在任務(wù)設(shè)置時合理分配，由淺入深，要具有一定的開放性和前瞻性[3]。任務(wù)與任務(wù)之間具有連續(xù)性，前一個任務(wù)是后繼任務(wù)的基礎(chǔ)，后繼任務(wù)是前一個任務(wù)的延續(xù)或提高。

通過老師設(shè)定提出問題，促使學(xué)生積極思考，形成分析問題和解決問題的思維習(xí)慣，將知識點融會貫通，提高應(yīng)用水平。另外，教師在任務(wù)制定時可以提前和學(xué)生溝通， 對于學(xué)生感興趣的或者比較愿意去實現(xiàn)的內(nèi)容可以擴展任務(wù)要求。同時在任務(wù)分配時要注意任務(wù)的難度，選擇合適的教學(xué)手段，可以組織學(xué)生進行小組討論，將任務(wù)進行分解，讓每個學(xué)生負責(zé)集體任務(wù)的一部分[4]。

2.2 任務(wù)的實施

學(xué)生在進行任務(wù)實施的過程中， 往往接觸的是全新的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，要完成任務(wù)對所有學(xué)生無論基礎(chǔ)好壞都是個挑戰(zhàn)，同時這也是增強學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)信心的好機會，好方法。

2.2.1 完成分組。

布置完任務(wù)后，組織同學(xué)迅速的完成分組，每次分組都是隨機的，克服同學(xué)依賴基礎(chǔ)較好同學(xué)的惰性思想，另外還要設(shè)定好小組任務(wù)完成程度的獎懲措施。

2.2.2 課堂講解。

在布置任務(wù)，完成分組后，給學(xué)生3-5分鐘隨意討論，查閱資料的時間，讓學(xué)生自己對于任務(wù)有個大致的想法或者解決的框架。然后在學(xué)生感到壓力巨大，無所適從的時候，開始課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)階段，根絕教學(xué)內(nèi)容的安排及任務(wù)的要求組織實施教學(xué)計劃。要突出重點，簡潔扼要，提綱挈領(lǐng)。在此過程中，要充分考慮布置的任務(wù)對課堂內(nèi)容的銜接。

2.2.3 任務(wù)實施.

對于控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的初級階段，任務(wù)的內(nèi)容比較簡單，易于實施。是用于了解，掌握，分析關(guān)鍵知識點的應(yīng)用實例。一般小組能夠獨立完成。通過仿真演示，學(xué)生可以看到系統(tǒng)實際運行的結(jié)果，有助于提升學(xué)生的感性認識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的自信心，促使學(xué)生更積極的進行任務(wù)的實施完成。在本門課程中如MATLAB基礎(chǔ)知識，常微分方程的求解，MATLAB程序設(shè)計入門，還有系統(tǒng)的時域分析，及Simulink基礎(chǔ)等。

對于一些綜合任務(wù)，綜合多模塊知識，綜合性強，具有一定難度的項目，大部分同學(xué)在老師的引導(dǎo)下都能完成課堂所設(shè)定的任務(wù)。但是這些任務(wù)往往是幾個基礎(chǔ)任務(wù)的有機融合，需要先前任務(wù)知識的熟練調(diào)用、操作，進而完成復(fù)雜任務(wù)?；镜牧鞒淌抢蠋熞龑?dǎo)，學(xué)生探求討論，進而實際操作驗證。

3.結(jié)論

任務(wù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真教學(xué)方法，以問題和任務(wù)覆蓋整門課程的知識構(gòu)架，采用任務(wù)驅(qū)動，問題啟發(fā)的教學(xué)方式來實施教學(xué)內(nèi)容的安排，符合目前專業(yè)課的基本教學(xué)原則。此教學(xué)方式不僅可以提高學(xué)生的自學(xué)能力及團隊合作能力，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的自信心。同時對老師也提出了更高的要求，要根據(jù)學(xué)生實際操作的反饋效果來調(diào)整任務(wù)的難易程度，根據(jù)不用的學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，設(shè)定多層次的任務(wù)。既能保證基礎(chǔ)一般同學(xué)達到基本教學(xué)目標，又能引導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)探求新知。

[1]郭紹青.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的內(nèi)涵[J].中國電化教育,2006(7):57-59.

[2]王艷芬，曹慶皎.項目驅(qū)動的MATLAB與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)探索[J].文化視野, 2015:377-392.

[3]周本海.探析matlab 教學(xué)中任務(wù)教學(xué)法的應(yīng)用[J].信息技術(shù)教學(xué)與研究,2015(08).

[4]劉麗，朱學(xué)玲.MATLAB 課程任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的研究與應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報,2017,33(7):193-194.

課題項目：本文為實踐教學(xué)課程建設(shè)項目（p201602001）,《模擬電子技術(shù)》全英文課程建設(shè)項目。