基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合課堂教學(xué)改革

翁國慶 戚軍 謝路耀 黃飛騰

摘 要： 提出了“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程中采用基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法的課堂教學(xué)改革方案。為突破現(xiàn)有課堂教學(xué)方法的局限，方案從教學(xué)方式、第二課堂、多學(xué)科關(guān)聯(lián)知識應(yīng)用等多方面，堅(jiān)持以任務(wù)驅(qū)動形式促進(jìn)其多向融合。實(shí)踐表明，所提改革方案可顯著激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、勇于探索意識和團(tuán)隊(duì)精神，培養(yǎng)學(xué)生交叉學(xué)科知識的融合應(yīng)用能力，有效提升學(xué)生動手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動；多向融合；MATLAB

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0082-03

Abstract： Abstract： The paper puts forward a reform scheme of multi-directional integration teaching method based on task-driven approach in the course of "MATLAB and System Simulation". In order to break through the limitations of the existing in-class teaching methods， the scheme insists on promoting multidirectional integration in task-driven forms from the aspects of teaching methods， the second class， and the application of multidisciplinary knowledge and so on. Practice shows that the proposed reform scheme can not only significantly stimulate students' autonomous learning， exploring consciousness and team spirit， but also cultivate students' integration and application ability of interdisciplinary knowledge as well as enhance their practice ability effectively.

Keywords： task-driven； multi-directional integration； MATLAB

電氣信息大類課程體系中，復(fù)雜計算、控制類、信息處理類、智能計算類、電氣工程類等課程的教學(xué)過程以及學(xué)生課程設(shè)計、課外科研和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，均需要大量建模、計算、繪圖、仿真、分析和設(shè)計等過程。MATLAB軟件平臺具有函數(shù)集成度高、語言簡潔、編程效率高、交互性好、使用方便、可視化能力強(qiáng)、擁有眾多領(lǐng)域工具箱等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用各課程學(xué)習(xí)中進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計算、編程建模，以及可視化、系統(tǒng)動態(tài)仿真和性能分析等?？梢哉f，對于理工科學(xué)生而言，熟練應(yīng)用MATLAB語言和仿真平臺來解決實(shí)際問題，是提高其理論聯(lián)系實(shí)際能力、自我創(chuàng)新能力的重要技能。

但由于該課程綜合性很強(qiáng)、知識點(diǎn)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域駁雜，涵蓋內(nèi)容幾乎遍及信息類學(xué)生的重要課程，既抽象又難懂，許多學(xué)生大二開始學(xué)習(xí)但直到畢業(yè)設(shè)計時仍不能較好掌握和應(yīng)用。經(jīng)過長期的思考和調(diào)研，筆者認(rèn)為造成該現(xiàn)象的主要原因在于傳統(tǒng)的以知識點(diǎn)簡單教授為主的教學(xué)方法無法真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和求知欲，如何針對該課程特點(diǎn)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、課程資源、考核方式、教學(xué)組織形式等多方位、一體化的改革，具有重大的意義，且迫在眉睫。

本文提出一種基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合課堂教學(xué)改革方案，核心目的在于基于任務(wù)驅(qū)動形式，通過教學(xué)方式、課堂組織、關(guān)聯(lián)知識應(yīng)用等各方面的多向融合，大大提高該課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的求知欲和成就感，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主性、研究性、開放性、合作性的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其勇于探索實(shí)踐和團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，以及理論實(shí)踐結(jié)合和知識融合應(yīng)用能力。

一、基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法

（一）任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種主動探究型教學(xué)模式，它將“以傳授知識為主”的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙越鉀Q問題、完成任務(wù)為主”的互動式的教學(xué)理念，將再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)楦e極的探究式學(xué)習(xí)，能主動運(yùn)用學(xué)習(xí)的知識和經(jīng)驗(yàn)提出方案、解決問題。其特點(diǎn)是以學(xué)生為中心，以任務(wù)為驅(qū)動，圍繞任務(wù)展開學(xué)習(xí)，以任務(wù)的完成結(jié)果檢驗(yàn)和總結(jié)學(xué)習(xí)過程，促使學(xué)生主動建構(gòu)自主思考、探究實(shí)踐的學(xué)習(xí)體系[1，2]。

（二）多向融合教學(xué)法

多向融合教學(xué)法是一種意圖從“內(nèi)容、模式、手段、途徑、評價”等多維度方向進(jìn)行課程教學(xué)方法的綜合改革思路。其根本目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識融合應(yīng)用、創(chuàng)新實(shí)踐和問題解決能力[3，4]。

（三）基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法

“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程具有很強(qiáng)的獨(dú)特性。一方面，應(yīng)用軟件類課程更需要學(xué)生自身的實(shí)踐操作和問題解決能力；另一方面，課程學(xué)習(xí)的任務(wù)是掌握此工具軟件并用以解決各類專業(yè)問題，需要與本學(xué)科多方向其他課程知識深入融合。因此，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法和多向融合教學(xué)法均非常適用于該課程教學(xué)。基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法，是將上述兩種方法核心理念進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法的核心流程如圖1所示。其改革的關(guān)鍵是：在基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法思想指導(dǎo)下，緊密結(jié)合課程各章節(jié)要求掌握的識點(diǎn)，充分融合學(xué)科關(guān)聯(lián)交叉理論知識，合理設(shè)置系列對應(yīng)的技術(shù)課題任務(wù)，并以此任務(wù)驅(qū)動為抓手，優(yōu)化課堂組織形式，充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)生和探索實(shí)踐欲望，充分利用“第二課堂”，并配套合理、公正的過程性評價機(jī)制[5]。

二、教學(xué)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計

（一）任務(wù)驅(qū)動式和認(rèn)識式教學(xué)方式的融合

教學(xué)方法的采用和教學(xué)方案的設(shè)計必須為教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容服務(wù)。針對本課程的核心教學(xué)目標(biāo)主要為使學(xué)生掌握MATLAB/Simulink這一計算機(jī)仿真平臺及其在電氣工程中的應(yīng)用方法，需要對課程的課堂組織形式進(jìn)行大力革新：弱化教師傳統(tǒng)課堂理論授課的比例，突出強(qiáng)化以學(xué)生為主體的、基于多向融合任務(wù)驅(qū)動式的實(shí)踐授課的重要性。

如表1所示，針對電氣工程及其自動化專業(yè)“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程的各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容，融合本專業(yè)相關(guān)交叉學(xué)科知識，可以合理設(shè)置一系列技術(shù)課題任務(wù)要求學(xué)生結(jié)合第二課堂完成，以任務(wù)驅(qū)動形式培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、知識融合和實(shí)踐應(yīng)用能力。學(xué)生按照分組形式，按要求進(jìn)行課程相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)、課外文獻(xiàn)查閱、課題任務(wù)討論、方案論證、編程仿真實(shí)踐，并集中安排進(jìn)行課題答辯提問環(huán)節(jié)。

表1中，這些為實(shí)施本課程任務(wù)驅(qū)動多向融合教學(xué)方法設(shè)計的技術(shù)課題，旨在改變傳統(tǒng)“被動聽課+簡單作業(yè)”的學(xué)習(xí)方法，要求學(xué)生主動性地融合應(yīng)用課程所學(xué)內(nèi)容，有目的性、針對性地去解決一些相應(yīng)的與電氣工程相關(guān)的課題任務(wù)。一方面，通過實(shí)際問題解決的任務(wù)可以有效激勵提升學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的興趣，另一方面可以提高學(xué)生真正知識的綜合掌握、靈活應(yīng)用能力。

（二）基于任務(wù)驅(qū)動的第一課堂和第二課堂融合

“第一課堂”主要是指的課堂教學(xué)，是指依據(jù)教材及教學(xué)大綱，在規(guī)定的教學(xué)時間里進(jìn)行的課堂教學(xué)活動?！暗诙n堂”是指在第一課堂外的時間進(jìn)行的與第一課堂相關(guān)的教學(xué)活動，其教學(xué)內(nèi)容源于教材又不限于教材，其形式生動靈活、豐富多彩，其學(xué)習(xí)空間范圍廣大。作為一門專業(yè)選修課程，“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)過程中，以教師“教”為主的課堂教學(xué)課時非常有限，也很難開展深入、有效的實(shí)踐能力培養(yǎng)。而由于本課程學(xué)習(xí)主要工具為個人計算機(jī)以及MALTALB軟件包，開展基于任務(wù)驅(qū)動的第二課堂教學(xué)具有很好的可行性。

融合第一課堂和第二課堂實(shí)施的任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法，需要圍繞表1所示設(shè)置的系列技術(shù)課題任務(wù)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，以“第一課堂”所學(xué)知識為基礎(chǔ)，以小組團(tuán)隊(duì)的形式，利用課外時間完成“第二課堂”的課題任務(wù)。在此過程中，作為主體雙方的學(xué)生方和教師方的任務(wù)分別是：1. 學(xué)生方需根據(jù)課題任務(wù)要求，以小組團(tuán)隊(duì)的形式，合作完成相關(guān)文獻(xiàn)查閱、原理研究、MATLAB程序或者Simulink仿真模型設(shè)計、應(yīng)用案例分析等工作，并進(jìn)一步制作相應(yīng)的PPT文本，課內(nèi)集中進(jìn)行答辯報告；2. 教師方需在熟悉課程知識點(diǎn)要求和學(xué)生相關(guān)專業(yè)知識學(xué)情了解的前提下，合理設(shè)置對應(yīng)的技術(shù)課題，在學(xué)生進(jìn)行課題任務(wù)的過程中給與適當(dāng)交流指導(dǎo)，學(xué)生完成課題任務(wù)后課題內(nèi)集中組織答辯討論，答辯后根據(jù)課題完成質(zhì)量和小組答辯質(zhì)量進(jìn)行綜合評估打分。

（三）基于任務(wù)驅(qū)動的多學(xué)科知識應(yīng)用融合

在設(shè)置表1所示各章節(jié)的任務(wù)驅(qū)動式的技術(shù)課題中，可將本課程包含的MATLAB/Simulink編程、建模仿真等知識，與本專業(yè)緊密關(guān)聯(lián)的數(shù)字信號處理、自動控制理論、電機(jī)學(xué)、電氣工程基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)分析、電力電子技術(shù)、新能源發(fā)電系統(tǒng)等相關(guān)課程知識有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)專業(yè)復(fù)雜工程課題的問題分析、模型構(gòu)建、設(shè)計調(diào)試和解決，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)驅(qū)動的多學(xué)科交叉知識融合應(yīng)用。

以表1中的技術(shù)課題案例——“根軌跡方法在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用”為例分析，其涉及的交叉學(xué)科知識如圖2所示。其中，專業(yè)理論上，該技術(shù)課題需要掌握電力系統(tǒng)自動裝置以及自動控制理論學(xué)科知識，構(gòu)建電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的控制數(shù)學(xué)模型；在仿真應(yīng)用上，需要利用Simulink可視化仿真平臺，結(jié)合SimPowerSystem工具箱和Control System工具箱，構(gòu)建含“PSS”電力系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行該電力系統(tǒng)中是否含有PSS，以及PSS中反饋環(huán)節(jié)參數(shù)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析，最后基于MATLAB畫圖功能，將該問題分析解決中涉及關(guān)鍵步驟、重要特性結(jié)果以圖形方式顯示。

三、基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法的案例實(shí)施

（一）案例1：FFT算法編程實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用

以表1中課題“FFT算法編程實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用”為例，進(jìn)行基于任務(wù)驅(qū)動的技術(shù)課題任務(wù)說明：1. 研究FFT算法——對應(yīng)于“MATLAB在數(shù)字信號處理中應(yīng)用”知識點(diǎn)；2. FFT算法編程實(shí)現(xiàn)——對應(yīng)于“MATLAB程序設(shè)計”知識點(diǎn)；3.算法功能圖形展示——對應(yīng)于“MATLAB圖形繪制”知識點(diǎn)；4.FFT算法在電力信號諧波分析中的應(yīng)用——對應(yīng)于本課程MATLAB編程知識與電力系統(tǒng)方向?qū)W科知識的融合應(yīng)用。圖3為學(xué)生根據(jù)該任務(wù)編寫的FFT程序?qū)?yīng)的圖形輸出。

（二）案例2：電力負(fù)荷預(yù)測算法的仿真實(shí)現(xiàn)

以表1中課題“電力負(fù)荷預(yù)測算法的仿真實(shí)現(xiàn)”為例，進(jìn)行基于任務(wù)驅(qū)動的技術(shù)課題任務(wù)說明：1. 常用負(fù)荷預(yù)測人工智能算法原理及其FFT算法編程實(shí)現(xiàn)——對應(yīng)于“MATLAB的人工智能程序設(shè)計”知識點(diǎn)；2. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及支持向量機(jī)算法在電力負(fù)荷預(yù)測應(yīng)用中的仿真實(shí)現(xiàn)——對應(yīng)于本課程MATLAB編程仿真知識與電力系統(tǒng)方向?qū)W科知識的融合應(yīng)用；3.算法功能圖形展示——對應(yīng)于“MATLAB圖形繪制”知識點(diǎn)。圖4為學(xué)生采用支持向量機(jī)方法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測的預(yù)測效果及誤差分析的圖形輸出。

四、結(jié)束語

“MATLAB與系統(tǒng)仿真” 是電氣信息大類各專業(yè)一門仿真工具課程，可以很好地包容多學(xué)科知識交叉應(yīng)用，對學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐的思維和能力培養(yǎng)非常重要。本文首先提出基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法的概念和意義，然后從任務(wù)驅(qū)動式和認(rèn)識式教學(xué)方式的融合、基于任務(wù)驅(qū)動的第一課堂和第二課堂融合、基于任務(wù)驅(qū)動的多學(xué)科知識應(yīng)用融合三個方面詳細(xì)闡述了基于任務(wù)驅(qū)動的多向融合教學(xué)法在該課程課堂教學(xué)改革中的實(shí)施思路，并進(jìn)行了典型教學(xué)案例設(shè)計、實(shí)施及應(yīng)用情況介紹。改革實(shí)踐證明：該方法對學(xué)生學(xué)習(xí)該課程具有顯著的提升效果，不僅可以更好地掌握MATLAB本身知識掌握和應(yīng)用能力，更可增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)關(guān)聯(lián)學(xué)科知識的交叉融合應(yīng)用能力、創(chuàng)新實(shí)踐和問題解決能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李秀瀅，王建新，彭靜.Matlab教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32（2）：104-106.

[2]林海濤.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法在《Matlab程序設(shè)計語言》教學(xué)中的實(shí)踐[J].開封教育學(xué)院學(xué)報，2014，34（1）：80-81.

[3]吳元亮，徐勇，關(guān)宇，等.多向融合探究式教學(xué)法及其在“通信電子電路”中的應(yīng)用初探[J].工業(yè)和信息化教育，2015，01：13-17，68.

[4]翁國慶，黃飛騰，謝路耀，等.“電力系統(tǒng)自動化”課程多向融合探究式教學(xué)電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（1）：79-82+134.

[5]翁國慶，黃飛騰，南余榮，等.新興特色專業(yè)科研反哺教學(xué)多向融合機(jī)制探析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（6）：23-26.