高職自動(dòng)控制原理虛擬仿真平臺(tái)的需求分析及實(shí)施方案

王晨豐 鞏建輝 任健

摘要：職業(yè)院校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，教學(xué)資金缺乏，場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備供應(yīng)不足。基于此，對(duì)商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師進(jìn)行了教學(xué)仿真平臺(tái)的需求調(diào)查，為高職自動(dòng)控制原理虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)提供了依據(jù)。根據(jù)整理分析的調(diào)查結(jié)果，對(duì)教學(xué)仿真平臺(tái)的建設(shè)提出了初步設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：高職;虛擬仿真平臺(tái);需求分析;自動(dòng)控制原理;MATLAB

0 引言

高職教育是以培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的高素質(zhì)技能型人才為目標(biāo)的職業(yè)教育，根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)際，高職學(xué)生群體個(gè)體間存在差異性。部分學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性較弱，熱衷使用移動(dòng)終端及網(wǎng)絡(luò)，對(duì)傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀缺乏興趣，學(xué)習(xí)習(xí)慣及方法較差，但大部分學(xué)生喜歡動(dòng)手操作，有團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，多數(shù)學(xué)生希望掌握較高的職業(yè)技能，謀求較好的職業(yè)崗位。

自動(dòng)控制原理課程是商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電一體化技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、汽車(chē)檢測(cè)與維修技術(shù)專(zhuān)業(yè)的相關(guān)課程。它是一門(mén)側(cè)重理論、指導(dǎo)實(shí)踐的課程，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。該課程理論性強(qiáng)、概念抽象、與工程實(shí)際聯(lián)系緊密、有特殊的框圖表示方法、公式多、繪圖量大且準(zhǔn)確度要求高，加之運(yùn)用到高等數(shù)學(xué)中的微分方程、拉氏變換等相關(guān)知識(shí)，高職學(xué)生普遍感到有一定的學(xué)習(xí)難度[1]。同時(shí)，受制于辦學(xué)條件及實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)及設(shè)備投入相對(duì)有限，僅依靠現(xiàn)有的機(jī)房及自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)裝置，很難全面體現(xiàn)主干知識(shí)，實(shí)訓(xùn)效果有限，造成了學(xué)生實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與工程實(shí)際相脫節(jié)的情況。受當(dāng)下新冠肺炎疫情的影響，大部分職業(yè)院校包括商洛職院較大范圍采用了線上授課的形式，相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)不同程度縮減或延后，自動(dòng)控制原理課程亦是如此。

針對(duì)商洛職院自動(dòng)控制原理課程特點(diǎn)建立虛擬仿真平臺(tái)，一方面豐富了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的形式，另一方面也緩解了實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺的問(wèn)題，更是對(duì)疫情期間線上理論教學(xué)的重要輔助。本文通過(guò)對(duì)商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師對(duì)虛擬仿真平臺(tái)的需求調(diào)查，為平臺(tái)的建設(shè)實(shí)施提供依據(jù)。

1 需求分析

平臺(tái)需求分析采用發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷的形式進(jìn)行調(diào)研，在商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師群體中展開(kāi)。本調(diào)研的內(nèi)容主要包括：實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的困難、教學(xué)仿真平臺(tái)的需求度、教師對(duì)教學(xué)仿真平臺(tái)的實(shí)際需求情況等[2]，共發(fā)放問(wèn)卷41份，回收41份，有效問(wèn)卷37份，無(wú)效問(wèn)卷4份。

（1）本文通過(guò)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的困難和虛擬仿真平臺(tái)的需求度進(jìn)行調(diào)查，整理統(tǒng)計(jì)了最主要的5個(gè)問(wèn)題。從實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在困難和虛擬仿真平臺(tái)的需求度調(diào)查情況統(tǒng)計(jì)表（表1）中可以看出，教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中遇到的突出困難有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足;實(shí)訓(xùn)條件有限，效果差;實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目因連貫性占用較多課時(shí);設(shè)備故障、損壞率高等。其中有近56.8%的教師認(rèn)為實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量不足，仍存在多人使用同一實(shí)訓(xùn)臺(tái)或同班分節(jié)次實(shí)訓(xùn)的情況。針對(duì)目前機(jī)電工程系主干的4個(gè)專(zhuān)業(yè)，教師普遍認(rèn)為需要用到虛擬仿真平臺(tái)作為教學(xué)輔助，其中以機(jī)電一體化技術(shù)類(lèi)及汽車(chē)檢測(cè)與維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)需求最高。教師在購(gòu)買(mǎi)或開(kāi)發(fā)平臺(tái)的過(guò)程中遇到的困難則集中于以下幾點(diǎn)：商業(yè)化平臺(tái)價(jià)格昂貴;自主開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大;沒(méi)有具體適合本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的課程等。其中有近67.6%的教師認(rèn)為目前的商業(yè)化教學(xué)平臺(tái)價(jià)格太貴。基于以上情況不難發(fā)現(xiàn)，有限的實(shí)訓(xùn)條件與師生間實(shí)際需求的矛盾日益突顯。

（2）本文通過(guò)對(duì)虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)際需求調(diào)查情況統(tǒng)計(jì)，歸納整理了主要的需求。根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)際需求調(diào)查情況統(tǒng)計(jì)（表2），在教師考慮采用何種形式使用平臺(tái)方面，有近48.6%的教師希望平臺(tái)能夠在課堂教學(xué)中操作演示，輔助課堂教學(xué)。在被問(wèn)及希望平臺(tái)能提供哪些幫助時(shí)，有67.6%的教師希望能提供給學(xué)生可操作的仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程，減少有限的實(shí)訓(xùn)條件及特殊情況（如企業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)間調(diào)整、新冠肺炎疫情等）對(duì)學(xué)生的影響。在對(duì)操作界面的要求上，近62.1%的教師希望界面簡(jiǎn)潔、易上手，盡可能降低高職學(xué)生的學(xué)習(xí)畏難情緒，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)獲得感。而在對(duì)平臺(tái)功能的要求方面，模塊化實(shí)操及演示功能更是大家普遍的要求。綜合來(lái)看，不同專(zhuān)業(yè)不同課程間，教師的需求存在差異，這也要求在開(kāi)發(fā)虛擬仿真平臺(tái)過(guò)程中要充分考慮課程的內(nèi)容及特點(diǎn)，做到有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)。

2 自動(dòng)控制原理虛擬仿真平臺(tái)初步建設(shè)實(shí)施方案

（1）平臺(tái)構(gòu)建之初，計(jì)劃包含六大模塊內(nèi)容：數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析、根軌跡分析、系統(tǒng)校正及離散系統(tǒng)分析等。其中的時(shí)域分析（一階及二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)）、頻域分析（包括奈奎斯特圖的繪制、伯德圖的繪制）、系統(tǒng)校正（主要以串聯(lián)超前校正為例）三部分是重點(diǎn)。整個(gè)仿真平臺(tái)按照樹(shù)形結(jié)構(gòu)從上至下，由六大模塊下沿至12個(gè)知識(shí)塊，而每個(gè)知識(shí)塊又可以細(xì)分更多知識(shí)點(diǎn)。從上到下對(duì)知識(shí)模塊逐級(jí)分解，12個(gè)基本知識(shí)塊又分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行支撐，構(gòu)成一個(gè)較完整的知識(shí)體系[3]。虛擬仿真平臺(tái)的主要模塊內(nèi)容如圖1所示。

（2）根據(jù)之前對(duì)平臺(tái)的實(shí)際需求的調(diào)研結(jié)果，計(jì)劃對(duì)平臺(tái)設(shè)置3類(lèi)登錄賬號(hào)：學(xué)生賬號(hào)、教師賬號(hào)、管理員賬號(hào)。不同類(lèi)型的賬號(hào)功能側(cè)重不同，權(quán)限也有所不同。其中，學(xué)生賬號(hào)提供給學(xué)生驗(yàn)證登錄使用，同時(shí)提供成績(jī)查詢(xún)及資源下載功能，學(xué)生通過(guò)對(duì)項(xiàng)目模塊內(nèi)容的操作，后臺(tái)實(shí)時(shí)記錄進(jìn)程，可在線提交實(shí)訓(xùn)結(jié)果，完成相關(guān)測(cè)驗(yàn)。教師賬號(hào)主要用于授課教師發(fā)布課堂任務(wù)清單、課堂提問(wèn)、在線答疑、完善現(xiàn)有模塊內(nèi)容、定期更新課程資源等工作。管理員賬號(hào)主要完成對(duì)仿真平臺(tái)的日常維護(hù)、設(shè)置不同賬號(hào)的權(quán)限、對(duì)新功能的開(kāi)發(fā)及主要模塊的增減、對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的監(jiān)管等工作[4]。

（3）根據(jù)高職學(xué)生教學(xué)實(shí)際，開(kāi)發(fā)基于MATLAB GUI的自動(dòng)控制原理虛擬仿真平臺(tái)，同時(shí)將其融入混合式教學(xué)模式的課中環(huán)節(jié)。課前，教師通過(guò)云班課、學(xué)習(xí)通等APP電腦客戶(hù)端推送線上教學(xué)資源，學(xué)生則根據(jù)自身情況選擇手機(jī)端或電腦網(wǎng)絡(luò)終端自主線上學(xué)習(xí)，了解課程項(xiàng)目任務(wù)清單，同時(shí)提問(wèn)或發(fā)表看法，與教師和同學(xué)互動(dòng)交流。教師則通過(guò)對(duì)學(xué)生的答疑反饋，及時(shí)對(duì)課程內(nèi)容及教學(xué)方法做適時(shí)調(diào)整。課中，教師利用仿真平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)，在點(diǎn)評(píng)學(xué)生課前互動(dòng)情況及布置課堂實(shí)訓(xùn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，幫助、引導(dǎo)學(xué)生利用平臺(tái)自主探究學(xué)習(xí)。同時(shí)教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)及點(diǎn)評(píng)，促使學(xué)生順利完成項(xiàng)目模塊操作，平臺(tái)自動(dòng)記錄學(xué)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及成績(jī)，方便對(duì)學(xué)生個(gè)體進(jìn)行量化考核。課后，學(xué)生可以繼續(xù)通過(guò)班課平臺(tái)學(xué)習(xí)相關(guān)教學(xué)資源及拓展任務(wù)，教師也可以根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果對(duì)本節(jié)課進(jìn)行更全面的評(píng)價(jià)，形成教學(xué)反思。仿真平臺(tái)引入課中教學(xué)環(huán)節(jié)，豐富了教學(xué)形式，使得學(xué)生“做中學(xué)”、教師“做中教”，充分體現(xiàn)了教師的指導(dǎo)作用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和效果。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)調(diào)查問(wèn)卷的整理分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)電工程系有近60%的老師認(rèn)為需要在教學(xué)過(guò)程中使用仿真平臺(tái)來(lái)配合課堂教學(xué)，尤其是機(jī)電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè);同時(shí)在實(shí)際功能需求方面，有67.6%的老師希望平臺(tái)能提供可操作的仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程，并且有近50%的老師希望將平臺(tái)應(yīng)用于課堂教學(xué)的演示。結(jié)合反饋情況，針對(duì)自動(dòng)控制原理課程理論性強(qiáng)、相關(guān)概念抽象、涉及知識(shí)面廣、公式多、學(xué)生普遍學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)，本文開(kāi)發(fā)了一套適合高職的自動(dòng)控制原理虛擬仿真平臺(tái)。與此同時(shí)，將平臺(tái)融入混合式教學(xué)模式的課中環(huán)節(jié)，一方面豐富了學(xué)生實(shí)訓(xùn)考核的形式，另一方面對(duì)常態(tài)化線上教學(xué)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)更是一種契合的補(bǔ)充。

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