電氣工程專業(yè)課程《MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》教學(xué)創(chuàng)新研究

陳 強(qiáng)

（南京工程學(xué)院<電力工程學(xué)院>，江蘇 南京 211167）

0 引言

MATLAB 以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的可視化交互。 Simulink 是MATLAB 的一個(gè)重要軟件包，基于框圖架構(gòu)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的建模仿真分析。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能持續(xù)提升，MATLAB 工具軟件不斷迭代， 針對(duì)電氣學(xué)科Simulink 推出了SimPowerSystems封裝子模塊庫(kù)， 能夠模擬各種實(shí)際電氣工況?！禡ATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》 課程是一門理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系的課程，通過(guò)仿真的方式模擬實(shí)際工況，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。南京工程學(xué)院開(kāi)設(shè)該課程，旨在通過(guò)MATLAB/Simulink 相關(guān)知識(shí)的講授， 使學(xué)生熟練掌握MATLAB 軟件的操作方法、文件類型、模型建立方法、文件編寫(xiě)方法、圖形繪制方法等基礎(chǔ)操作， 理解MATLAB 在電力系統(tǒng)中仿真分析及計(jì)算中的應(yīng)用原理，切實(shí)提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，為將來(lái)工作和深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀和需求

該課程覆蓋知識(shí)面較廣，電力系統(tǒng)、電力電子、電機(jī)學(xué)等專業(yè)方向均有涉及。目前課堂教學(xué)多以教師為中心開(kāi)展，教師通常借用PPT 等傳統(tǒng)多媒體工具單方面向?qū)W生灌輸課程知識(shí)，教學(xué)過(guò)程中學(xué)生并沒(méi)有實(shí)際操作，參與度也不高，導(dǎo)致學(xué)生缺少獨(dú)立思考和主動(dòng)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，被動(dòng)接受知識(shí)，教學(xué)效果大打折扣。

MATLAB 重在應(yīng)用操作，《MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》課程也是側(cè)重于電氣工程相關(guān)領(lǐng)域的仿真應(yīng)用，不是單純的書(shū)本知識(shí)， 這就對(duì)教師的科研能力提出一定要求。 教學(xué)上應(yīng)采用理論聯(lián)系實(shí)際的原則，將課程的理論知識(shí)與實(shí)際工程案例相結(jié)合，把教師在科研中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)引入課堂。 除此之外，教師還需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，讓他們多動(dòng)手操作，從被動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)換成主動(dòng)學(xué)[1-2]。

2 教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

本人長(zhǎng)期在教學(xué)工作上摸索和反思，將電氣專業(yè)理論知識(shí)和仿真實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，有的放矢安排教學(xué)計(jì)劃， 充分發(fā)揮教師科研工作中利用MATLAB/Simulink 建模仿真經(jīng)驗(yàn)的作用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)MATLAB/Simulink 的學(xué)習(xí)和運(yùn)用能力，創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，具體如下：

2.1 實(shí)踐導(dǎo)向型教學(xué)法

《MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》 是一門需要將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的課程， 除相關(guān)書(shū)面知識(shí)的講授，應(yīng)以實(shí)踐應(yīng)用為導(dǎo)向， 注重學(xué)生提升實(shí)際建模仿真能力。 在上課地點(diǎn)選擇方面，教師可以充分利用學(xué)校資源，安排部分學(xué)時(shí)課程在計(jì)算機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室實(shí)施。 課程教學(xué)中應(yīng)樹(shù)立學(xué)生的主體地位：課前根據(jù)教學(xué)計(jì)劃安排學(xué)生自行預(yù)習(xí)； 課上根據(jù)電氣工程專業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)選取SimPowerSystems 封裝子模塊庫(kù)進(jìn)行講解，并以此為基礎(chǔ)講述仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試流程，使學(xué)生建立建模仿真的基本思路，然后指導(dǎo)學(xué)生跟隨教師的步驟獨(dú)立進(jìn)行實(shí)際操作， 提高學(xué)生的軟件使用能力；課后引導(dǎo)學(xué)生將教師課堂講授與自主動(dòng)手操作相結(jié)合相對(duì)比，進(jìn)一步領(lǐng)悟該門課程[3]。

2.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)型教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)是以具體項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，將枯燥、復(fù)雜的書(shū)面知識(shí)通過(guò)具體項(xiàng)目的形式生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生了解實(shí)際建模仿真的過(guò)程，和理論教學(xué)相輔相成[4]。項(xiàng)目既要選取電力系統(tǒng)、電機(jī)、電力電子、輸配電等學(xué)科方向的傳統(tǒng)項(xiàng)目案例，又要根據(jù)學(xué)科發(fā)展選取智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、特高壓、新能源發(fā)電等新興產(chǎn)業(yè)案例， 使學(xué)生在學(xué)習(xí)課程知識(shí)的同時(shí)更多了解學(xué)科熱點(diǎn)，開(kāi)闊行業(yè)視野。

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，安排學(xué)生以小組為單位進(jìn)行仿真項(xiàng)目開(kāi)發(fā)： 首先教師準(zhǔn)備若干仿真項(xiàng)目，3 至5 名學(xué)生組成一個(gè)項(xiàng)目小組，隨后每個(gè)小組隨機(jī)抽取教師準(zhǔn)備的題目進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)，最后教師檢查各組仿真結(jié)果， 并依據(jù)學(xué)生所承擔(dān)的任務(wù)分別進(jìn)行提問(wèn)和講評(píng)，評(píng)估學(xué)生的表現(xiàn)。這種教學(xué)方式不僅提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作意識(shí)。

2.3 應(yīng)用創(chuàng)新型教學(xué)內(nèi)容拓展

MATLAB/Simulink 仿真與嵌入式開(kāi)發(fā)融合是目前應(yīng)用的熱點(diǎn)，Simulink 中的Embedded Coder 封裝子模塊庫(kù)提供了仿真模型轉(zhuǎn)化為嵌入式軟件系統(tǒng)的接口，能夠?qū)⒎抡骈_(kāi)發(fā)與實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相結(jié)合， 因此有必要向?qū)W生講授仿真與嵌入式的聯(lián)合開(kāi)發(fā)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

教學(xué)中首先介紹Embedded Coder 各封裝模塊的功能，搭建具體模型，并借助嵌入式系統(tǒng)硬件在課堂上演示仿真模型向嵌入式軟件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。以光伏逆變器控制系統(tǒng)仿真與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為例，仿真模型由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和逆變功率系統(tǒng)等子模塊構(gòu)成。 控制系統(tǒng)仿真模塊與Embedded Coder 庫(kù)子模塊共同搭建以德州儀器 （TI） 的DSP 控制芯片TMS320F28335 為核心的嵌入式系統(tǒng)軟件生成模型，并利用嵌入式硬件系統(tǒng)和TI 的DSP 開(kāi)發(fā)軟件CCS將仿真模塊轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)軟件。整個(gè)演示過(guò)程生動(dòng)直觀，有助于學(xué)生融會(huì)貫通，更好地理解書(shū)本抽象的內(nèi)容。

3 多樣化考核模式

課程考核是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的重要手段，也是評(píng)價(jià)教學(xué)質(zhì)量、評(píng)判學(xué)生課程成績(jī)的主要依據(jù)。 考核模式應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)確定。 《MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》課程目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用MATLAB/Simulink、將專業(yè)知識(shí)與建模仿真相結(jié)合的能力，體現(xiàn)在仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真模型建立調(diào)試、仿真結(jié)果分析等方面。

課程考核成績(jī)分為平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分，這就避免了一次考試決定成績(jī)的局限性。平時(shí)成績(jī)能更大程度激發(fā)學(xué)生日常學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，督促學(xué)生更扎實(shí)地學(xué)習(xí)該門課程，并認(rèn)真出勤每一次項(xiàng)目機(jī)試，保證日常教學(xué)的有效開(kāi)展。 期末考試采用大作業(yè)的形式，教師指定仿真項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)要求進(jìn)行建模和仿真分析，并上交仿真模型和仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 教師審閱學(xué)生的模型和報(bào)告后對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)，最后綜合給出成績(jī)。 這種考核模式能夠更全面、更客觀地考核學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

MATLAB 應(yīng)用對(duì)學(xué)生今后工作和科研具有非常重要的意義，是學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)進(jìn)行科研和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要工具和手段。本文從《MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)》教學(xué)的現(xiàn)狀和要求出發(fā)，提出了科學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，并就多樣化考核模式進(jìn)行了探討，從提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、全面培養(yǎng)學(xué)生、綜合客觀考核學(xué)生等方面改進(jìn)教學(xué)，提高教學(xué)效果。 MATLAB 應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)是一個(gè)不斷改進(jìn)的過(guò)程，從事相關(guān)教學(xué)的教師應(yīng)該注重專業(yè)知識(shí)和科研實(shí)踐能力的提升，并在教學(xué)過(guò)程中不斷推敲打磨、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取打造精品課程。