新工科背景下《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》翻轉(zhuǎn)教學研究

陶鍇

摘 要：新工科背景下的課程教育對學生工程與創(chuàng)新能力提出了更高的要求。針對當前《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程中存在的課前學習自主性缺乏、編程互動性欠佳、課后學習實踐性效率低下等問題，基于翻轉(zhuǎn)課堂教學思路進行課程的改革研究，著重從控制系統(tǒng)理論準備、課中編程操作、課后復習及多元化考核等方面展開，可提高學生利用MATLAB工具開展系統(tǒng)仿真學習能力，促進其工程能力培養(yǎng)和綜合創(chuàng)新素質(zhì)的提高。

關鍵詞：MATLAB;控制系統(tǒng)仿真;翻轉(zhuǎn)教學;新工科

中圖分類號：G64? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-9132（2022）10-0012-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2022.10.004

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》是傳統(tǒng)電氣工程自動化、測控儀器專業(yè)本科與研究生階段必修課程之，一隨著“卓越工程師計劃”的提出，新工科背景下對當代學生的創(chuàng)新與工程能力提出了更高的要求。雖然當前課程教學采用理論講授與數(shù)值模擬編程相結合的方法，但在理論講授方式、編程實踐開展方法以及考核模式方面存在較大的改進空間。翻轉(zhuǎn)課堂在當前高等教育中應用廣泛，利于學生綜合能力培養(yǎng)和學習效率提高。本文基于翻轉(zhuǎn)課堂教學方法探索此課程的創(chuàng)新教學，分析總結課程教學現(xiàn)狀，并以新工科導向?qū)碚撆c實踐教學提出改革研究。

一、存在問題分析

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程由于理論與實踐均具有一定的技術門檻，故教師在授課時需要綜合處理二者的課時分配和考核占比問題。以筆者在課程教學經(jīng)驗可知，此課程傳統(tǒng)教習存在不足如下。

（一）課前學習自主性缺乏

課前預習是高效學習的必要前提，學生通過預習任務提前了解章節(jié)內(nèi)容分配、知識點結構和難點分布，知曉自身學習難點的分布狀況，使課堂更具針對性。然而在實際授課中，真正做到課前預習的學生占比較少，大多數(shù)學生只能從課堂講授開始首次接觸新知識。造成這一現(xiàn)象主要歸咎于課堂時間限制，教師在完成章節(jié)內(nèi)容講授時往往已經(jīng)接近下課，無法詳細說明下次課程的預習規(guī)劃，加之學生課程任務量大，對課后復習的重視程度遠高于課前預習，沒有充分重視此教學環(huán)節(jié)。

（二）編程教學互動性欠佳

MATLAB是一款應用廣泛的數(shù)值計算模擬軟件，要想基于此工具開展控制系統(tǒng)仿真，首先需要熟練掌握諸如集合寫入寫出、數(shù)據(jù)處理及圖形繪制等在內(nèi)的基本操作。當前的課堂教學受課程進度和時間限制，主要采用教師講授演示方式開展，學生作為知識的接受者，只能被動接受講授，雖然可通過筆記、學習視頻等方法對教師講授的知識進行回顧，但理論方法與編程實踐的時間結合點過長，無法及時利用課堂理論豐富實踐操作，減少了編程知識的即時使用性。此外，由于教師演示計算對象多為經(jīng)典的控制系統(tǒng)案例，變量的輸入輸出較為固定，故編程操作無法涉及足夠的矩陣操作，理論與編程教學互動性欠佳。

（三）課后學習實踐性效率低下

基于MATLAB開展的控制系統(tǒng)仿真課程最終目的是掌握基本控制系統(tǒng)組成并學會使用MATLAB工具開展數(shù)值模擬，但實際課程中往往側(cè)重教學MATLAB仿真環(huán)節(jié)，在仿真操作步驟所分配的課時占比較高。此種方法雖然可以更為詳細地講解MATLAB仿真方法，使學生可以學習更全面的編程指令，但由于無法在經(jīng)典控制系統(tǒng)理論講授上分配足夠的時間，學生無法擁有控制系統(tǒng)知識深層次的理解。由于控制系統(tǒng)理論復雜且內(nèi)容量龐大，學生在課后自主學習時難度較高，在脫離教師的梳理和引導下難以全面透徹理解知識?；诖朔N授課模式開展的控制系統(tǒng)仿真也往往偏向于驗證性實驗，不利于學生自主性和創(chuàng)新性能力培養(yǎng)，學生在課后學習實踐性方面效率不足。

二、翻轉(zhuǎn)教學改革措施

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》雖然知識點繁多，但可依據(jù)教學大綱進行模塊拆解，將課前、課中及課后學習任務進行合理分配，故翻轉(zhuǎn)課堂教學方法能更好地契合本課程學習特點。

（一）自主性導向預習

課前預習是翻轉(zhuǎn)課堂實施的必要前提，教師在上一次課程結束前應預留一定的時間（一般3-5分鐘）用于布置下次課程提綱講解和預習任務，在任務下達過程中應該突出預習重點，對知識分布和難點進行分解，并以宿舍或班級為單位將學生分組，教師為每組分配預習任務。每組設置小組長，負責為組內(nèi)成員分配任務，可通過慕課、國內(nèi)外高校網(wǎng)課等平臺下載所需素材。在向?qū)W生下發(fā)預習任務的同時，教師需要提前篩選多個備選的學習站點，給出完整的預習任務清單。對于關鍵的矩陣操作與函數(shù)使用，教師應提前錄制教學視頻并給出演示例程，以提高學生預習效率。教師可通過網(wǎng)絡平臺預留預習小測試，學生完成后提交反饋，此種做法既便于教師及時掌握學生的預習狀態(tài)，也可為預習工作增加考核的可量化性。此外，為了克服課堂時間限制，可充分利用線上任務布置方式，在課程開始前通過網(wǎng)絡平臺下發(fā)任務，充分實現(xiàn)學生的課前自主性導向預習。

（二）實戰(zhàn)化編程

課中學習是翻轉(zhuǎn)課堂教學和知識內(nèi)化的關鍵步驟，也是實現(xiàn)課堂學習效率最大化的重點內(nèi)容。課中學習可分為如下兩個步驟：（1）實戰(zhàn)化學習展示。此環(huán)節(jié)為課前預習的展示匯報環(huán)節(jié)，各小組成員依據(jù)前期分配的控制系統(tǒng)仿真算例任務進行演示報告。依據(jù)選課人數(shù)差異，每小組4-10人不等，組員間合理分工依次進行控制系統(tǒng)理論講解、MATLAB操作演示、系統(tǒng)仿真展示等。倘若系統(tǒng)變量過多，仿真環(huán)節(jié)可依據(jù)模型功能進一步細化，或針對同一問題從多個角度多次分析。學生在進行任務準備與成果展示時會專注于課程知識，在完成任務自我成就感的激勵下取得更好的學習效果。（2）現(xiàn)場編程訓練。此門課程的最終目的是將理論與實踐結合，熟練掌握基于MATLAB工具的控制系統(tǒng)仿真方法。當前實驗設置主要側(cè)重于驗證性實驗，在完成小組展示后，學生對于知識的熟悉度最高，此時教師可提前設計與此章節(jié)相關的控制系統(tǒng)算例，讓學生在課堂給定時間內(nèi)進行MATLAB編程仿真訓練，從實戰(zhàn)化角度進一步加深對知識點的理解和應用能力。

（三）課后復習與多元化考核

當前學生的課后復習意識淡薄，往往會等到期末考試前才開始集中式的復習。傳統(tǒng)考核方式大多在課程結束后進行，通常由期末考試成績+平時成績構成，且平時成績占比往往較低。此種考核方式雖然可以滿足基本教學要求，但容易使學生認為課程重點在期末的考察，從而忽視平時學習過程。為了提高學生在整個學習過程中對課程的重視程度，此處基于翻轉(zhuǎn)課堂思想對課后復習與考核方式進行多元化改革，具體方法如下：（1）設置章節(jié)課后復習任務。為了避免期末集中考試時段學生的復習壓力，需要在每章節(jié)學習后及時復習，權衡知識面覆蓋性與學習集中性矛盾。作為一門實踐與理論相互交叉的課程，課后除了需要練習MATLAB編程外，還需要加強對于控制系統(tǒng)理論的復習，教師在布置課后復習測試時需要兼顧理論強化與實驗編程練習，并及時做好測試效果統(tǒng)計，以調(diào)整后續(xù)授課方法和進度安排。（2）加大平時成績在最終課程得分的權重。傳統(tǒng)考核方法中期末測試成績占最終分數(shù)的權重過大（一般大于70%），此處將課程分數(shù)構成拆解為預習測試得分、現(xiàn)場展示與編程環(huán)節(jié)得分、課后復習測試環(huán)節(jié)得分及期末測試得分四個環(huán)節(jié)，占比分別為10%、20%、20%、50%。此種考核方式需要在課程開始之初明確公布，課程進行中要嚴格做好數(shù)據(jù)記錄，在總成績的激勵之下使學生更加重視平時學習過程，進而提高知識的內(nèi)化效果。

三、結語

《MATLAB與控制系統(tǒng)仿真》課程注重理論與實踐統(tǒng)一，將翻轉(zhuǎn)課堂教學理念應用于此課程，可以更好地培養(yǎng)學生學科認知、自主學習以及創(chuàng)新能力。課堂中通過課前自主性導向預習、課中實戰(zhàn)化編程教學、課后多元化復習考核三個環(huán)節(jié)開展基于翻轉(zhuǎn)課堂教學方法的課程改革，將學習主動權由教師轉(zhuǎn)換為學生，能使學生具有更好的參與感和積極性，更好地適應新工科背景下電氣自動化、儀器科學學科對綜合學習能力的培養(yǎng)要求。

參考文獻：

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