自控原理综合教学平台

贾云飞

摘要：“自动控制原理”课程内容比较抽象，包含许多图解的方法。学生往往感到内容枯燥，难以理解。针对这一问题，本文通过Matlab GUI程序设计，开发出一体化的教学平台。该平台将各种绘图过程以动画的方式显示给学生，同时也提供了参数化的输入接口，对各种问题下的绘图问题均可解决。经过教学实践检验，本平台可大大降低教学负担，显著提高了学生的理解能力。

关键词：自动控制原理教学；Matlab GUI；信息化教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）14-0081-02

一、研究与方法

1.存在的问题。“自控原理”课程包含大量抽象的概念，教师的教学压力较大。同时该课程包含了许多图解方法，如根轨迹法、伯特图、奈氏图等。传统的教学方法是由教师用粉笔在黑板上画出整个曲线。这种方法的好处是比较生动，但由于绘图过程比较烦琐，同时不同问题中各种参数变化需要绘制许多条曲线，需要占用大量宝贵的课堂时间，影响了教学效率。教学活动本是脑力和智力劳动，却掺入了过多烦琐而枯燥的体力劳动。妥协的结果就是教师一般对一类问题只绘制一张图，教学效果难以提高。

采用幻灯片实施课堂教学同样也有一定问题，教师在幻灯片中可以提供大量图片、各种参数下的根轨迹曲线。但这些静态曲线的绘制过程并未体现在课堂上，导致部分理解能力较差的学生仍一头雾水。

以上两种教育方式的互动性和实时更新能力有很大的提升空间。学生们在课堂上听到、看到的授课内容都是老师事先准备好的讲义和教案，很多情况下并不能根据学生的要求现场演示各种问题的图解方法，学生很难融入到教学中来，互动性受到较大程度限制[1]。

综上所述，“自控原理”教学中急需一种互动性强、信息量大、生动的教学手段，本文旨在解决这一问题。

2.平台特点。借助于各种信息化的教学手段，本文开发了一种综合化的教学平台。该平台具有以下几个显著特点：（1）一体化的教学平台，将教师的PPT、动画展示和各种教辅材料集中于一个窗口中。避免了在教学过程中由于频繁的窗口切换打扰学生思路。（2）可脱离Matlab环境独立运行于Windows平台。这样避免了在一些未安装Matlab的电脑无法运行的尴尬。（3）具有视频播放功能。对于一些难点，可以借助于播放名师教学视频的手段改善教学效果。（4）体现动画效果。将各种需要绘制的曲线的绘制过程在课堂上演示。（5）互动性强。“自控原理”教学中往往会遇到的各种参数变化或坐标轴旋转等问题。这些都可以根据学生要求现场绘制。

3.Matlab GUI编程方法介绍。Matlab作为一款著名的软件产品，已经大量应用于自动原理的教学中。该软件自带的GUI开发库可以开发出独立运行的、带界面的软件。本平台采用了Matlab GUI库进行开发。该开发库的特点有：（1）开发过程简单：大部分开发工作仍是基于Matlab的m语言。（2）配备丰富的文档：该GUI库的文档内容翔实，提供了大量实例，简单易学，上手很快。（3）提供了丰富的控件，而且控件属于windows标准控件，直接调用即可[2]。

二、平台功能

1.软件架构。本平台针对的教材是中国民航大学采用的《自动控制原理》（机械工业出版社）。覆盖了前五章的主要知识点。主要模块包括：主界面模块、绘图模块、课件显示模块、视频播放模块等四个模块。如图1所示：

图1中主界面模块主要负责整个窗口的显示与显示效果等因素。PPT显示功能是本平台的一个特色。本平台可在统一的界面上切换教学课件与绘图界面。这种设计的目的是在教学过程中尽量少地转移学生的注意力。视频播放模块的设计目的是充分利用互联网上的各种优秀教学资源，例如各种机械控制原理视频、精品课程的教学视频。人机交互功能。主界面模块为其他模块提供了一个“容器”，包含了所有菜单、按钮和绘图显示的结果。主界面模块的设计主要考虑了直观性、易于操作性。绘图模块的主要功能是将用户发出的绘图命令以动画的方式显示在界面上。绘图模块实现时要重点考虑坐标轴的显示效果。因为本平台包含了“自动控制原理”课程的大部分教学内容，各种图形、曲线的绘制要求各不相同。因此，在设计坐标轴时要充分利用Matlab GUI库提供的各种属性值。这部分是需要开发者认真考量的。例如，坐标轴提供的属性性包括ButtonDownFcn；Children；Clipping；Color；ColorOrder、CreateFcn、CurrentPoint、DeleteFcn、FontAngle、FontName、FontSize、FontUnits、FontWeight、GridLineStyle、NextPlot、OutPosition、Parent、Position、Tag、Title、Type、UIContextMenu、Units等。这些属性值在不同的曲线绘制中要分别设置为不同的值。最终目的是达到较好的显示效果。绘图模块的另一设计要点是绘图的速度，即曲线从起点至终点的显示速度。本平台设计的目标是既让学生能感受到曲线从起点至终点的绘制过程，又能充分节约宝贵的课堂时间。

2.平台的应用效果分析。最终设计完成的程序主界面如图2所示：

图2的左侧为树形控件，点击各节点后可在各部分教学章节之间切换。右侧是绘制参数输入及结果显示区，上部显示了本章节包含的需要绘制的图形。图2以第四章的根轨迹绘制为例进行说明。在图2的左侧树型控件中点击“第四章 根轨迹分析法”，右侧绘图显示区即显示出如图2所示的界面。点击上部的tab控件“根轨迹一”，在文本框中可输入根轨迹方程的分子项与分母项的系数，点击“绘图”按钮，右侧坐标轴中即可显示出根轨迹的绘制动画。

经过一学期的课堂教学实践，学生对本平台显现出极大的热情，普遍感受是根軌迹法、奈氏图、波特图等图解方法不再难学。另外，课堂气氛也随之活跃，互动性明显提高，学生参与教学过程的主动性得到增加，有利于教师掌握学生的理解程度和学习中的困惑。

三、结语

本项目得到中国民航大学科研启动基金项目支持（2011QD05S）。本文针对“自控原理”教学中遇到的困难，提出了一体化的教学平台。本文分别从需求分析、架构设计及教学实践三个方面论述这一平台的设计、实现和应用过程。学生与老师的切身体会感到：本平台应用后，课堂气氛活跃了，学生们参与热情提高了，教师的教学压力大大减轻了。

参考文献：

[1]张又亮，夏柯，等.基于MATLAB/GUI的自动控制原理虚拟实验平台[J].北京：科技创新导报，2011，（35）.

[2]陈垚光，毛涛涛，等.精通MatlabGui设计[M].北京：电子工业出版社，2013.