机电控制工程基础层次化在线实验教学探讨

2020-12-07王敏

现代计算机 2020年30期

王敏

（湖北广播电视大学，武汉430074）

0 引言

实验教学是工科专业教学中不可或缺的重要教学环节。在普通高等教育中，实验教学这一环节开展得比较好，积累了丰富的教学经验。但是，在开放教育中，自主性、分散性和时空分离性的远程在线学习模式，并不能完全适合传统的实验教学模式。因各方面因素的制约，导致开放教育的实践环节，在组织和实施方面，是教学难度较大的一个环节。随着信息技术的发展，在远程实验教学方面，有许多尝试和实践。如构建虚拟仿真实验平台，基于物联网技术搭建实时远程实验教学系统，引入价格低廉、便携式的实验仪器和学习套件。这些远程实验教学模式在实验平台运行环境要求、建设成本、可移植性、学习效果上各有优势和不足。结合实际的教学情况，以《机电控制工程基础》为例，提出具有易于操作、成本低、改善教学效果的特点的层次化远程在线实验教学模式。

1 课程教学现状分析

1.1 课程特点

《机电控制工程基础》课程是国家开放大学机械设计制造及其自动化专业的一门专业基础课程，是一门多学科交叉的课程，是机械、电子、计算机和自动控制等技术的有机结合。该课程具有很强的理论性和实践性。课程的内容主要是通过机电系统的数学模型，对系统进行定性和定量的研究，分析系统的准确性、稳定性和灵敏性，估算系统的性能指标，并导出对系统性能指标的调整和矫正的理论和方法。课程的教学核心是培养学生分析、设计工程控制系统的能力，能够应用科学的方法和思路解决实际的工程控制问题。能够根据实际需要，建立系统的全局的概念，实现对控制系统的分析和创新设计。

1.2 学习者分析

（1）学习能力和入学基础参差不齐

开放教育学习者群体既有在职的成人，也有刚刚毕业的高中、中职和高职等各种非在职学生。学习者在年龄、身份、受教育程度等方面异质性特征，直接导致了学习群体的学习能力、知识结构参差不齐。

（2）工学矛盾突出

开放教育学习者的工学矛盾很突出，他们在社会生活中承担着多种责任，一方面要好好工作，一方面要照顾家里的老人小孩，他们时间精力有限，无法全身心、长时间地参加各类教学活动。

（3）学习需求个性化

在学习内容、学习时间、学习方法上，学习者倾向

于根据自身发展的需求和现有条件，有针对性地自主选择。

1.3 教学现状

学习《机电控制工程基础》课程需要具备高等数学、工程数学、力学和电学等基础，课程对先修课程知识要求较高，应用的数学知识较多。例如，工程数学中的拉氏变换与反变换等相关内容，是学习控制理论的数学基础。但是学生由于数学功底不足，整个教学过程理论性强、内容抽象，学生对相关知识不易理解吸收，学习过程容易陷在数学的推导与计算的困境中。这导致学生学习课程的难度增加，对学习这些理论的目的性缺乏认识，同时也严重影响了学习的兴趣和积极性，学习效果欠佳。

目前，本课程已有的在线学习资源主要是针对课程内容讲解的视频资源和文本资源，侧重于学科知识的传授，内容偏理论化。学生在线自主学习，在学习的过程中往往感到十分吃力，对于课程内容的理解往往比较浅显生疏，学生的工程能力和创新意识无法得到锻炼。

2 在线实验教学

实验教学以学生为中心，能充分发挥学生的主体作用，边学边实践，提供给学习者一种浸入式的学习体验，有利于学生更好地理解基本概念，掌握基本理论和方法，巩固课程的理论知识，培养解决实际工程问题的能力，也有利于提高学生学习的积极性。基于上面对课程教学现状的研究，确定了本课程在线实验要达到的几个目标，即“易用性”、“层次化”、“交互性”，最终完成了本课程在线实验开发模式。课程的在线实验教学基于MATLAB 软件，构建了层次化的教学模式。在线实验内容丰富灵活，学生可不受实验室的限制，不受时间地点的限制，只要有计算机就可进行实验。

2.1 MATLAB软件介绍

MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，是一款准确、可靠的科学计算标准软件。用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等，MATLAB 作为现代数学计算和计算机模拟仿真的应用软件，将高性能的数值计算可视化，提供了大量的内置函数，从而广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域，已经成为工科学生一门必备的数学工具。在控制领域中，控制理论中涉及的复杂的数学计算与处理、系统的数学建模、模型之间的转换、Bode 图及Nyquist 图的绘制、控制系统的时域频域分析与矫正等教学内容都可在MATLAB 中实现。

使用MATLAB 这一数学工具，可以大大简化复杂的数学计算和推导，学生可以直观地观察计算结果和参数变化给系统带来的影响。可视化的显示，可以更方便地展现控制理论的思想，使得理论更容易被学生理解，将原来的单纯理论和知识的教育转变为注重方法和能力的教育。学生在相同的学习时间内可获得更多的知识信息，从而大大提高学习效率和激发学习的兴趣。

2.2 层次化实验教学模式

课程的教学核心是培养学生分析、设计工程控制系统的能力，能够应用科学的方法和思路解决实际的工程控制问题。能够根据实际需要，建立系统的全局的概念，实现对控制系统的分析和创新设计。为了解决课程教学过程中出现的单纯地理论灌输，理论与实践脱节，学生主体作用不能充分发挥等问题，笔者基于MATLAB 软件，构建了模拟虚拟实验和数字仿真实验两种实验手段相融合，验证试验、综合试验和创新试验相结合的层次化的在线实验教学模式，如图1 所示。在线实验教学模式以夯实基础、突出实践、面向创新为目标，以增强认知理解、提高实践能力、培养工程思路、激发创新思维为理念，涵盖模拟虚拟实验、数字仿真实验两种实验手段。由基础性的验证实验演进到综合性实验，再过渡到创新性实验。层次化实验教学根据教学内容由浅入深，循序渐进，层层递进提高，以学生为中心，逐步提高学生解决问题的能力，满足了学生自主学习和个性化学习的需求。

图1 层次化在线实验教学模式

通过利用MATLAB、PPT、ISPRING，制作可交互的模拟虚拟实验，界面如图2 所示。首先在MATLAB 中编制代码，得出运行结果，再把运行结果插入到PPT中，利用ISPRING 导出为可交互的flash 文件。模拟虚拟实验可以脱离MATLAB 环境运行，操作方便，具有良好的交互功能，使得教学策略实现更便捷，而且适用的范围更广。

如分析二阶系统的阶跃响应，观察阻尼比ζ对系统的时域响应的影响，传统的手绘曲线比较费时，在MATLAB 中绘制曲线则非常方便。ζ取0.6 时的编程代码如下：

运行程序，得出系统的响应曲线。把曲线截图保存，在PPT 中调用。用同样的方法，可以得到阻尼比ζ取其他数值时的响应曲线。学生在模拟虚拟实验中，可以选择想要查看的阻尼比ζ，如图3 所示，显示二阶系统的响应曲线。通过观察不同阻尼比ζ的响应曲线，很容易得出，ζ≤0 时的二阶系统都是不稳定的，而在ζ≥1 时，系统动态响应的速度又太慢，对二阶系统而言，欠阻尼情况是最有实际意义的。显示，这种可视化的教学，把抽象的理论知识与可视的图形结合起来，可以加深学生对基本理论的理解和掌握。

数字仿真实验引导学生自己利用MATLAB 软件，搭建仿真程序，该实验环境要求学生能操作MATLAB软件。对于部分学有余力、学习兴趣浓的学生，还可以自主设计仿真平台，可有效提升学生分析问题和解决问题的能力，同时激发学生自主探索的精神，有助于学生掌握更多的实践操作技能。