機電控制工程基礎(chǔ)層次化在線實驗教學(xué)探討

王敏

（湖北廣播電視大學(xué)，武漢430074）

0 引言

實驗教學(xué)是工科專業(yè)教學(xué)中不可或缺的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。在普通高等教育中，實驗教學(xué)這一環(huán)節(jié)開展得比較好，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗。但是，在開放教育中，自主性、分散性和時空分離性的遠程在線學(xué)習(xí)模式，并不能完全適合傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。因各方面因素的制約，導(dǎo)致開放教育的實踐環(huán)節(jié)，在組織和實施方面，是教學(xué)難度較大的一個環(huán)節(jié)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在遠程實驗教學(xué)方面，有許多嘗試和實踐。如構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建實時遠程實驗教學(xué)系統(tǒng)，引入價格低廉、便攜式的實驗儀器和學(xué)習(xí)套件。這些遠程實驗教學(xué)模式在實驗平臺運行環(huán)境要求、建設(shè)成本、可移植性、學(xué)習(xí)效果上各有優(yōu)勢和不足。結(jié)合實際的教學(xué)情況，以《機電控制工程基礎(chǔ)》為例，提出具有易于操作、成本低、改善教學(xué)效果的特點的層次化遠程在線實驗教學(xué)模式。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 課程特點

《機電控制工程基礎(chǔ)》課程是國家開放大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是一門多學(xué)科交叉的課程，是機械、電子、計算機和自動控制等技術(shù)的有機結(jié)合。該課程具有很強的理論性和實踐性。課程的內(nèi)容主要是通過機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)進行定性和定量的研究，分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈敏性，估算系統(tǒng)的性能指標(biāo)，并導(dǎo)出對系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)整和矯正的理論和方法。課程的教學(xué)核心是培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計工程控制系統(tǒng)的能力，能夠應(yīng)用科學(xué)的方法和思路解決實際的工程控制問題。能夠根據(jù)實際需要，建立系統(tǒng)的全局的概念，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的分析和創(chuàng)新設(shè)計。

1.2 學(xué)習(xí)者分析

（1）學(xué)習(xí)能力和入學(xué)基礎(chǔ)參差不齊

開放教育學(xué)習(xí)者群體既有在職的成人，也有剛剛畢業(yè)的高中、中職和高職等各種非在職學(xué)生。學(xué)習(xí)者在年齡、身份、受教育程度等方面異質(zhì)性特征，直接導(dǎo)致了學(xué)習(xí)群體的學(xué)習(xí)能力、知識結(jié)構(gòu)參差不齊。

（2）工學(xué)矛盾突出

開放教育學(xué)習(xí)者的工學(xué)矛盾很突出，他們在社會生活中承擔(dān)著多種責(zé)任，一方面要好好工作，一方面要照顧家里的老人小孩，他們時間精力有限，無法全身心、長時間地參加各類教學(xué)活動。

（3）學(xué)習(xí)需求個性化

在學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)方法上，學(xué)習(xí)者傾向

于根據(jù)自身發(fā)展的需求和現(xiàn)有條件，有針對性地自主選擇。

1.3 教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)習(xí)《機電控制工程基礎(chǔ)》課程需要具備高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、力學(xué)和電學(xué)等基礎(chǔ)，課程對先修課程知識要求較高，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識較多。例如，工程數(shù)學(xué)中的拉氏變換與反變換等相關(guān)內(nèi)容，是學(xué)習(xí)控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。但是學(xué)生由于數(shù)學(xué)功底不足，整個教學(xué)過程理論性強、內(nèi)容抽象，學(xué)生對相關(guān)知識不易理解吸收，學(xué)習(xí)過程容易陷在數(shù)學(xué)的推導(dǎo)與計算的困境中。這導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)課程的難度增加，對學(xué)習(xí)這些理論的目的性缺乏認識，同時也嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)的興趣和積極性，學(xué)習(xí)效果欠佳。

目前，本課程已有的在線學(xué)習(xí)資源主要是針對課程內(nèi)容講解的視頻資源和文本資源，側(cè)重于學(xué)科知識的傳授，內(nèi)容偏理論化。學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)的過程中往往感到十分吃力，對于課程內(nèi)容的理解往往比較淺顯生疏，學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識無法得到鍛煉。

2 在線實驗教學(xué)

實驗教學(xué)以學(xué)生為中心，能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，邊學(xué)邊實踐，提供給學(xué)習(xí)者一種浸入式的學(xué)習(xí)體驗，有利于學(xué)生更好地理解基本概念，掌握基本理論和方法，鞏固課程的理論知識，培養(yǎng)解決實際工程問題的能力，也有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。基于上面對課程教學(xué)現(xiàn)狀的研究，確定了本課程在線實驗要達到的幾個目標(biāo)，即“易用性”、“層次化”、“交互性”，最終完成了本課程在線實驗開發(fā)模式。課程的在線實驗教學(xué)基于MATLAB 軟件，構(gòu)建了層次化的教學(xué)模式。在線實驗內(nèi)容豐富靈活，學(xué)生可不受實驗室的限制，不受時間地點的限制，只要有計算機就可進行實驗。

2.1 MATLAB軟件介紹

MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，是一款準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計算標(biāo)準(zhǔn)軟件。用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算等，MATLAB 作為現(xiàn)代數(shù)學(xué)計算和計算機模擬仿真的應(yīng)用軟件，將高性能的數(shù)值計算可視化，提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域，已經(jīng)成為工科學(xué)生一門必備的數(shù)學(xué)工具。在控制領(lǐng)域中，控制理論中涉及的復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算與處理、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、模型之間的轉(zhuǎn)換、Bode 圖及Nyquist 圖的繪制、控制系統(tǒng)的時域頻域分析與矯正等教學(xué)內(nèi)容都可在MATLAB 中實現(xiàn)。

使用MATLAB 這一數(shù)學(xué)工具，可以大大簡化復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算和推導(dǎo)，學(xué)生可以直觀地觀察計算結(jié)果和參數(shù)變化給系統(tǒng)帶來的影響。可視化的顯示，可以更方便地展現(xiàn)控制理論的思想，使得理論更容易被學(xué)生理解，將原來的單純理論和知識的教育轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅胤椒ê湍芰Φ慕逃?。學(xué)生在相同的學(xué)習(xí)時間內(nèi)可獲得更多的知識信息，從而大大提高學(xué)習(xí)效率和激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 層次化實驗教學(xué)模式

課程的教學(xué)核心是培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計工程控制系統(tǒng)的能力，能夠應(yīng)用科學(xué)的方法和思路解決實際的工程控制問題。能夠根據(jù)實際需要，建立系統(tǒng)的全局的概念，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的分析和創(chuàng)新設(shè)計。為了解決課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的單純地理論灌輸，理論與實踐脫節(jié)，學(xué)生主體作用不能充分發(fā)揮等問題，筆者基于MATLAB 軟件，構(gòu)建了模擬虛擬實驗和數(shù)字仿真實驗兩種實驗手段相融合，驗證試驗、綜合試驗和創(chuàng)新試驗相結(jié)合的層次化的在線實驗教學(xué)模式，如圖1 所示。在線實驗教學(xué)模式以夯實基礎(chǔ)、突出實踐、面向創(chuàng)新為目標(biāo)，以增強認知理解、提高實踐能力、培養(yǎng)工程思路、激發(fā)創(chuàng)新思維為理念，涵蓋模擬虛擬實驗、數(shù)字仿真實驗兩種實驗手段。由基礎(chǔ)性的驗證實驗演進到綜合性實驗，再過渡到創(chuàng)新性實驗。層次化實驗教學(xué)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容由淺入深，循序漸進，層層遞進提高，以學(xué)生為中心，逐步提高學(xué)生解決問題的能力，滿足了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)的需求。

圖1 層次化在線實驗教學(xué)模式

通過利用MATLAB、PPT、ISPRING，制作可交互的模擬虛擬實驗，界面如圖2 所示。首先在MATLAB 中編制代碼，得出運行結(jié)果，再把運行結(jié)果插入到PPT中，利用ISPRING 導(dǎo)出為可交互的flash 文件。模擬虛擬實驗可以脫離MATLAB 環(huán)境運行，操作方便，具有良好的交互功能，使得教學(xué)策略實現(xiàn)更便捷，而且適用的范圍更廣。

如分析二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，觀察阻尼比ζ對系統(tǒng)的時域響應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的手繪曲線比較費時，在MATLAB 中繪制曲線則非常方便。ζ取0.6 時的編程代碼如下：

運行程序，得出系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。把曲線截圖保存，在PPT 中調(diào)用。用同樣的方法，可以得到阻尼比ζ取其他數(shù)值時的響應(yīng)曲線。學(xué)生在模擬虛擬實驗中，可以選擇想要查看的阻尼比ζ，如圖3 所示，顯示二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。通過觀察不同阻尼比ζ的響應(yīng)曲線，很容易得出，ζ≤0 時的二階系統(tǒng)都是不穩(wěn)定的，而在ζ≥1 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的速度又太慢，對二階系統(tǒng)而言，欠阻尼情況是最有實際意義的。顯示，這種可視化的教學(xué)，把抽象的理論知識與可視的圖形結(jié)合起來，可以加深學(xué)生對基本理論的理解和掌握。

數(shù)字仿真實驗引導(dǎo)學(xué)生自己利用MATLAB 軟件，搭建仿真程序，該實驗環(huán)境要求學(xué)生能操作MATLAB軟件。對于部分學(xué)有余力、學(xué)習(xí)興趣濃的學(xué)生，還可以自主設(shè)計仿真平臺，可有效提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時激發(fā)學(xué)生自主探索的精神，有助于學(xué)生掌握更多的實踐操作技能。

圖2 模擬虛擬實驗

圖3 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)模擬實驗

3 結(jié)語

《機電控制工程基礎(chǔ)》是一門具有很強的理論性和實踐性的課程。本文針對在遠程在線教學(xué)中，單純地理論灌輸，理論與實踐脫節(jié)，學(xué)生主體作用不能充分的問題，探索了在線實驗教學(xué)。希望通過在線層次化實驗教學(xué)模式的探討，能改善遠程在線實踐環(huán)節(jié)的效果，提升教學(xué)質(zhì)量，以提高學(xué)生解決實際工程問題的能力。