《MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張 琪，艾 青，周 武，高紅亮

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

國(guó)家重大戰(zhàn)略和需求是工程教育改革創(chuàng)新的起點(diǎn)?，F(xiàn)代人才培養(yǎng)過程中，以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)，注重多學(xué)科融合、理論聯(lián)系實(shí)際，幫助將所學(xué)知識(shí)融匯貫通[1]。

《MATLAB 與機(jī)電系統(tǒng)仿真》是電氣類專業(yè)的一門有特色的選修課，面向本科大三學(xué)生。課程目標(biāo)要求學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)所學(xué)課程專業(yè)知識(shí)的交叉融合與綜合運(yùn)用，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[2]。

1 教學(xué)中存在的問題

MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)班級(jí)人數(shù)為70至120人。在《MATLAB 與機(jī)電系統(tǒng)仿真》教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映，“上課能聽懂，自己動(dòng)手編程卻沒有思路”“學(xué)的會(huì)，考的高，不會(huì)解決實(shí)際工程問題”等。這現(xiàn)象不符合新工科、卓越工程師或工程教育認(rèn)證等對(duì)應(yīng)用人才的要求[3]。為此，課題組調(diào)查研究，與學(xué)生溝通，分析過往學(xué)生作業(yè)、課堂表現(xiàn)和成績(jī)等，認(rèn)為課程教學(xué)主要存在以下問題：

1)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式過于單一，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

課程的理論部分和實(shí)驗(yàn)部分分開進(jìn)行。理論課上，老師在講臺(tái)上授課，演示編程過程，難以顧及學(xué)生個(gè)體的差異性；而學(xué)生不斷地記筆記或一味地模仿操作，往往會(huì)忽視老師講的知識(shí)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生回憶理論課上所學(xué)知識(shí)，再去嘗試編程，浪費(fèi)時(shí)間，效果不好。

2)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用缺少關(guān)聯(lián)，難以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

傳統(tǒng)課本重編程語法講解，輕工程實(shí)踐，示例無法反映實(shí)際工程的應(yīng)用，教材內(nèi)容枯燥、更新迭代慢，難以引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用問題，更難以實(shí)現(xiàn)新工科立德樹人的目標(biāo)。

3)考核形式不完善，難以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、想象能力和創(chuàng)造能力。

2 教學(xué)改革方案

在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，其他院校課程教學(xué)與改革采用了多種有效措施。結(jié)合本校和本院學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，整合了教學(xué)資源，改善了課程考核評(píng)價(jià)體系，設(shè)計(jì)并實(shí)施了基于“學(xué)習(xí)通自建課程+翻轉(zhuǎn)課堂”的線上線下混合式教學(xué)模式，提高了學(xué)生的參與度，促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和協(xié)作式學(xué)習(xí)，以及提升了創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力[4,5]。

2.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)體系

保留課程必要的知識(shí)講授環(huán)節(jié)，增加基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新項(xiàng)目環(huán)節(jié)，結(jié)合MATLAB軟件對(duì)知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用的要求，將課程內(nèi)容分為“3個(gè)模塊，9個(gè)章節(jié)，6次實(shí)驗(yàn)，3次項(xiàng)目”，如圖1所示。

圖1 MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真課程優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容

“3個(gè)模塊”分別是MATLAB基礎(chǔ)、系統(tǒng)建模與仿真和Simulink應(yīng)用，分別從基礎(chǔ)、模型和應(yīng)用3方面，共9個(gè)章節(jié)，分階段、分層次進(jìn)行教學(xué)。

“6次基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)”，在主要章節(jié)學(xué)習(xí)完后進(jìn)行，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由教師提供，學(xué)生獨(dú)立完成[6]。

“3次創(chuàng)新型項(xiàng)目”，在每個(gè)模塊學(xué)習(xí)完后進(jìn)行，內(nèi)容與行業(yè)人才需求接軌，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決工程實(shí)際問題的能力。項(xiàng)目的內(nèi)容是多學(xué)科交融的，可以由教師提供，也可以學(xué)生自己擬定。這個(gè)過程是團(tuán)隊(duì)合作的，集趣味、能力和素質(zhì)為一體，促進(jìn)學(xué)生之間的相互交流，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作精神，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。同時(shí)有助于緩解傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師精力有限，無法兼顧每個(gè)學(xué)生的難題[7]。

同時(shí)，在課中增加思政元素，以問題為導(dǎo)向，融合學(xué)科前沿與思政元素，有效引入課堂中，潛移默化教育學(xué)生，起到立德樹人的效果[8]。

2.2 改革教學(xué)模式，改進(jìn)教學(xué)方法

課前，學(xué)生學(xué)習(xí)線上資源；課中，教師有導(dǎo)向性的重難點(diǎn)知識(shí)講解，或是學(xué)生開展討論與實(shí)踐，或是以學(xué)生匯報(bào)等方式，實(shí)施“以學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂；課后，學(xué)生情況反饋以及教師教學(xué)反思。這個(gè)過程形成了閉環(huán)的混合式教學(xué)模式[7]。教師不再只是站在講臺(tái)上講授，而是走進(jìn)學(xué)生中間，了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)資源，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更加個(gè)性化。圖2是混合式翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式中教師和學(xué)生主要的角色職責(zé)。

1)課前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

教師根據(jù)授課內(nèi)容，在學(xué)習(xí)通上建立教學(xué)資源庫，發(fā)布學(xué)習(xí)資源，并布置學(xué)生預(yù)習(xí)的任務(wù)。同時(shí)配套有小測(cè)試，檢測(cè)學(xué)生預(yù)習(xí)情況，教師可及時(shí)調(diào)整線下課堂重難點(diǎn)講授的知識(shí)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)通app，學(xué)習(xí)課前資料，完成課前任務(wù)。

2)課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)已有一定的掌握。在課堂中，學(xué)生主要通過與教師交流，實(shí)踐操作，使知識(shí)得到內(nèi)化，提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量。教師也可通過課上的互動(dòng)、隨堂練習(xí)等活動(dòng)，了解學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況，及時(shí)調(diào)整講解內(nèi)容及重難點(diǎn)。

3)課后反饋環(huán)節(jié)

課后學(xué)生小組自主學(xué)習(xí)與討論，并提交學(xué)習(xí)成果以及學(xué)習(xí)中問題。教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況和問題反饋等，利用線上交流平臺(tái)和線下指導(dǎo)，與小組學(xué)生進(jìn)行答疑和解惑，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

圖2 混合式翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式

2.3 更新考核方式，跟蹤教學(xué)效果

為了促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，從考核形式、考核內(nèi)容和學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)方式3個(gè)方面，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，逐步完善學(xué)業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法。圖3展示了《MATLAB 與機(jī)電系統(tǒng)仿真》課程的考核方式。

圖3 MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真課程更新的考核方式

1)考核形式

改變“一紙定終身”考核模式，采用“平時(shí)表現(xiàn)+實(shí)驗(yàn)完成+項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)”的過程評(píng)價(jià)組合，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)掌握程度。通過各種教學(xué)手段，以提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力為目標(biāo)，督促學(xué)生課前預(yù)習(xí)，促進(jìn)課堂參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2)考核內(nèi)容

細(xì)化考核內(nèi)容，加強(qiáng)過程管理，鼓勵(lì)學(xué)生參與課程各環(huán)節(jié)，以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力為目的?！捌綍r(shí)”考核學(xué)生課前預(yù)習(xí)程度，課中教學(xué)環(huán)節(jié)的參與度，以及課后課程的反饋情況。“實(shí)驗(yàn)”是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，主要幫助學(xué)生鞏固所學(xué)的重難點(diǎn)知識(shí)，培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)思路和動(dòng)手能力?！熬C合性項(xiàng)目”，以解決實(shí)際工程問題為導(dǎo)向，綜合考核小組項(xiàng)目完成情況，主要針對(duì)項(xiàng)目資料的收集是否完成、總結(jié)方案是否可行、程序調(diào)試是否成功、實(shí)現(xiàn)方法是否單一、項(xiàng)目完成是否及時(shí)、回答問題是否正確等方面進(jìn)行考核。

3)學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)方式

平時(shí)成績(jī)，主要通過學(xué)習(xí)通平臺(tái)記錄，教師課前設(shè)置，課程結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)核算。實(shí)驗(yàn)成績(jī)，由學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量?jī)刹糠纸M成。綜合性項(xiàng)目設(shè)計(jì)部分，從選題創(chuàng)新性、功能完成度、團(tuán)隊(duì)合作情況、項(xiàng)目匯報(bào)等綜合考核，通過教師主評(píng)、組間互評(píng)、小組成員自評(píng)等多角度綜合評(píng)價(jià)[9]。

新的考核形式，能詳細(xì)跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)情況，有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索、積極交流和協(xié)作，確保每位學(xué)生“主動(dòng)學(xué)、勤練習(xí)、有收獲”。

3 教學(xué)效果分析

根據(jù)本校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)三年級(jí)學(xué)生選修《MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真》課程的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，2017級(jí)以前主要實(shí)施傳統(tǒng)線下課堂授課模式。從2018級(jí)學(xué)生開始，建立線上課程資源。對(duì)2018級(jí)學(xué)生提供線上學(xué)習(xí)資源，但不作強(qiáng)制要求，線上學(xué)習(xí)情況不計(jì)入期末總成績(jī)；對(duì)2019級(jí)學(xué)生提供線上學(xué)習(xí)資源，但跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并計(jì)入期末總成績(jī)。根據(jù)學(xué)習(xí)通線上課程管理數(shù)據(jù)可以得到2018級(jí)、2019級(jí)線上視頻觀看情況，如表1所示。可以看出，2018級(jí)學(xué)生有大部分同學(xué)參與線上學(xué)習(xí)，2019級(jí)94%學(xué)生積極參與，參與度大大增加。

表1 學(xué)習(xí)通視頻完成度

同時(shí)，匯總2017級(jí)、2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生期末考試成績(jī)，如表2所示。相比2017級(jí)學(xué)生成績(jī)，2018級(jí)和2019級(jí)學(xué)生期末成績(jī)低分率逐年降低，中高分率逐年升高。

表2 2017級(jí)-2019級(jí)選課學(xué)生期末成績(jī)

根據(jù)三屆學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，2017級(jí)學(xué)生主要反映上課速度快，課后學(xué)習(xí)資料少；2018級(jí)學(xué)生主要反映，線上課程幫助查漏補(bǔ)缺，但是部分內(nèi)容與課上重復(fù)，浪費(fèi)時(shí)間；2019級(jí)學(xué)生，主要反映，課前的預(yù)習(xí)和視頻觀看比較耗時(shí)，但課上教師的重難點(diǎn)知識(shí)講解更有針對(duì)性，吸收更好，并通過多次的實(shí)驗(yàn)和有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，鞏固了所學(xué)的知識(shí)，提高了學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力，能初步解決簡(jiǎn)單的工程問題。

4 結(jié)語

《MATLAB與機(jī)電系統(tǒng)仿真》 課程教學(xué)，結(jié)合本校課程目標(biāo)和學(xué)生情況，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，改革了教學(xué)方法，更新了考核模式，實(shí)施了基于“學(xué)習(xí)通自建課程+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式。學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，積極參與課堂互動(dòng)，理論成績(jī)和解決工程問題的能力也明顯提高。實(shí)踐結(jié)果表明，這一系列措施能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

Discussion on teaching reform based on the course “MATLAB and mechatronic systems simulation”

ZHANG Qi，AI Qing，ZHOU Wu，GAO Hong-liang