自控原理綜合教學平臺

賈云飛

摘要：“自動控制原理”課程內容比較抽象，包含許多圖解的方法。學生往往感到內容枯燥，難以理解。針對這一問題，本文通過Matlab GUI程序設計，開發出一體化的教學平臺。該平臺將各種繪圖過程以動畫的方式顯示給學生，同時也提供了參數化的輸入接口，對各種問題下的繪圖問題均可解決。經過教學實踐檢驗，本平臺可大大降低教學負擔，顯著提高了學生的理解能力。

關鍵詞：自動控制原理教學；Matlab GUI；信息化教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0081-02

一、研究與方法

1.存在的問題?！白钥卦怼闭n程包含大量抽象的概念，教師的教學壓力較大。同時該課程包含了許多圖解方法，如根軌跡法、伯特圖、奈氏圖等。傳統的教學方法是由教師用粉筆在黑板上畫出整個曲線。這種方法的好處是比較生動，但由于繪圖過程比較煩瑣，同時不同問題中各種參數變化需要繪制許多條曲線，需要占用大量寶貴的課堂時間，影響了教學效率。教學活動本是腦力和智力勞動，卻摻入了過多煩瑣而枯燥的體力勞動。妥協的結果就是教師一般對一類問題只繪制一張圖，教學效果難以提高。

采用幻燈片實施課堂教學同樣也有一定問題，教師在幻燈片中可以提供大量圖片、各種參數下的根軌跡曲線。但這些靜態曲線的繪制過程并未體現在課堂上，導致部分理解能力較差的學生仍一頭霧水。

以上兩種教育方式的互動性和實時更新能力有很大的提升空間。學生們在課堂上聽到、看到的授課內容都是老師事先準備好的講義和教案，很多情況下并不能根據學生的要求現場演示各種問題的圖解方法，學生很難融入到教學中來，互動性受到較大程度限制[1]。

綜上所述，“自控原理”教學中急需一種互動性強、信息量大、生動的教學手段，本文旨在解決這一問題。

2.平臺特點。借助于各種信息化的教學手段，本文開發了一種綜合化的教學平臺。該平臺具有以下幾個顯著特點：（1）一體化的教學平臺，將教師的PPT、動畫展示和各種教輔材料集中于一個窗口中。避免了在教學過程中由于頻繁的窗口切換打擾學生思路。（2）可脫離Matlab環境獨立運行于Windows平臺。這樣避免了在一些未安裝Matlab的電腦無法運行的尷尬。（3）具有視頻播放功能。對于一些難點，可以借助于播放名師教學視頻的手段改善教學效果。（4）體現動畫效果。將各種需要繪制的曲線的繪制過程在課堂上演示。（5）互動性強?！白钥卦怼苯虒W中往往會遇到的各種參數變化或坐標軸旋轉等問題。這些都可以根據學生要求現場繪制。

3.Matlab GUI編程方法介紹。Matlab作為一款著名的軟件產品，已經大量應用于自動原理的教學中。該軟件自帶的GUI開發庫可以開發出獨立運行的、帶界面的軟件。本平臺采用了Matlab GUI庫進行開發。該開發庫的特點有：（1）開發過程簡單：大部分開發工作仍是基于Matlab的m語言。（2）配備豐富的文檔：該GUI庫的文檔內容翔實，提供了大量實例，簡單易學，上手很快。（3）提供了豐富的控件，而且控件屬于windows標準控件，直接調用即可[2]。

二、平臺功能

1.軟件架構。本平臺針對的教材是中國民航大學采用的《自動控制原理》（機械工業出版社）。覆蓋了前五章的主要知識點。主要模塊包括：主界面模塊、繪圖模塊、課件顯示模塊、視頻播放模塊等四個模塊。如圖1所示：

圖1中主界面模塊主要負責整個窗口的顯示與顯示效果等因素。PPT顯示功能是本平臺的一個特色。本平臺可在統一的界面上切換教學課件與繪圖界面。這種設計的目的是在教學過程中盡量少地轉移學生的注意力。視頻播放模塊的設計目的是充分利用互聯網上的各種優秀教學資源，例如各種機械控制原理視頻、精品課程的教學視頻。人機交互功能。主界面模塊為其他模塊提供了一個“容器”，包含了所有菜單、按鈕和繪圖顯示的結果。主界面模塊的設計主要考慮了直觀性、易于操作性。繪圖模塊的主要功能是將用戶發出的繪圖命令以動畫的方式顯示在界面上。繪圖模塊實現時要重點考慮坐標軸的顯示效果。因為本平臺包含了“自動控制原理”課程的大部分教學內容，各種圖形、曲線的繪制要求各不相同。因此，在設計坐標軸時要充分利用Matlab GUI庫提供的各種屬性值。這部分是需要開發者認真考量的。例如，坐標軸提供的屬性性包括ButtonDownFcn；Children；Clipping；Color；ColorOrder、CreateFcn、CurrentPoint、DeleteFcn、FontAngle、FontName、FontSize、FontUnits、FontWeight、GridLineStyle、NextPlot、OutPosition、Parent、Position、Tag、Title、Type、UIContextMenu、Units等。這些屬性值在不同的曲線繪制中要分別設置為不同的值。最終目的是達到較好的顯示效果。繪圖模塊的另一設計要點是繪圖的速度，即曲線從起點至終點的顯示速度。本平臺設計的目標是既讓學生能感受到曲線從起點至終點的繪制過程，又能充分節約寶貴的課堂時間。

2.平臺的應用效果分析。最終設計完成的程序主界面如圖2所示：

圖2的左側為樹形控件，點擊各節點后可在各部分教學章節之間切換。右側是繪制參數輸入及結果顯示區，上部顯示了本章節包含的需要繪制的圖形。圖2以第四章的根軌跡繪制為例進行說明。在圖2的左側樹型控件中點擊“第四章 根軌跡分析法”，右側繪圖顯示區即顯示出如圖2所示的界面。點擊上部的tab控件“根軌跡一”，在文本框中可輸入根軌跡方程的分子項與分母項的系數，點擊“繪圖”按鈕，右側坐標軸中即可顯示出根軌跡的繪制動畫。

經過一學期的課堂教學實踐，學生對本平臺顯現出極大的熱情，普遍感受是根軌跡法、奈氏圖、波特圖等圖解方法不再難學。另外，課堂氣氛也隨之活躍，互動性明顯提高，學生參與教學過程的主動性得到增加，有利于教師掌握學生的理解程度和學習中的困惑。

三、結語

本項目得到中國民航大學科研啟動基金項目支持（2011QD05S）。本文針對“自控原理”教學中遇到的困難，提出了一體化的教學平臺。本文分別從需求分析、架構設計及教學實踐三個方面論述這一平臺的設計、實現和應用過程。學生與老師的切身體會感到：本平臺應用后，課堂氣氛活躍了，學生們參與熱情提高了，教師的教學壓力大大減輕了。

參考文獻：

[1]張又亮，夏柯，等.基于MATLAB/GUI的自動控制原理虛擬實驗平臺[J].北京：科技創新導報，2011，（35）.

[2]陳垚光，毛濤濤，等.精通MatlabGui設計[M].北京：電子工業出版社，2013.