基于MATLAB GUI的自動控制原理翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

尤文斌+丁永紅+馬鐵華

摘 要 針對自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生盲目操作和儀器可靠性低等問題，開展基于MATLAB GUI虛擬動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。該平臺作為課前的主要學(xué)習(xí)資源，并完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，課上有的放矢地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而加深對理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間差異的認(rèn)識。實(shí)踐表明，該方法能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞 翻轉(zhuǎn)課堂；MATLAB GUI；自動控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0127-03

1 引言

自動控制原理是高等院校自動化、測控技術(shù)、機(jī)械電子等專業(yè)本科學(xué)生的必修核心課程，主要研究自動控制系統(tǒng)的一般規(guī)律[1-3]，其理論性強(qiáng)，理解和消化課程理論內(nèi)容的重要途徑就是實(shí)驗(yàn)課。但是，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器陳舊和實(shí)驗(yàn)學(xué)時少，實(shí)驗(yàn)淪為理論知識的一種驗(yàn)證，學(xué)生盲目地按實(shí)驗(yàn)任務(wù)書要求進(jìn)行導(dǎo)線連接等機(jī)械式操作，不能充分發(fā)揮學(xué)生的能動性。

MATLAB是美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，其GUI（Graphical User Interfaces）是一種新型的圖形用戶界面編程工具。通過MATLAB GUI設(shè)計和開發(fā)自動控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，在實(shí)驗(yàn)課前將實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、MATLAB GUI實(shí)驗(yàn)軟件、思考小問題、小測驗(yàn)發(fā)放給學(xué)生，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)前就對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果有一定掌握。實(shí)驗(yàn)課上針對學(xué)生課前測驗(yàn)中遇到的問題開展討論，并針對多數(shù)人出現(xiàn)的問題統(tǒng)一講解和指導(dǎo)，而個別人的問題單獨(dú)講解。這樣不但能很好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題，又能加深對自動控制原理課程內(nèi)容的理解，更能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，將學(xué)生盲目按指導(dǎo)書操作模式朝向?yàn)槭裁匆@樣做、怎樣做更好、還能做些什么轉(zhuǎn)變。

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

針對自動控制原理強(qiáng)調(diào)方法論，理論性強(qiáng)，從而面對較多的抽象概念和數(shù)學(xué)公式，教師的教學(xué)過程讓學(xué)生感覺枯燥乏味的問題[4]，基于MATLAB GUI編寫的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式對該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。

翻轉(zhuǎn)課堂的起源 2007年，美國科羅拉多州林地公園高中的化學(xué)教師喬納森·伯爾曼（Jon Bergmann）和亞倫·薩姆斯（Aaron Sams）為了給由于天氣原因缺課的學(xué)生補(bǔ)課，將上課內(nèi)容進(jìn)行錄像后，通過電郵等網(wǎng)絡(luò)形式將教學(xué)內(nèi)容發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生在家看視頻聽講解，課堂上教師主要用來講解學(xué)生在視頻學(xué)習(xí)或作業(yè)中出現(xiàn)的問題，成功幫助缺課而跟不上教學(xué)進(jìn)度的學(xué)生[5-6]。這就是風(fēng)靡全世界的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式[5-7]。

翻轉(zhuǎn)課堂的定義 翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom），即學(xué)生首先在家提前完成視頻等相關(guān)材料的學(xué)習(xí)，省卻教師的課堂講解，教師課堂上則集中精力開展問題講解和分組討論。該方法顛倒了傳統(tǒng)學(xué)校“課上教師講授，課后完成作業(yè)”的教學(xué)安排[5-7]。

翻轉(zhuǎn)課堂的意義 首先，在教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度一樣的情況下，因?yàn)槟芰Σ町悾瑢W(xué)生掌握學(xué)習(xí)知識的程度必然出現(xiàn)差異。翻轉(zhuǎn)課堂“以學(xué)生為中心”，注重在課上進(jìn)行教師針對性的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)因材施教。同時，學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力，課前自主計劃學(xué)習(xí)方法。其次，課堂上學(xué)與課后練習(xí)相結(jié)合模式被課前學(xué)習(xí)新知識，教師不再單純對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解和監(jiān)督，以指導(dǎo)小組協(xié)作學(xué)習(xí)及答疑解惑為主所替代，針對課前自學(xué)知識遇到的問題，幫助學(xué)生更好掌握。最后，在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生由填鴨式被動接受知識轉(zhuǎn)變成主動學(xué)習(xí)者、研究者，提高了學(xué)習(xí)能動性。

3 自動控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

長期以來，實(shí)驗(yàn)課程幾乎是理論教學(xué)的知識驗(yàn)證，盡管學(xué)生動手做了一些實(shí)驗(yàn)，卻無法站在系統(tǒng)的高度掌握所學(xué)知識，更談不上綜合設(shè)計，靈活應(yīng)用到實(shí)踐中。又由于有限實(shí)驗(yàn)學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課就成了教師的講解為主，學(xué)生機(jī)械地完成硬件連接、記錄結(jié)果，對出現(xiàn)的與理論的差異及如何分析出現(xiàn)的原因卻很少進(jìn)行探討，更談不上完成創(chuàng)新設(shè)計來激發(fā)興趣，就無法有效地培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。

現(xiàn)有的大部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器還處于傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)類型，實(shí)驗(yàn)箱是高度集成封閉的，通過導(dǎo)線連接不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，在典型激勵信號作用下，通過示波器或計算機(jī)觀察系統(tǒng)響應(yīng)。這種實(shí)驗(yàn)方法存在明顯不足：1）實(shí)驗(yàn)儀器箱集成度高，學(xué)生實(shí)驗(yàn)就成了連接導(dǎo)線，無法知道模塊功能如何實(shí)現(xiàn)，對實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出盲目性；2）理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動手操作相互分離，實(shí)驗(yàn)不能用于鞏固理論知識，理論也無法指導(dǎo)實(shí)踐；3）由于元器件的非理想特性，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值差異較大時，缺乏分析、討論出現(xiàn)問題原因的環(huán)節(jié)。

4 基于MATLAB GUI實(shí)驗(yàn)平臺的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

基于MATLAB GUI的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式構(gòu)建 2011年美國學(xué)者杰姬·格斯丁（Jackie Gerstein）將課堂劃分為由體驗(yàn)學(xué)習(xí)階段、概念探究階段、意義建構(gòu)階段以及展示應(yīng)用階段組成的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型[5]。在此基礎(chǔ)上，美國的Robert Talbert教授在多年實(shí)踐研究后提出翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)構(gòu)圖。我國南京大學(xué)的曾貞等，江蘇科技大學(xué)的張其亮等，也結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，創(chuàng)建了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)框架[6]。借鑒眾多學(xué)者的觀點(diǎn)，結(jié)合自動控制原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需求以及學(xué)生的特征，構(gòu)建圖1所示翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模型圖。

基于MATLAB GUI翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施 基于教學(xué)模式結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計基于MATLAB GUI的自動控制原理翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。選取大三學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對象，他們已有電路、物理、模擬電子技術(shù)、高數(shù)等基礎(chǔ)課程的儲備，有一定的動手實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)能力；在自由組合的基礎(chǔ)上每組4人。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的翻轉(zhuǎn)，發(fā)布給學(xué)生的教學(xué)資源包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、講授PPT、講解視頻、相關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)資料和自制MATLAB GUI軟件。采用MATLAB GUI軟件編寫的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺軟件主界面如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有典型環(huán)節(jié)響應(yīng)特性、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特性、連續(xù)系統(tǒng)校正、數(shù)字PID控制、采樣實(shí)驗(yàn)。同時，將采用MATLAB GUI軟件編寫的該課程實(shí)驗(yàn)的虛擬軟件的原始文件也發(fā)放給學(xué)生，讓學(xué)生在課前能夠在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的基礎(chǔ)上，在計算機(jī)上模擬完成實(shí)驗(yàn)，直觀地獲得變換控制參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這也是該實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)教學(xué)區(qū)別于理論課程的地方。這樣學(xué)生就能夠在課前將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)有所練習(xí)和對實(shí)驗(yàn)提前掌握。因此，基于MATLAB GUI仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以保證翻轉(zhuǎn)教學(xué)的有效開展。

整個翻轉(zhuǎn)課堂按課下和課上的組織形式開展。

1）課下。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)就是要使學(xué)生加深對理論課程的理解，掌握實(shí)際電路或機(jī)械結(jié)構(gòu)與理論之間存在的內(nèi)在聯(lián)系和差異之處。教師課下完成教學(xué)活動設(shè)計、教學(xué)資源的發(fā)布，收集整理學(xué)生遇到的問題，在線答疑。教學(xué)活動設(shè)計完成分配學(xué)習(xí)任務(wù)、劃分學(xué)習(xí)小組、實(shí)驗(yàn)組織形式、制定評分標(biāo)準(zhǔn)等。發(fā)布的教學(xué)資源包括實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、MATLAB GUI仿真軟件、微視頻教程、參考書籍、相關(guān)的專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站等類型的素材。為適合不同基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)，將資源分為基礎(chǔ)資源和擴(kuò)展資源兩個等級。其中，MATLAB GUI仿真軟件和實(shí)驗(yàn)演示微視頻的制作是資源準(zhǔn)備中的核心內(nèi)容，特別指出理論實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)中結(jié)果會出現(xiàn)的差異。為每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)準(zhǔn)備1～2個微視頻，每一個微視頻只介紹一個實(shí)驗(yàn)，時間在8分鐘以內(nèi)。

將視頻和其他電子資源上傳到QQ文件夾和百度云，方便學(xué)生下載觀看。同時，通過QQ和微信等網(wǎng)絡(luò)通信工具完成在線答疑與指導(dǎo)。學(xué)生可以將自己在學(xué)習(xí)中遇到的問題發(fā)布出來，與教師和同學(xué)在線交流。教師統(tǒng)計學(xué)生在線提出的問題，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，便可以在課堂上有針對性地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。為了增加學(xué)生自學(xué)的興趣和參與度，根據(jù)學(xué)生提出問題、解答問題、在線參與度和解決問題質(zhì)量給出平時成績，通過解決他人問題獲得個人成就感。這種方式最大的好處就是實(shí)現(xiàn)了個性化學(xué)習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況選擇資源和學(xué)習(xí)時間。

2）課上。由于課下已完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、操作步驟、注意事項(xiàng)有所掌握，課上花上幾分鐘針對課下大多數(shù)學(xué)生遇到的問題進(jìn)行講解。實(shí)驗(yàn)課上不再對實(shí)驗(yàn)過程等進(jìn)行講解，為動手實(shí)驗(yàn)留出更多的時間。課上實(shí)驗(yàn)分為三個階段。

①合作探究階段。按分組開展硬件實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以充分利用這段時間動手實(shí)踐，和同組伙伴討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。并可將實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果和MATLAB GUI仿真軟件結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是否正確，同時可以找出理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的差異，分析造成差異的原因。更重要的是可以在MATLAB GUI仿真軟件上創(chuàng)造性地設(shè)計出實(shí)驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行仿真，在硬件上進(jìn)行驗(yàn)證。這樣就可以避免學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的盲目性，同時能直觀地觀測到不同輸入和輸出的關(guān)系，原有系統(tǒng)和校正系統(tǒng)特性的不同也能給學(xué)生創(chuàng)造性設(shè)計提供檢驗(yàn)手段。

②個性化指導(dǎo)階段。針對每一個小組在合作動手實(shí)踐階段都會遇到不同的問題進(jìn)行個性化指導(dǎo)，為每個小組解答疑惑，實(shí)現(xiàn)對不同問題的詳細(xì)解答。同時，將遇到的問題和需要注意的地方與其他小組進(jìn)行組間的交流和分享。

③總結(jié)反饋評價階段。總結(jié)各個小組出現(xiàn)的主要問題，對實(shí)驗(yàn)中的知識要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)化梳理，加深對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握。最后，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價，采用自評、小組成員互評、整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果、組間互評等多元化形式。同時，引導(dǎo)學(xué)生積極探索以及交流協(xié)作精神的培養(yǎng)，潛移默化中提高學(xué)生自學(xué)能力和解決問題的能力。

5 翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

本次運(yùn)用對照方式完成翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)改革效果的研究。實(shí)驗(yàn)對象為四個班級的大三學(xué)生。首先，調(diào)查問卷結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生基礎(chǔ)相當(dāng)。其次，實(shí)驗(yàn)1、2班各有學(xué)生48人，對照班1有學(xué)生47人，對照班2有學(xué)生46人，人數(shù)相當(dāng)，因此，符合對照實(shí)驗(yàn)的條件。對照班采用傳統(tǒng)的“教師課上講解演示+學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)”的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)組班級采用本文論述的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，在8學(xué)時的實(shí)驗(yàn)后，對學(xué)生進(jìn)行操作技能和理論測試，同時對實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。

將四個班的測試成績劃為五個分?jǐn)?shù)段，即90～100分、80～89分、70～79分、60～69分、60分以下，成績分布統(tǒng)計圖如圖3所示。由圖3可見，在80～100分這兩個成績段的比例，實(shí)驗(yàn)班明顯高于對照班，實(shí)驗(yàn)班1和2占比58.33%和54.17%，對照班1和2占比36.17%和30.43%；而在69分以下兩個成績段的比例，實(shí)驗(yàn)班明顯低于對照班，實(shí)驗(yàn)班1和2占比14.58%和16.67%，對照班1和2占比25.53%和26.09%。通過分析可知，采用翻轉(zhuǎn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班成績有了明顯進(jìn)步。

通過實(shí)驗(yàn)班的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，89.53%的學(xué)生認(rèn)為該教學(xué)模式很好地調(diào)動了學(xué)習(xí)的積極性，同學(xué)和教師的交流增多了，促進(jìn)了自己的學(xué)習(xí)。同時也存在一些不足，主要是學(xué)生對MATLAB GUI中系統(tǒng)函數(shù)輸入不夠熟悉，課上小組匯報活動時間太短。

6 總結(jié)

自動控制原理是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是加深對理論理解、增強(qiáng)動手能力的有效途徑。基于MATLAB GUI的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革使學(xué)生在課前就能夠模擬完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，得到理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使課上實(shí)驗(yàn)變得有的放矢。同時，通過翻轉(zhuǎn)模式提高了學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)意識，延長了實(shí)驗(yàn)課上動手時間，對理論和實(shí)踐有了更深入的理解和掌握。實(shí)踐表明，通過基于MATLAB GUI的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，學(xué)生動手能力和理論成績都有明顯提高。

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