基于任務驅動的多向融合課堂教學改革

翁國慶 戚軍 謝路耀 黃飛騰

摘 要： 提出了“MATLAB與系統仿真”課程中采用基于任務驅動的多向融合教學法的課堂教學改革方案。為突破現有課堂教學方法的局限，方案從教學方式、第二課堂、多學科關聯知識應用等多方面，堅持以任務驅動形式促進其多向融合。實踐表明，所提改革方案可顯著激發學生的自主學習、勇于探索意識和團隊精神，培養學生交叉學科知識的融合應用能力，有效提升學生動手實踐能力。

關鍵詞：任務驅動；多向融合；MATLAB

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0082-03

Abstract： Abstract： The paper puts forward a reform scheme of multi-directional integration teaching method based on task-driven approach in the course of "MATLAB and System Simulation". In order to break through the limitations of the existing in-class teaching methods， the scheme insists on promoting multidirectional integration in task-driven forms from the aspects of teaching methods， the second class， and the application of multidisciplinary knowledge and so on. Practice shows that the proposed reform scheme can not only significantly stimulate students' autonomous learning， exploring consciousness and team spirit， but also cultivate students' integration and application ability of interdisciplinary knowledge as well as enhance their practice ability effectively.

Keywords： task-driven； multi-directional integration； MATLAB

電氣信息大類課程體系中，復雜計算、控制類、信息處理類、智能計算類、電氣工程類等課程的教學過程以及學生課程設計、課外科研和畢業設計環節中，均需要大量建模、計算、繪圖、仿真、分析和設計等過程。MATLAB軟件平臺具有函數集成度高、語言簡潔、編程效率高、交互性好、使用方便、可視化能力強、擁有眾多領域工具箱等特點，被廣泛應用各課程學習中進行復雜數值計算、編程建模，以及可視化、系統動態仿真和性能分析等?？梢哉f，對于理工科學生而言，熟練應用MATLAB語言和仿真平臺來解決實際問題，是提高其理論聯系實際能力、自我創新能力的重要技能。

但由于該課程綜合性很強、知識點涉及的應用領域駁雜，涵蓋內容幾乎遍及信息類學生的重要課程，既抽象又難懂，許多學生大二開始學習但直到畢業設計時仍不能較好掌握和應用。經過長期的思考和調研，筆者認為造成該現象的主要原因在于傳統的以知識點簡單教授為主的教學方法無法真正激發學生的學習積極性、主動性和求知欲，如何針對該課程特點，進行教學內容、課程資源、考核方式、教學組織形式等多方位、一體化的改革，具有重大的意義，且迫在眉睫。

本文提出一種基于任務驅動的多向融合課堂教學改革方案，核心目的在于基于任務驅動形式，通過教學方式、課堂組織、關聯知識應用等各方面的多向融合，大大提高該課程的教學效果，激發學生的求知欲和成就感，引導學生進行自主性、研究性、開放性、合作性的學習，培養其勇于探索實踐和團結協作精神，以及理論實踐結合和知識融合應用能力。

一、基于任務驅動的多向融合教學法

（一）任務驅動教學法

任務驅動教學法是一種主動探究型教學模式，它將“以傳授知識為主”的傳統教學理念，轉變為“以解決問題、完成任務為主”的互動式的教學理念，將再現式教學轉變為更積極的探究式學習，能主動運用學習的知識和經驗提出方案、解決問題。其特點是以學生為中心，以任務為驅動，圍繞任務展開學習，以任務的完成結果檢驗和總結學習過程，促使學生主動建構自主思考、探究實踐的學習體系[1，2]。

（二）多向融合教學法

多向融合教學法是一種意圖從“內容、模式、手段、途徑、評價”等多維度方向進行課程教學方法的綜合改革思路。其根本目標是培養學生多學科知識融合應用、創新實踐和問題解決能力[3，4]。

（三）基于任務驅動的多向融合教學法

“MATLAB與系統仿真”課程具有很強的獨特性。一方面，應用軟件類課程更需要學生自身的實踐操作和問題解決能力；另一方面，課程學習的任務是掌握此工具軟件并用以解決各類專業問題，需要與本學科多方向其他課程知識深入融合。因此，任務驅動教學法和多向融合教學法均非常適用于該課程教學。基于任務驅動的多向融合教學法，是將上述兩種方法核心理念進行有機結合。

基于任務驅動的多向融合教學法的核心流程如圖1所示。其改革的關鍵是：在基于任務驅動的多向融合教學法思想指導下，緊密結合課程各章節要求掌握的識點，充分融合學科關聯交叉理論知識，合理設置系列對應的技術課題任務，并以此任務驅動為抓手，優化課堂組織形式，充分調動學生主動學生和探索實踐欲望，充分利用“第二課堂”，并配套合理、公正的過程性評價機制[5]。

二、教學改革的關鍵環節設計

（一）任務驅動式和認識式教學方式的融合

教學方法的采用和教學方案的設計必須為教學目標和教學內容服務。針對本課程的核心教學目標主要為使學生掌握MATLAB/Simulink這一計算機仿真平臺及其在電氣工程中的應用方法，需要對課程的課堂組織形式進行大力革新：弱化教師傳統課堂理論授課的比例，突出強化以學生為主體的、基于多向融合任務驅動式的實踐授課的重要性。

如表1所示，針對電氣工程及其自動化專業“MATLAB與系統仿真”課程的各章節教學內容，融合本專業相關交叉學科知識，可以合理設置一系列技術課題任務要求學生結合第二課堂完成，以任務驅動形式培養學生自主學習、知識融合和實踐應用能力。學生按照分組形式，按要求進行課程相關內容學習、課外文獻查閱、課題任務討論、方案論證、編程仿真實踐，并集中安排進行課題答辯提問環節。

表1中，這些為實施本課程任務驅動多向融合教學方法設計的技術課題，旨在改變傳統“被動聽課+簡單作業”的學習方法，要求學生主動性地融合應用課程所學內容，有目的性、針對性地去解決一些相應的與電氣工程相關的課題任務。一方面，通過實際問題解決的任務可以有效激勵提升學生對本課程學習的興趣，另一方面可以提高學生真正知識的綜合掌握、靈活應用能力。

（二）基于任務驅動的第一課堂和第二課堂融合

“第一課堂”主要是指的課堂教學，是指依據教材及教學大綱，在規定的教學時間里進行的課堂教學活動?！暗诙n堂”是指在第一課堂外的時間進行的與第一課堂相關的教學活動，其教學內容源于教材又不限于教材，其形式生動靈活、豐富多彩，其學習空間范圍廣大。作為一門專業選修課程，“MATLAB與系統仿真”課程的教學過程中，以教師“教”為主的課堂教學課時非常有限，也很難開展深入、有效的實踐能力培養。而由于本課程學習主要工具為個人計算機以及MALTALB軟件包，開展基于任務驅動的第二課堂教學具有很好的可行性。

融合第一課堂和第二課堂實施的任務驅動式教學方法，需要圍繞表1所示設置的系列技術課題任務，充分調動學生學習的主觀能動性，以“第一課堂”所學知識為基礎，以小組團隊的形式，利用課外時間完成“第二課堂”的課題任務。在此過程中，作為主體雙方的學生方和教師方的任務分別是：1. 學生方需根據課題任務要求，以小組團隊的形式，合作完成相關文獻查閱、原理研究、MATLAB程序或者Simulink仿真模型設計、應用案例分析等工作，并進一步制作相應的PPT文本，課內集中進行答辯報告；2. 教師方需在熟悉課程知識點要求和學生相關專業知識學情了解的前提下，合理設置對應的技術課題，在學生進行課題任務的過程中給與適當交流指導，學生完成課題任務后課題內集中組織答辯討論，答辯后根據課題完成質量和小組答辯質量進行綜合評估打分。

（三）基于任務驅動的多學科知識應用融合

在設置表1所示各章節的任務驅動式的技術課題中，可將本課程包含的MATLAB/Simulink編程、建模仿真等知識，與本專業緊密關聯的數字信號處理、自動控制理論、電機學、電氣工程基礎、電力系統分析、電力電子技術、新能源發電系統等相關課程知識有機融合，實現專業復雜工程課題的問題分析、模型構建、設計調試和解決，實現基于任務驅動的多學科交叉知識融合應用。

以表1中的技術課題案例——“根軌跡方法在電力系統穩定控制中的應用”為例分析，其涉及的交叉學科知識如圖2所示。其中，專業理論上，該技術課題需要掌握電力系統自動裝置以及自動控制理論學科知識，構建電力系統穩定器（PSS）的控制數學模型；在仿真應用上，需要利用Simulink可視化仿真平臺，結合SimPowerSystem工具箱和Control System工具箱，構建含“PSS”電力系統的仿真模型，并進行該電力系統中是否含有PSS，以及PSS中反饋環節參數對電力系統穩定性影響分析，最后基于MATLAB畫圖功能，將該問題分析解決中涉及關鍵步驟、重要特性結果以圖形方式顯示。

三、基于任務驅動的多向融合教學法的案例實施

（一）案例1：FFT算法編程實現及其應用

以表1中課題“FFT算法編程實現及其應用”為例，進行基于任務驅動的技術課題任務說明：1. 研究FFT算法——對應于“MATLAB在數字信號處理中應用”知識點；2. FFT算法編程實現——對應于“MATLAB程序設計”知識點；3.算法功能圖形展示——對應于“MATLAB圖形繪制”知識點；4.FFT算法在電力信號諧波分析中的應用——對應于本課程MATLAB編程知識與電力系統方向學科知識的融合應用。圖3為學生根據該任務編寫的FFT程序對應的圖形輸出。

（二）案例2：電力負荷預測算法的仿真實現

以表1中課題“電力負荷預測算法的仿真實現”為例，進行基于任務驅動的技術課題任務說明：1. 常用負荷預測人工智能算法原理及其FFT算法編程實現——對應于“MATLAB的人工智能程序設計”知識點；2. 神經網絡算法及支持向量機算法在電力負荷預測應用中的仿真實現——對應于本課程MATLAB編程仿真知識與電力系統方向學科知識的融合應用；3.算法功能圖形展示——對應于“MATLAB圖形繪制”知識點。圖4為學生采用支持向量機方法實現負荷預測的預測效果及誤差分析的圖形輸出。

四、結束語

“MATLAB與系統仿真” 是電氣信息大類各專業一門仿真工具課程，可以很好地包容多學科知識交叉應用，對學生理論結合實踐、創新實踐的思維和能力培養非常重要。本文首先提出基于任務驅動的多向融合教學法的概念和意義，然后從任務驅動式和認識式教學方式的融合、基于任務驅動的第一課堂和第二課堂融合、基于任務驅動的多學科知識應用融合三個方面詳細闡述了基于任務驅動的多向融合教學法在該課程課堂教學改革中的實施思路，并進行了典型教學案例設計、實施及應用情況介紹。改革實踐證明：該方法對學生學習該課程具有顯著的提升效果，不僅可以更好地掌握MATLAB本身知識掌握和應用能力，更可增強學生對專業關聯學科知識的交叉融合應用能力、創新實踐和問題解決能力。

參考文獻：

[1]李秀瀅，王建新，彭靜.Matlab教學中任務驅動式教學法的應用[J].電氣電子教學學報，2010，32（2）：104-106.

[2]林海濤.任務驅動教學法在《Matlab程序設計語言》教學中的實踐[J].開封教育學院學報，2014，34（1）：80-81.

[3]吳元亮，徐勇，關宇，等.多向融合探究式教學法及其在“通信電子電路”中的應用初探[J].工業和信息化教育，2015，01：13-17，68.

[4]翁國慶，黃飛騰，謝路耀，等.“電力系統自動化”課程多向融合探究式教學電氣電子教學學報，2017，39（1）：79-82+134.

[5]翁國慶，黃飛騰，南余榮，等.新興特色專業科研反哺教學多向融合機制探析[J].電氣電子教學學報，2017，39（6）：23-26.