高職自動控制原理虛擬仿真平臺的需求分析及實施方案

王晨豐 鞏建輝 任健

摘要：職業(yè)院校招生規(guī)模不斷擴大，教學資金缺乏，場地及實驗實訓設備供應不足。基于此，對商洛職業(yè)技術學院機電工程系教師進行了教學仿真平臺的需求調(diào)查，為高職自動控制原理虛擬仿真平臺的建設提供了依據(jù)。根據(jù)整理分析的調(diào)查結(jié)果，對教學仿真平臺的建設提出了初步設計方案。

關鍵詞：高職;虛擬仿真平臺;需求分析;自動控制原理;MATLAB

0 引言

高職教育是以培養(yǎng)生產(chǎn)、建設、管理、服務第一線需要的高素質(zhì)技能型人才為目標的職業(yè)教育，根據(jù)多年的教學實際，高職學生群體個體間存在差異性。部分學生學習的主動性較弱，熱衷使用移動終端及網(wǎng)絡，對傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀缺乏興趣，學習習慣及方法較差，但大部分學生喜歡動手操作，有團隊協(xié)作意識，多數(shù)學生希望掌握較高的職業(yè)技能，謀求較好的職業(yè)崗位。

自動控制原理課程是商洛職業(yè)技術學院機電一體化技術、工業(yè)機器人技術專業(yè)的專業(yè)基礎課，也是機械設計與制造、汽車檢測與維修技術專業(yè)的相關課程。它是一門側(cè)重理論、指導實踐的課程，在許多工程技術領域中應用廣泛。該課程理論性強、概念抽象、與工程實際聯(lián)系緊密、有特殊的框圖表示方法、公式多、繪圖量大且準確度要求高，加之運用到高等數(shù)學中的微分方程、拉氏變換等相關知識，高職學生普遍感到有一定的學習難度[1]。同時，受制于辦學條件及實訓經(jīng)費，實訓室建設及設備投入相對有限，僅依靠現(xiàn)有的機房及自動化生產(chǎn)線實訓裝置，很難全面體現(xiàn)主干知識，實訓效果有限，造成了學生實訓項目與工程實際相脫節(jié)的情況。受當下新冠肺炎疫情的影響，大部分職業(yè)院校包括商洛職院較大范圍采用了線上授課的形式，相關課程的實驗實訓環(huán)節(jié)不同程度縮減或延后，自動控制原理課程亦是如此。

針對商洛職院自動控制原理課程特點建立虛擬仿真平臺，一方面豐富了實訓教學的形式，另一方面也緩解了實訓設備短缺的問題，更是對疫情期間線上理論教學的重要輔助。本文通過對商洛職業(yè)技術學院機電工程系教師對虛擬仿真平臺的需求調(diào)查，為平臺的建設實施提供依據(jù)。

1 需求分析

平臺需求分析采用發(fā)放調(diào)查問卷的形式進行調(diào)研，在商洛職業(yè)技術學院機電工程系教師群體中展開。本調(diào)研的內(nèi)容主要包括：實訓教學中存在的困難、教學仿真平臺的需求度、教師對教學仿真平臺的實際需求情況等[2]，共發(fā)放問卷41份，回收41份，有效問卷37份，無效問卷4份。

（1）本文通過對實訓教學中存在的困難和虛擬仿真平臺的需求度進行調(diào)查，整理統(tǒng)計了最主要的5個問題。從實訓教學中存在困難和虛擬仿真平臺的需求度調(diào)查情況統(tǒng)計表（表1）中可以看出，教師在實訓教學中遇到的突出困難有實驗實訓設備數(shù)量不足;實訓條件有限，效果差;實訓項目因連貫性占用較多課時;設備故障、損壞率高等。其中有近56.8%的教師認為實訓設備數(shù)量不足，仍存在多人使用同一實訓臺或同班分節(jié)次實訓的情況。針對目前機電工程系主干的4個專業(yè)，教師普遍認為需要用到虛擬仿真平臺作為教學輔助，其中以機電一體化技術類及汽車檢測與維修類專業(yè)需求最高。教師在購買或開發(fā)平臺的過程中遇到的困難則集中于以下幾點：商業(yè)化平臺價格昂貴;自主開發(fā)技術難度大;沒有具體適合本專業(yè)領域的課程等。其中有近67.6%的教師認為目前的商業(yè)化教學平臺價格太貴。基于以上情況不難發(fā)現(xiàn)，有限的實訓條件與師生間實際需求的矛盾日益突顯。

（2）本文通過對虛擬仿真平臺的實際需求調(diào)查情況統(tǒng)計，歸納整理了主要的需求。根據(jù)虛擬仿真平臺的實際需求調(diào)查情況統(tǒng)計（表2），在教師考慮采用何種形式使用平臺方面，有近48.6%的教師希望平臺能夠在課堂教學中操作演示，輔助課堂教學。在被問及希望平臺能提供哪些幫助時，有67.6%的教師希望能提供給學生可操作的仿真實訓過程，減少有限的實訓條件及特殊情況（如企業(yè)實習時間調(diào)整、新冠肺炎疫情等）對學生的影響。在對操作界面的要求上，近62.1%的教師希望界面簡潔、易上手，盡可能降低高職學生的學習畏難情緒，增強學生學習獲得感。而在對平臺功能的要求方面，模塊化實操及演示功能更是大家普遍的要求。綜合來看，不同專業(yè)不同課程間，教師的需求存在差異，這也要求在開發(fā)虛擬仿真平臺過程中要充分考慮課程的內(nèi)容及特點，做到有針對性地開發(fā)。

2 自動控制原理虛擬仿真平臺初步建設實施方案

（1）平臺構(gòu)建之初，計劃包含六大模塊內(nèi)容：數(shù)學模型、時域分析、頻域分析、根軌跡分析、系統(tǒng)校正及離散系統(tǒng)分析等。其中的時域分析（一階及二階系統(tǒng)階躍響應）、頻域分析（包括奈奎斯特圖的繪制、伯德圖的繪制）、系統(tǒng)校正（主要以串聯(lián)超前校正為例）三部分是重點。整個仿真平臺按照樹形結(jié)構(gòu)從上至下，由六大模塊下沿至12個知識塊，而每個知識塊又可以細分更多知識點。從上到下對知識模塊逐級分解，12個基本知識塊又分別對每個模塊進行支撐，構(gòu)成一個較完整的知識體系[3]。虛擬仿真平臺的主要模塊內(nèi)容如圖1所示。

（2）根據(jù)之前對平臺的實際需求的調(diào)研結(jié)果，計劃對平臺設置3類登錄賬號：學生賬號、教師賬號、管理員賬號。不同類型的賬號功能側(cè)重不同，權限也有所不同。其中，學生賬號提供給學生驗證登錄使用，同時提供成績查詢及資源下載功能，學生通過對項目模塊內(nèi)容的操作，后臺實時記錄進程，可在線提交實訓結(jié)果，完成相關測驗。教師賬號主要用于授課教師發(fā)布課堂任務清單、課堂提問、在線答疑、完善現(xiàn)有模塊內(nèi)容、定期更新課程資源等工作。管理員賬號主要完成對仿真平臺的日常維護、設置不同賬號的權限、對新功能的開發(fā)及主要模塊的增減、對后臺數(shù)據(jù)的監(jiān)管等工作[4]。

（3）根據(jù)高職學生教學實際，開發(fā)基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬仿真平臺，同時將其融入混合式教學模式的課中環(huán)節(jié)。課前，教師通過云班課、學習通等APP電腦客戶端推送線上教學資源，學生則根據(jù)自身情況選擇手機端或電腦網(wǎng)絡終端自主線上學習，了解課程項目任務清單，同時提問或發(fā)表看法，與教師和同學互動交流。教師則通過對學生的答疑反饋，及時對課程內(nèi)容及教學方法做適時調(diào)整。課中，教師利用仿真平臺開展教學，在點評學生課前互動情況及布置課堂實訓任務的基礎上，幫助、引導學生利用平臺自主探究學習。同時教師根據(jù)學生的學習進程，進行針對性的指導及點評，促使學生順利完成項目模塊操作，平臺自動記錄學生實時數(shù)據(jù)及成績，方便對學生個體進行量化考核。課后，學生可以繼續(xù)通過班課平臺學習相關教學資源及拓展任務，教師也可以根據(jù)學生學習效果對本節(jié)課進行更全面的評價，形成教學反思。仿真平臺引入課中教學環(huán)節(jié)，豐富了教學形式，使得學生“做中學”、教師“做中教”，充分體現(xiàn)了教師的指導作用，提高了學生的學習熱情和效果。

3 結(jié)語

筆者通過對調(diào)查問卷的整理分析發(fā)現(xiàn)，機電工程系有近60%的老師認為需要在教學過程中使用仿真平臺來配合課堂教學，尤其是機電一體化技術專業(yè);同時在實際功能需求方面，有67.6%的老師希望平臺能提供可操作的仿真實訓過程，并且有近50%的老師希望將平臺應用于課堂教學的演示。結(jié)合反饋情況，針對自動控制原理課程理論性強、相關概念抽象、涉及知識面廣、公式多、學生普遍學習難度大的特點，本文開發(fā)了一套適合高職的自動控制原理虛擬仿真平臺。與此同時，將平臺融入混合式教學模式的課中環(huán)節(jié)，一方面豐富了學生實訓考核的形式，另一方面對常態(tài)化線上教學的實訓環(huán)節(jié)更是一種契合的補充。

[參考文獻]

[1] 王晨豐.基于MATLAB的高職《自動控制原理》課程教學[J].科技資訊，2015（15）：157-158.

[2] 段丹萍，唐潤華.高職虛擬仿真實訓系統(tǒng)使用需求調(diào)查分析[J].中國電力教育，2013（16）：163-164.

[3] 王晨豐.基于MATLAB GUI的高職《自動控制原理》教學平臺的構(gòu)建與實現(xiàn)[D].西安：長安大學，2019.

[4] 喻盼.基于Java和Matlab的虛擬仿真實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].荊州：長江大學，2018.