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材料成形自动控制基础课程融合教学改革

2024-08-21 74 上传者：管理员

摘要：基于材料成形自动控制基础课程学情反馈和课程特点，借助MATLAB图形化编程手段，开发了由Laplace变换、系统传递函数、时域分析、根轨迹、频域分析和系统校正六个功能画面构成的课程教学辅助课件，并将其应用和融合于课程教与学中。通过实例化计算、回调函数代码学习和可视化运行等多种方式，增强学生对课程重点和难点的理解，对课程内容进行强化学习和拓展学习，同时也激发了对MATLAB软件的学习和应用兴趣。

关键词：
GUI编程
Matlab
教学改革
教学课件
融合教学模式
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材料成形自动控制基础课程是东北大学材料成型及控制工程专业在大三开设的一门专业基础课，在先修课程高等数学、电工学的基础上，面向钢铁生产过程自动控制的实际需求，系统地讲授自动控制系统的基本原理、传递函数建模、典型环节的时域和频域特性分析和系统校正五部分内容[1]。在课程教学中，不断融入教师的最新科研成果，启发学生理解工程问题中蕴含的控制原理，在知识传递中，注重能力培养、素养提升和价值引导。在多年的教学过程中，不断加强课程研讨和课程资源建设，2021年获批东北大学课程思政示范课程，2022年被评为辽宁省一流本科课程。

专业曾在2019级学生中开展了包括本课程在内的七门必修课的学情调查并及时反馈给各课程教学团队[2]。学生对本课程总体评价较好，但也反映出传递函数涉及的拉普拉斯变换等复变函数相关知识以前未学过，学习难度大，时域和频域分析部分内容较为抽象，理解较为困难，系统校正效果体现不直观等学习问题。对此，课程教学团队在2020级学生中采取了诸如复变函数专题辅导、阶段性测试与讲解等教学改进措施，并开始着手基于MATLAB GUIDE开发环境，通过人机交互、图形展示等手段，创建课程教学辅助课件，实现重点知识的可视化教学。

在对2021级学生进行课程教学时，结合教学内容和学生课堂反馈情况，对所开发的MATLAB课件进行融合教学设计和实施[3],如图1所示。

图1 材料成形自动控制基础课程融合教学改革实施流程

在现有的板书、PPT、动画、视频、BB平台等多种教学方式的基础上，将课程教学辅助课件融入教学过程中，开展仿真教学[4],对系统建模、系统分析方面涉及的教学难点进行及时剖析，对因输入信号变化、系统结构变化和参数变化引起的各种系统响应进行可视化呈现，从而增强学生对课程重点和难点知识的理解，使学生具有对材料成形复杂工程问题进行系统建模、分析、评价和校正的初步能力[5],并带动学生自主学习MATLAB编程和应用的兴趣，提升使用现代工具的能力和水平。

一、MATLAB教学辅助课件开发

为满足学生对课程的学习理解和可视化分析需求，针对系统传递函数构建、典型输入信号响应、一阶和二阶系统的时域和频域特性计算以及系统综合与校正等教学内容，将材料成形自动控制基础课程教学辅助课件分为系统建模和系统分析两部分，具体由Laplace变换、系统传递函数、时域分析、根轨迹、频域分析和系统校正六个功能画面与一个登录画面组成，如图2所示。每个交互画面由MATLAB的图形用户界面(GUIDE)编程开发[6],每个画面由菜单、面板、按钮、单选按钮、复选框、坐标区、可编辑文本、静态文本、列表框等构成，按照功能进行组合和排列。对每个画面的按钮回调函数进行编程，实现具体的功能需求，并完善课件介绍文档。

图2 材料成形自动控制基础课程教学辅助课件交互界面示例

在图2所示的课件功能画面上，师生可在图形化环境中开展实例化实时计算、回调函数代码演示和可视化交互运行，通过数据、曲线、图形等多种手段对课程知识点进行解析、展示和重现。

二、MATLAB辅助课件的教学应用

材料成形自动控制基础课程总学时为40小时且均为理论学时。在有限的学时下，要将MATLAB辅助课件无缝地融入教学中，需要结合课堂教学重点、学生学习难点来确定课件引入的时机、教学时长和运用的教学机智[7],并与现有的板书教学、PPT教学和课堂练习、课后作业等进行融合，才能多角度地呈现抽象知识背后的控制原理、原则和规律，才能真正地帮助学生理解课程教学内容，启发学生对“控制”内涵的理解[8],同时促进教学效果的达成和课程目标的达成[9]。

在对2021级学生的课程教学中，适时地将MATLAB辅助课件引入课堂教学和课后自学中。结合教学进度，逐步将部分分式分解，拉普拉斯变换与逆变换计算，传递函数的串联、并联和反馈，典型输入信号的响应曲线绘制，系统稳定性分析和稳态误差计算，系统开环对数频率特性伯德图绘制，幅相频率特性奈氏曲线的绘制，线性系统PID校正等辅助课件内容纳入教学过程中。另外，将相关m文件和说明文档发给学生，留作课后作业，进行自学。

学生通过回调函数代码学习、实例化教学内容学习、课件运行和交互操作，在动手操作过程中不断增进对相关知识的理解，在可视化呈现中进行强化学习，借助实例计算掌握拉普拉斯变换的性质，熟悉系统传递函数模型的构建，学会系统动态性能指标的计算方法，学会分析系统结构和参数对系统控制性能的影响。

三、学生评价与可持续改进

在融合教学过程中，2021级学生对所开发的教学辅助课件表现出浓厚的兴趣，课堂专注度和师生互动明显增强，同时在课程考核方面对教学辅助课件的运用和学习也有一定的倾斜，引导学生对MATLAB语言和MATLAB软件控制模块进行自学，从而能更好地达成课程目标Ⅲ,支撑毕业要求指标点12.1[10-11]。

课程团队教师在教学过程中，也非常注意收集学生对所开发的课件及其运用的意见和建议，对学生反馈的课件内容、交互方式、可视化教学运用方式[12]等多个方面进行改进，满足不同类型的学生对课程高阶性、创新性和挑战度的不同需求[13-14]。另外，课程教师结合课件辅助教学的应用情况，也及时调整和改进教学方式，推动融合教学模式的深化，推动材料成形自动控制基础课程可持续改进。

四、结语

针对学生在学习材料成形自动控制基础课程所面临的知识抽象、复变函数数学基础薄弱、系统控制性能定性评价和定量计算交织、系统校正效果不直观等学习难题，利用MATLAB软件开发了课程教学辅助课件，并将其融合于课程教学中，通过可视化教学增进学生对课程重点和难点内容的理解和课后的拓展学习，同时也引导学生自主学习MATLAB软件，学会利用现代工具进行科学计算、分析材料成形相关工程控制问题。

参考文献:

[1]孙杰,王贵桥,张福波,等.自动控制基础课程建设[J].中国冶金教育,2023(05):31-33.

[2]彭良贵,王贵桥,张福波,等.材料成形自动控制基础课程小班化教学改革[J].中国冶金教育,2023(03):37-38+42.

[3]唐正友,彭良贵,高彩茹,等.融合教学模式下工程实践课程教学改革[J].科教导刊,2023(14):71-73.

[4]于蕾艳,李云祥,石永军,等.线控制动系统设计与分析虚拟仿真教学平台[J].实验科学与技术,2023,21(06):41-47.

[5]苗飞超,汪泉,李丹丹.以解决复杂工程问题为导向的课程教改研究[J].科教导刊,2023(29):42-44.

[6]李榕乐,杨炼,李振,等.基于Matlab GUI的高等数学学习系统的设计与开发[J].黑龙江科学,2022,13(23):91-93.

[7]丁桦.专业课教学中的教学机智[J].中国冶金教育,2020(04):47-49.

[8]张树旺,杨梦凡,刘素菊.基于建构主义学习理论的启发式案例教学内容与步骤——以领导科学教学为例[J].新课程教学(电子版),2023(21):84-86.

[9]聂春红,吴红军,纪德强,等.基于课程目标达成度评价的工科课程持续改进策略[J].创新创业理论研究与实践,2023,6(22):28-30.

[10]李志义.中国工程教育专业认证的“最后一公里”[J].高教发展与评估,2020,36(03):1-13+109.

[11]戴先中.对工程教育专业认证标准的再认识[J].中国大学教学,2022(11):4-11.