劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

任務(wù)驅(qū)動(dòng)在控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉 燁 王嬈芬 吳健珍 徐冬梅 段倩倩 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

本文針對(duì)控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真的教學(xué)現(xiàn)狀，提出采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，探討了該模式下任務(wù)的設(shè)計(jì)原則，以及具體的實(shí)施過(guò)程。實(shí)踐表明該教學(xué)方法的實(shí)施能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)生的參與度，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)；教學(xué)方法；仿真

1.引言

仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代工程師所掌握的必備技能之一，控制系統(tǒng)CAD與數(shù)字仿真已成為自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的重要課程，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中都發(fā)揮著不可替代的重要作用。

對(duì)于自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，為了解決控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用過(guò)程中繁瑣計(jì)算、曲線繪制、控制與設(shè)計(jì)等問(wèn)題，更需要熟練掌握MATLAB的使用，學(xué)好控制系統(tǒng)CAD與仿真技術(shù)，同時(shí)也為后續(xù)學(xué)習(xí)及研究打下基礎(chǔ)。

但是目前，在控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的授課過(guò)程中，還存在這如下問(wèn)題：

（1）在理論課上，對(duì)于一些概念性介紹內(nèi)容以及操作規(guī)則，由于這些內(nèi)容及知識(shí)沒(méi)有很強(qiáng)的邏輯推導(dǎo)關(guān)系，不容易激發(fā)學(xué)生的好奇心，吸引學(xué)生的注意力。并且在理論課時(shí)授課中，多數(shù)是采取在多媒體教室授課，而不是機(jī)房授課，僅僅給學(xué)生演示性的介紹控制系統(tǒng)CAD的規(guī)則及方法，不夠真切，學(xué)生印象也不深刻，在后續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課具體操作時(shí)又處于歸零狀態(tài)。

（2）在實(shí)驗(yàn)課時(shí)，教師在同步完成演示之后，讓學(xué)生按照演示自己完成相關(guān)內(nèi)容，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生不能夠很好的掌握MATLAB語(yǔ)言的特點(diǎn)，對(duì)于老師演示的例子，完成度比較高，但是卻乏思考及探索精神，造成舉一反三的能力不足，對(duì)于一些相關(guān)例題完成度不高。

對(duì)于以上主要問(wèn)題，究其原因在于教與學(xué)的過(guò)程中總存在這一些隔閡，學(xué)生不能很好的理解掌握教學(xué)內(nèi)容，即便能夠理解課程的內(nèi)容，但在實(shí)際運(yùn)用操作的時(shí)候，往往體現(xiàn)出理解不深刻，思考不充分，探索精神不強(qiáng)等現(xiàn)象?；谝陨蠁?wèn)題，課程設(shè)計(jì)上需要改革，在教學(xué)方法上加入任務(wù)驅(qū)動(dòng)的元素。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種使學(xué)習(xí)者在完成特定任務(wù)的過(guò)程中獲得知識(shí)與技能的教學(xué)方法[1]。學(xué)生在完成教師布置具體任務(wù)的過(guò)程中，通過(guò)師生的互動(dòng)以及學(xué)生之間的互動(dòng)，真正讓一些知識(shí)與技能內(nèi)化，體現(xiàn)了“教師主導(dǎo)+ 學(xué)生主體”的教學(xué)理念。那么基于任務(wù)的學(xué)習(xí)，也是學(xué)習(xí)者根據(jù)一個(gè)具體的任務(wù)，在查閱資料，探索創(chuàng)新、思考認(rèn)證，內(nèi)化吸收的過(guò)程中，以團(tuán)隊(duì)或個(gè)人的形式自主地獲得較為完整而具體的知識(shí)，形成技能并獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，表現(xiàn)在三個(gè)中心的轉(zhuǎn)變，即以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀蝿?wù)為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?shí)際操作為中心[2]。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法以完成為學(xué)生設(shè)定的任務(wù)為教學(xué)總目標(biāo)，在教師的主導(dǎo)作用下，循序漸進(jìn)的逐步引導(dǎo)學(xué)生完成不同教學(xué)階段的任務(wù)，這樣，學(xué)生也很自然的將課堂或書(shū)本上的理論知識(shí)和實(shí)際操作實(shí)踐融會(huì)貫通起來(lái)，既能領(lǐng)會(huì)理論知識(shí)的指導(dǎo)作用，又能提高其動(dòng)手能力，還能培養(yǎng)其實(shí)踐創(chuàng)新能力。

基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的教學(xué)過(guò)程改革中，著重點(diǎn)在于課堂與實(shí)驗(yàn)的自然銜接，教學(xué)過(guò)程可分為四個(gè)部分，一是任務(wù)的布置，即讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；二是課堂講解相關(guān)知識(shí)及例題，讓學(xué)生直觀感受MATLAB仿真解決問(wèn)題的過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生思考并執(zhí)行布置任務(wù)的求解；三讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體任務(wù)的解答，即仿真和調(diào)試程序；四設(shè)置開(kāi)放性的作業(yè)，可以采用分組的方式，讓學(xué)生在討論中增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

2.1 任務(wù)的設(shè)定

任務(wù)的設(shè)定是控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真課程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)。每節(jié)課都要設(shè)定現(xiàn)實(shí)的、有意義的、有代表性的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)的去探尋求解，從而掌握所學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)，又能提升學(xué)生的實(shí)際操作能力。任務(wù)的設(shè)定，首先是將整門(mén)課程任務(wù)進(jìn)行合理的分割，以基礎(chǔ)模塊為主線，專業(yè)模塊為支撐，實(shí)訓(xùn)模塊為亮點(diǎn)，將三個(gè)模塊有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，穿插在教學(xué)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)中，這樣可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，從而極大地提高教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果.根據(jù)課程不同模塊的特點(diǎn)，在任務(wù)設(shè)置時(shí)合理分配，由淺入深，要具有一定的開(kāi)放性和前瞻性[3]。任務(wù)與任務(wù)之間具有連續(xù)性，前一個(gè)任務(wù)是后繼任務(wù)的基礎(chǔ)，后繼任務(wù)是前一個(gè)任務(wù)的延續(xù)或提高。

通過(guò)老師設(shè)定提出問(wèn)題，促使學(xué)生積極思考，形成分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思維習(xí)慣，將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，提高應(yīng)用水平。另外，教師在任務(wù)制定時(shí)可以提前和學(xué)生溝通， 對(duì)于學(xué)生感興趣的或者比較愿意去實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容可以擴(kuò)展任務(wù)要求。同時(shí)在任務(wù)分配時(shí)要注意任務(wù)的難度，選擇合適的教學(xué)手段，可以組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，將任務(wù)進(jìn)行分解，讓每個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)集體任務(wù)的一部分[4]。

2.2 任務(wù)的實(shí)施

學(xué)生在進(jìn)行任務(wù)實(shí)施的過(guò)程中， 往往接觸的是全新的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，要完成任務(wù)對(duì)所有學(xué)生無(wú)論基礎(chǔ)好壞都是個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)這也是增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)信心的好機(jī)會(huì)，好方法。

2.2.1 完成分組。

布置完任務(wù)后，組織同學(xué)迅速的完成分組，每次分組都是隨機(jī)的，克服同學(xué)依賴基礎(chǔ)較好同學(xué)的惰性思想，另外還要設(shè)定好小組任務(wù)完成程度的獎(jiǎng)懲措施。

2.2.2 課堂講解。

在布置任務(wù)，完成分組后，給學(xué)生3-5分鐘隨意討論，查閱資料的時(shí)間，讓學(xué)生自己對(duì)于任務(wù)有個(gè)大致的想法或者解決的框架。然后在學(xué)生感到壓力巨大，無(wú)所適從的時(shí)候，開(kāi)始課堂基礎(chǔ)理論教學(xué)階段，根絕教學(xué)內(nèi)容的安排及任務(wù)的要求組織實(shí)施教學(xué)計(jì)劃。要突出重點(diǎn)，簡(jiǎn)潔扼要，提綱挈領(lǐng)。在此過(guò)程中，要充分考慮布置的任務(wù)對(duì)課堂內(nèi)容的銜接。

2.2.3 任務(wù)實(shí)施.

對(duì)于控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真的初級(jí)階段，任務(wù)的內(nèi)容比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)施。是用于了解，掌握，分析關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用實(shí)例。一般小組能夠獨(dú)立完成。通過(guò)仿真演示，學(xué)生可以看到系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果，有助于提升學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自信心，促使學(xué)生更積極的進(jìn)行任務(wù)的實(shí)施完成。在本門(mén)課程中如MATLAB基礎(chǔ)知識(shí)，常微分方程的求解，MATLAB程序設(shè)計(jì)入門(mén)，還有系統(tǒng)的時(shí)域分析，及Simulink基礎(chǔ)等。

對(duì)于一些綜合任務(wù)，綜合多模塊知識(shí)，綜合性強(qiáng)，具有一定難度的項(xiàng)目，大部分同學(xué)在老師的引導(dǎo)下都能完成課堂所設(shè)定的任務(wù)。但是這些任務(wù)往往是幾個(gè)基礎(chǔ)任務(wù)的有機(jī)融合，需要先前任務(wù)知識(shí)的熟練調(diào)用、操作，進(jìn)而完成復(fù)雜任務(wù)。基本的流程是老師引導(dǎo)，學(xué)生探求討論，進(jìn)而實(shí)際操作驗(yàn)證。

3.結(jié)論

任務(wù)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)CAD與數(shù)值仿真教學(xué)方法，以問(wèn)題和任務(wù)覆蓋整門(mén)課程的知識(shí)構(gòu)架，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)，問(wèn)題啟發(fā)的教學(xué)方式來(lái)實(shí)施教學(xué)內(nèi)容的安排，符合目前專業(yè)課的基本教學(xué)原則。此教學(xué)方式不僅可以提高學(xué)生的自學(xué)能力及團(tuán)隊(duì)合作能力，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。同時(shí)對(duì)老師也提出了更高的要求，要根據(jù)學(xué)生實(shí)際操作的反饋效果來(lái)調(diào)整任務(wù)的難易程度，根據(jù)不用的學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，設(shè)定多層次的任務(wù)。既能保證基礎(chǔ)一般同學(xué)達(dá)到基本教學(xué)目標(biāo)，又能引導(dǎo)學(xué)有余力的同學(xué)探求新知。

[1]郭紹青.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的內(nèi)涵[J].中國(guó)電化教育,2006(7):57-59.

[2]王艷芬，曹慶皎.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的MATLAB與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)探索[J].文化視野, 2015:377-392.

[3]周本海.探析matlab 教學(xué)中任務(wù)教學(xué)法的應(yīng)用[J].信息技術(shù)教學(xué)與研究,2015(08).

[4]劉麗，朱學(xué)玲.MATLAB 課程任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的研究與應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào),2017,33(7):193-194.

課題項(xiàng)目：本文為實(shí)踐教學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（p201602001）,《模擬電子技術(shù)》全英文課程建設(shè)項(xiàng)目。