摘"要：基于材料成形自動控制基礎課程學情反饋和課程特點，借助MATLAB圖形化編程手段，開發(fā)了由Laplace變換、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、時域分析、根軌跡、頻域分析和系統(tǒng)校正六個功能畫面構成的課程教學輔助課件，并將其應用和融合于課程教與學中。通過實例化計算、回調(diào)函數(shù)代碼學習和可視化運行等多種方式，增強學生對課程重點和難點的理解，對課程內(nèi)容進行強化學習和拓展學習，同時也激發(fā)了對MATLAB軟件的學習和應用興趣。

關鍵詞：融合教學模式；教學課件；教學改革；MATLAB；GUI編程；回調(diào)函數(shù)

材料成形自動控制基礎課程是東北大學材料成型及控制工程專業(yè)在大三開設的一門專業(yè)基礎課，在先修課程高等數(shù)學、電工學的基礎上，面向鋼鐵生產(chǎn)過程自動控制的實際需求，系統(tǒng)地講授自動控制系統(tǒng)的基本原理、傳遞函數(shù)建模、典型環(huán)節(jié)的時域和頻域特性分析和系統(tǒng)校正五部分內(nèi)容［1］。在課程教學中，不斷融入教師的最新科研成果，啟發(fā)學生理解工程問題中蘊含的控制原理，在知識傳遞中，注重能力培養(yǎng)、素養(yǎng)提升和價值引導。在多年的教學過程中，不斷加強課程研討和課程資源建設，2021年獲批東北大學課程思政示范課程，2022年被評為遼寧省一流本科課程。

專業(yè)曾在2019級學生中開展了包括本課程在內(nèi)的七門必修課的學情調(diào)查并及時反饋給各課程教學團隊［2］。學生對本課程總體評價較好，但也反映出傳遞函數(shù)涉及的拉普拉斯變換等復變函數(shù)相關知識以前未學過，學習難度大，時域和頻域分析部分內(nèi)容較為抽象，理解較為困難，系統(tǒng)校正效果體現(xiàn)不直觀等學習問題。對此，課程教學團隊在2020級學生中采取了諸如復變函數(shù)專題輔導、階段性測試與講解等教學改進措施，并開始著手基于MATLAB"GUIDE開發(fā)環(huán)境，通過人機交互、圖形展示等手段，創(chuàng)建課程教學輔助課件，實現(xiàn)重點知識的可視化教學。

在對2021級學生進行課程教學時，結合教學內(nèi)容和學生課堂反饋情況，對所開發(fā)的MATLAB課件進行融合教學設計和實施［3］，如圖1所示。

在現(xiàn)有的板書、PPT、動畫、視頻、BB平臺等多種教學方式的基礎上，將課程教學輔助課件融入教學過程中，開展仿真教學［4］，對系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析方面涉及的教學難點進行及時剖析，對因輸入信號變化、系統(tǒng)結構變化和參數(shù)變化引起的各種系統(tǒng)響應進行可視化呈現(xiàn)，從而增強學生對課程重點和難點知識的理解，使學生具有對材料成形復雜工程問題進行系統(tǒng)建模、分析、評價和校正的初步能力［5］，并帶動學生自主學習MATLAB編程和應用的興趣，提升使用現(xiàn)代工具的能力和水平。

一、MATLAB教學輔助課件開發(fā)

為滿足學生對課程的學習理解和可視化分析需求，針對系統(tǒng)傳遞函數(shù)構建、典型輸入信號響應、一階和二階系統(tǒng)的時域和頻域特性計算以及系統(tǒng)綜合與校正等教學內(nèi)容，將材料成形自動控制基礎課程教學輔助課件分為系統(tǒng)建模和系統(tǒng)分析兩部分，具體由Laplace變換、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、時域分析、根軌跡、頻域分析和系統(tǒng)校正六個功能畫面與一個登錄畫面組成，如圖2所示。每個交互畫面由MATLAB的圖形用戶界面（GUIDE）編程開發(fā)［6］，每個畫面由菜單、面板、按鈕、單選按鈕、復選框、坐標區(qū)、可編輯文本、靜態(tài)文本、列表框等構成，按照功能進行組合和排列。對每個畫面的按鈕回調(diào)函數(shù)進行編程，實現(xiàn)具體的功能需求，并完善課件介紹文檔。

在圖2所示的課件功能畫面上，師生可在圖形化環(huán)境中開展實例化實時計算、回調(diào)函數(shù)代碼演示和可視化交互運行，通過數(shù)據(jù)、曲線、圖形等多種手段對課程知識點進行解析、展示和重現(xiàn)。

二、MATLAB輔助課件的教學應用

材料成形自動控制基礎課程總學時為40小時且均為理論學時。在有限的學時下，要將MATLAB輔助課件無縫地融入教學中，需要結合課堂教學重點、學生學習難點來確定課件引入的時機、教學時長和運用的教學機智［7］，并與現(xiàn)有的板書教學、PPT教學和課堂練習、課后作業(yè)等進行融合，才能多角度地呈現(xiàn)抽象知識背后的控制原理、原則和規(guī)律，才能真正地幫助學生理解課程教學內(nèi)容，啟發(fā)學生對“控制”內(nèi)涵的理解［8］，同時促進教學效果的達成和課程目標的達成［9］。

在對2021級學生的課程教學中，適時地將MATLAB輔助課件引入課堂教學和課后自學中。結合教學進度，逐步將部分分式分解，拉普拉斯變換與逆變換計算，傳遞函數(shù)的串聯(lián)、并聯(lián)和反饋，典型輸入信號的響應曲線繪制，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差計算，系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性伯德圖繪制，幅相頻率特性奈氏曲線的繪制，線性系統(tǒng)PID校正等輔助課件內(nèi)容納入教學過程中。另外，將相關m文件和說明文檔發(fā)給學生，留作課后作業(yè)，進行自學。

學生通過回調(diào)函數(shù)代碼學習、實例化教學內(nèi)容學習、課件運行和交互操作，在動手操作過程中不斷增進對相關知識的理解，在可視化呈現(xiàn)中進行強化學習，借助實例計算掌握拉普拉斯變換的性質(zhì)，熟悉系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型的構建，學會系統(tǒng)動態(tài)性能指標的計算方法，學會分析系統(tǒng)結構和參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響。

三、學生評價與可持續(xù)改進

在融合教學過程中，2021級學生對所開發(fā)的教學輔助課件表現(xiàn)出濃厚的興趣，課堂專注度和師生互動明顯增強，同時在課程考核方面對教學輔助課件的運用和學習也有一定的傾斜，引導學生對MATLAB語言和MATLAB軟件控制模塊進行自學，從而能更好地達成課程目標Ⅲ，支撐畢業(yè)要求指標點12.1［1011］。

課程團隊教師在教學過程中，也非常注意收集學生對所開發(fā)的課件及其運用的意見和建議，對學生反饋的課件內(nèi)容、交互方式、可視化教學運用方式［12］等多個方面進行改進，滿足不同類型的學生對課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的不同需求［1314］。另外，課程教師結合課件輔助教學的應用情況，也及時調(diào)整和改進教學方式，推動融合教學模式的深化，推動材料成形自動控制基礎課程可持續(xù)改進。

結語

針對學生在學習材料成形自動控制基礎課程所面臨的知識抽象、復變函數(shù)數(shù)學基礎薄弱、系統(tǒng)控制性能定性評價和定量計算交織、系統(tǒng)校正效果不直觀等學習難題，利用MATLAB軟件開發(fā)了課程教學輔助課件，并將其融合于課程教學中，通過可視化教學增進學生對課程重點和難點內(nèi)容的理解和課后的拓展學習，同時也引導學生自主學習MATLAB軟件，學會利用現(xiàn)代工具進行科學計算、分析材料成形相關工程控制問題。

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基金項目：東北大學材料科學與工程學院2023—2024年教育教學改革項目“基于Matlab的材料成形自動控制基礎課程仿真課件開發(fā)與教學運用”

作者簡介：彭良貴（1975—"），男，漢族，四川宣漢人，博士研究生，講師，研究方向：扁平材控制軋制與控制冷卻。