《MATLAB与机电系统仿真》课程教学改革与实践

张 琪，艾 青，周 武，高红亮

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

国家重大战略和需求是工程教育改革创新的起点。现代人才培养过程中，以学生为中心，注重学生的动手能力和实践能力的培养。为激发学生的学习热情和创新意识，注重多学科融合、理论联系实际，帮助将所学知识融汇贯通[1]。

《MATLAB 与机电系统仿真》是电气类专业的一门有特色的选修课，面向本科大三学生。课程目标要求学生学习运用MATLAB软件对机电系统进行仿真，实现所学课程专业知识的交叉融合与综合运用，为后续课程的学习、工程设计和科学研究打下基础，提高学生解决复杂工程问题的能力[2]。

1 教学中存在的问题

MATLAB与机电系统仿真课程的教学班级人数为70至120人。在《MATLAB 与机电系统仿真》教学过程中，学生普遍反映，“上课能听懂，自己动手编程却没有思路”“学的会，考的高，不会解决实际工程问题”等。这现象不符合新工科、卓越工程师或工程教育认证等对应用人才的要求[3]。为此，课题组调查研究，与学生沟通，分析过往学生作业、课堂表现和成绩等，认为课程教学主要存在以下问题：

1)理论与实验教学模式过于单一，难以激发学生学习兴趣。

课程的理论部分和实验部分分开进行。理论课上，老师在讲台上授课，演示编程过程，难以顾及学生个体的差异性；而学生不断地记笔记或一味地模仿操作，往往会忽视老师讲的知识点。实验课上，学生回忆理论课上所学知识，再去尝试编程，浪费时间，效果不好。

2)教学内容与实际应用缺少关联，难以培养学生解决问题的能力。

传统课本重编程语法讲解，轻工程实践，示例无法反映实际工程的应用，教材内容枯燥、更新迭代慢，难以引导学生利用所学知识解决实际应用问题，更难以实现新工科立德树人的目标。

3)考核形式不完善，难以培养学生的自主学习能力、想象能力和创造能力。

2 教学改革方案

在工程教育专业认证背景下，其他院校课程教学与改革采用了多种有效措施。结合本校和本院学生实际学习情况，优化了教学内容，整合了教学资源，改善了课程考核评价体系，设计并实施了基于“学习通自建课程+翻转课堂”的线上线下混合式教学模式，提高了学生的参与度，促进了学生自主学习和协作式学习，以及提升了创新能力和动手能力[4,5]。

2.1 优化教学内容，重构教学体系

保留课程必要的知识讲授环节，增加基础实验和创新项目环节，结合MATLAB软件对知识和实际工程应用的要求，将课程内容分为“3个模块，9个章节，6次实验，3次项目”，如图1所示。

图1 MATLAB与机电系统仿真课程优化的教学内容

“3个模块”分别是MATLAB基础、系统建模与仿真和Simulink应用，分别从基础、模型和应用3方面，共9个章节，分阶段、分层次进行教学。

“6次基础性实验”，在主要章节学习完后进行，帮助学生巩固所学知识，实验内容由教师提供，学生独立完成[6]。

“3次创新型项目”，在每个模块学习完后进行，内容与行业人才需求接轨，培养学生工程意识和解决工程实际问题的能力。项目的内容是多学科交融的，可以由教师提供，也可以学生自己拟定。这个过程是团队合作的，集趣味、能力和素质为一体，促进学生之间的相互交流，培养团队分工协作精神，提高学生的学习效率。同时有助于缓解传统教学模式中，教师精力有限，无法兼顾每个学生的难题[7]。

同时，在课中增加思政元素，以问题为导向，融合学科前沿与思政元素，有效引入课堂中，潜移默化教育学生，起到立德树人的效果[8]。

2.2 改革教学模式，改进教学方法

课前，学生学习线上资源；课中，教师有导向性的重难点知识讲解，或是学生开展讨论与实践，或是以学生汇报等方式，实施“以学生为中心”的翻转课堂；课后，学生情况反馈以及教师教学反思。这个过程形成了闭环的混合式教学模式[7]。教师不再只是站在讲台上讲授，而是走进学生中间，了解学生学习情况，不断优化教学内容和学习资源，使学生的学习更加个性化。图2是混合式翻转教学模式中教师和学生主要的角色职责。

1)课前准备环节

教师根据授课内容，在学习通上建立教学资源库，发布学习资源，并布置学生预习的任务。同时配套有小测试，检测学生预习情况，教师可及时调整线下课堂重难点讲授的知识。学生通过学习通app，学习课前资料，完成课前任务。

2)课堂及实验教学环节

学生通过课前预习，对于知识点已有一定的掌握。在课堂中，学生主要通过与教师交流，实践操作，使知识得到内化，提高学习的质量。教师也可通过课上的互动、随堂练习等活动，了解学生课前学习情况，及时调整讲解内容及重难点。

3)课后反馈环节

课后学生小组自主学习与讨论，并提交学习成果以及学习中问题。教师根据学生实验完成情况和问题反馈等，利用线上交流平台和线下指导，与小组学生进行答疑和解惑，同时进一步优化教学内容。

图2 混合式翻转教学模式

2.3 更新考核方式，跟踪教学效果

为了促进学生的学习，从考核形式、考核内容和学业评价方式3个方面，设计教学环节，提高理论和实验教学的质量，逐步完善学业成绩评价方法。图3展示了《MATLAB 与机电系统仿真》课程的考核方式。

图3 MATLAB与机电系统仿真课程更新的考核方式

1)考核形式

改变“一纸定终身”考核模式，采用“平时表现+实验完成+项目实现”的过程评价组合，综合评价学生的知识掌握程度。通过各种教学手段，以提高学生分析和解决实际问题的能力为目标，督促学生课前预习，促进课堂参与度，激发学生的学习兴趣。

2)考核内容

细化考核内容，加强过程管理，鼓励学生参与课程各环节，以激发学生创新能力和动手能力为目的。“平时”考核学生课前预习程度，课中教学环节的参与度，以及课后课程的反馈情况。“实验”是基础性实验的训练，主要帮助学生巩固所学的重难点知识，培养程序设计思路和动手能力。“综合性项目”，以解决实际工程问题为导向，综合考核小组项目完成情况，主要针对项目资料的收集是否完成、总结方案是否可行、程序调试是否成功、实现方法是否单一、项目完成是否及时、回答问题是否正确等方面进行考核。

3)学业评价方式

平时成绩，主要通过学习通平台记录，教师课前设置，课程结束后系统自动核算。实验成绩，由学生现场实操情况和实验报告质量两部分组成。综合性项目设计部分，从选题创新性、功能完成度、团队合作情况、项目汇报等综合考核，通过教师主评、组间互评、小组成员自评等多角度综合评价[9]。

新的考核形式，能详细跟踪学生学习情况，有针对性地引导学生主动学习和探索、积极交流和协作，确保每位学生“主动学、勤练习、有收获”。

3 教学效果分析

根据本校电气工程及其自动化专业三年级学生选修《MATLAB与机电系统仿真》课程的学习数据，2017级以前主要实施传统线下课堂授课模式。从2018级学生开始，建立线上课程资源。对2018级学生提供线上学习资源，但不作强制要求，线上学习情况不计入期末总成绩；对2019级学生提供线上学习资源，但跟踪学生的学习情况，并计入期末总成绩。根据学习通线上课程管理数据可以得到2018级、2019级线上视频观看情况，如表1所示。可以看出，2018级学生有大部分同学参与线上学习，2019级94%学生积极参与，参与度大大增加。

表1 学习通视频完成度

同时，汇总2017级、2018级和2019级学生期末考试成绩，如表2所示。相比2017级学生成绩，2018级和2019级学生期末成绩低分率逐年降低，中高分率逐年升高。

表2 2017级-2019级选课学生期末成绩

根据三届学生的学习反馈，2017级学生主要反映上课速度快，课后学习资料少；2018级学生主要反映，线上课程帮助查漏补缺，但是部分内容与课上重复，浪费时间；2019级学生，主要反映，课前的预习和视频观看比较耗时，但课上教师的重难点知识讲解更有针对性，吸收更好，并通过多次的实验和有挑战性的项目，巩固了所学的知识，提高了学习的兴趣和动手实践能力，能初步解决简单的工程问题。

4 结语

《MATLAB与机电系统仿真》 课程教学，结合本校课程目标和学生情况，优化了教学内容，改革了教学方法，更新了考核模式，实施了基于“学习通自建课程+翻转课堂”的教学模式。学生主动学习，积极参与课堂互动，理论成绩和解决工程问题的能力也明显提高。实践结果表明，这一系列措施能够有效提高学生的学习兴趣和实践创新能力。

Discussion on teaching reform based on the course “MATLAB and mechatronic systems simulation”

ZHANG Qi，AI Qing，ZHOU Wu，GAO Hong-liang