王晨丰 巩建辉 任健

摘要：职业院校招生规模不断扩大，教学资金缺乏，场地及实验实训设备供应不足。基于此，对商洛职业技术学院机电工程系教师进行了教学仿真平台的需求调查，为高职自动控制原理虚拟仿真平台的建设提供了依据。根据整理分析的调查结果，对教学仿真平台的建设提出了初步设计方案。

关键词：高职;虚拟仿真平台;需求分析;自动控制原理;MATLAB

0 引言

高职教育是以培养生产、建设、管理、服务第一线需要的高素质技能型人才为目标的职业教育，根据多年的教学实际，高职学生群体个体间存在差异性。部分学生学习的主动性较弱，热衷使用移动终端及网络，对传统纸质阅读缺乏兴趣，学习习惯及方法较差，但大部分学生喜欢动手操作，有团队协作意识，多数学生希望掌握较高的职业技能，谋求较好的职业岗位。

自动控制原理课程是商洛职业技术学院机电一体化技术、工业机器人技术专业的专业基础课，也是机械设计与制造、汽车检测与维修技术专业的相关课程。它是一门侧重理论、指导实践的课程，在许多工程技术领域中应用广泛。该课程理论性强、概念抽象、与工程实际联系紧密、有特殊的框图表示方法、公式多、绘图量大且准确度要求高，加之运用到高等数学中的微分方程、拉氏变换等相关知识，高职学生普遍感到有一定的学习难度[1]。同时，受制于办学条件及实训经费，实训室建设及设备投入相对有限，仅依靠现有的机房及自动化生产线实训装置，很难全面体现主干知识，实训效果有限，造成了学生实训项目与工程实际相脱节的情况。受当下新冠肺炎疫情的影响，大部分职业院校包括商洛职院较大范围采用了线上授课的形式，相关课程的实验实训环节不同程度缩减或延后，自动控制原理课程亦是如此。

针对商洛职院自动控制原理课程特点建立虚拟仿真平台，一方面丰富了实训教学的形式，另一方面也缓解了实训设备短缺的问题，更是对疫情期间线上理论教学的重要辅助。本文通过对商洛职业技术学院机电工程系教师对虚拟仿真平台的需求调查，为平台的建设实施提供依据。

1 需求分析

平台需求分析采用发放调查问卷的形式进行调研，在商洛职业技术学院机电工程系教师群体中展开。本调研的内容主要包括：实训教学中存在的困难、教学仿真平台的需求度、教师对教学仿真平台的实际需求情况等[2]，共发放问卷41份，回收41份，有效问卷37份，无效问卷4份。

（1）本文通过对实训教学中存在的困难和虚拟仿真平台的需求度进行调查，整理统计了最主要的5个问题。从实训教学中存在困难和虚拟仿真平台的需求度调查情况统计表（表1）中可以看出，教师在实训教学中遇到的突出困难有实验实训设备数量不足;实训条件有限，效果差;实训项目因连贯性占用较多课时;设备故障、损坏率高等。其中有近56.8%的教师认为实训设备数量不足，仍存在多人使用同一实训台或同班分节次实训的情况。针对目前机电工程系主干的4个专业，教师普遍认为需要用到虚拟仿真平台作为教学辅助，其中以机电一体化技术类及汽车检测与维修类专业需求最高。教师在购买或开发平台的过程中遇到的困难则集中于以下几点：商业化平台价格昂贵;自主开发技术难度大;没有具体适合本专业领域的课程等。其中有近67.6%的教师认为目前的商业化教学平台价格太贵。基于以上情况不难发现，有限的實训条件与师生间实际需求的矛盾日益突显。

（2）本文通过对虚拟仿真平台的实际需求调查情况统计，归纳整理了主要的需求。根据虚拟仿真平台的实际需求调查情况统计（表2），在教师考虑采用何种形式使用平台方面，有近48.6%的教师希望平台能够在课堂教学中操作演示，辅助课堂教学。在被问及希望平台能提供哪些帮助时，有67.6%的教师希望能提供给学生可操作的仿真实训过程，减少有限的实训条件及特殊情况（如企业实习时间调整、新冠肺炎疫情等）对学生的影响。在对操作界面的要求上，近62.1%的教师希望界面简洁、易上手，尽可能降低高职学生的学习畏难情绪，增强学生学习获得感。而在对平台功能的要求方面，模块化实操及演示功能更是大家普遍的要求。综合来看，不同专业不同课程间，教师的需求存在差异，这也要求在开发虚拟仿真平台过程中要充分考虑课程的内容及特点，做到有针对性地开发。

2 自动控制原理虚拟仿真平台初步建设实施方案

（1）平台构建之初，计划包含六大模块内容：数学模型、时域分析、频域分析、根轨迹分析、系统校正及离散系统分析等。其中的时域分析（一阶及二阶系统阶跃响应）、频域分析（包括奈奎斯特图的绘制、伯德图的绘制）、系统校正（主要以串联超前校正为例）三部分是重点。整个仿真平台按照树形结构从上至下，由六大模块下沿至12个知识块，而每个知识块又可以细分更多知识点。从上到下对知识模块逐级分解，12个基本知识块又分别对每个模块进行支撑，构成一个较完整的知识体系[3]。虚拟仿真平台的主要模块内容如图1所示。

（2）根据之前对平台的实际需求的调研结果，计划对平台设置3类登录账号：学生账号、教师账号、管理员账号。不同类型的账号功能侧重不同，权限也有所不同。其中，学生账号提供给学生验证登录使用，同时提供成绩查询及资源下载功能，学生通过对项目模块内容的操作，后台实时记录进程，可在线提交实训结果，完成相关测验。教师账号主要用于授课教师发布课堂任务清单、课堂提问、在线答疑、完善现有模块内容、定期更新课程资源等工作。管理员账号主要完成对仿真平台的日常维护、设置不同账号的权限、对新功能的开发及主要模块的增减、对后台数据的监管等工作[4]。

（3）根据高职学生教学实际，开发基于MATLAB GUI的自动控制原理虚拟仿真平台，同时将其融入混合式教学模式的课中环节。课前，教师通过云班课、学习通等APP电脑客户端推送线上教学资源，学生则根据自身情况选择手机端或电脑网络终端自主线上学习，了解课程项目任务清单，同时提问或发表看法，与教师和同学互动交流。教师则通过对学生的答疑反馈，及时对课程内容及教学方法做适时调整。课中，教师利用仿真平台开展教学，在点评学生课前互动情况及布置课堂实训任务的基础上，帮助、引导学生利用平台自主探究学习。同时教师根据学生的学习进程，进行针对性的指导及点评，促使学生顺利完成项目模块操作，平台自动记录学生实时数据及成绩，方便对学生个体进行量化考核。课后，学生可以继续通过班课平台学习相关教学资源及拓展任务，教师也可以根据学生学习效果对本节课进行更全面的评价，形成教学反思。仿真平台引入课中教学环节，丰富了教学形式，使得学生“做中学”、教师“做中教”，充分体现了教师的指导作用，提高了学生的学习热情和效果。

3 结语

笔者通过对调查问卷的整理分析发现，机电工程系有近60%的老师认为需要在教学过程中使用仿真平台来配合课堂教学，尤其是机电一体化技术专业;同时在实际功能需求方面，有67.6%的老师希望平台能提供可操作的仿真实训过程，并且有近50%的老师希望将平台应用于课堂教学的演示。结合反馈情况，针对自动控制原理课程理论性强、相关概念抽象、涉及知识面广、公式多、学生普遍学习难度大的特点，本文开发了一套适合高职的自动控制原理虚拟仿真平台。与此同时，将平台融入混合式教学模式的课中环节，一方面丰富了学生实训考核的形式，另一方面对常态化线上教学的实训环节更是一种契合的补充。

[参考文献]

[1] 王晨丰.基于MATLAB的高职《自动控制原理》课程教学[J].科技资讯，2015（15）：157-158.

[2] 段丹萍，唐润华.高职虚拟仿真实训系统使用需求调查分析[J].中国电力教育，2013（16）：163-164.

[3] 王晨丰.基于MATLAB GUI的高职《自动控制原理》教学平台的构建与实现[D].西安：长安大学，2019.

[4] 喻盼.基于Java和Matlab的虚拟仿真实验系统的设计与实现[D].荆州：长江大学，2018.