賈云飛

摘要：“自動控制原理”課程內(nèi)容比較抽象，包含許多圖解的方法。學(xué)生往往感到內(nèi)容枯燥，難以理解。針對這一問題，本文通過Matlab GUI程序設(shè)計，開發(fā)出一體化的教學(xué)平臺。該平臺將各種繪圖過程以動畫的方式顯示給學(xué)生，同時也提供了參數(shù)化的輸入接口，對各種問題下的繪圖問題均可解決。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，本平臺可大大降低教學(xué)負(fù)擔(dān)，顯著提高了學(xué)生的理解能力。

關(guān)鍵詞：自動控制原理教學(xué)；Matlab GUI；信息化教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0081-02

一、研究與方法

1.存在的問題?！白钥卦怼闭n程包含大量抽象的概念，教師的教學(xué)壓力較大。同時該課程包含了許多圖解方法，如根軌跡法、伯特圖、奈氏圖等。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是由教師用粉筆在黑板上畫出整個曲線。這種方法的好處是比較生動，但由于繪圖過程比較煩瑣，同時不同問題中各種參數(shù)變化需要繪制許多條曲線，需要占用大量寶貴的課堂時間，影響了教學(xué)效率。教學(xué)活動本是腦力和智力勞動，卻摻入了過多煩瑣而枯燥的體力勞動。妥協(xié)的結(jié)果就是教師一般對一類問題只繪制一張圖，教學(xué)效果難以提高。

采用幻燈片實(shí)施課堂教學(xué)同樣也有一定問題，教師在幻燈片中可以提供大量圖片、各種參數(shù)下的根軌跡曲線。但這些靜態(tài)曲線的繪制過程并未體現(xiàn)在課堂上，導(dǎo)致部分理解能力較差的學(xué)生仍一頭霧水。

以上兩種教育方式的互動性和實(shí)時更新能力有很大的提升空間。學(xué)生們在課堂上聽到、看到的授課內(nèi)容都是老師事先準(zhǔn)備好的講義和教案，很多情況下并不能根據(jù)學(xué)生的要求現(xiàn)場演示各種問題的圖解方法，學(xué)生很難融入到教學(xué)中來，互動性受到較大程度限制[1]。

綜上所述，“自控原理”教學(xué)中急需一種互動性強(qiáng)、信息量大、生動的教學(xué)手段，本文旨在解決這一問題。

2.平臺特點(diǎn)。借助于各種信息化的教學(xué)手段，本文開發(fā)了一種綜合化的教學(xué)平臺。該平臺具有以下幾個顯著特點(diǎn)：（1）一體化的教學(xué)平臺，將教師的PPT、動畫展示和各種教輔材料集中于一個窗口中。避免了在教學(xué)過程中由于頻繁的窗口切換打擾學(xué)生思路。（2）可脫離Matlab環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行于Windows平臺。這樣避免了在一些未安裝Matlab的電腦無法運(yùn)行的尷尬。（3）具有視頻播放功能。對于一些難點(diǎn)，可以借助于播放名師教學(xué)視頻的手段改善教學(xué)效果。（4）體現(xiàn)動畫效果。將各種需要繪制的曲線的繪制過程在課堂上演示。（5）互動性強(qiáng)?！白钥卦怼苯虒W(xué)中往往會遇到的各種參數(shù)變化或坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)等問題。這些都可以根據(jù)學(xué)生要求現(xiàn)場繪制。

3.Matlab GUI編程方法介紹。Matlab作為一款著名的軟件產(chǎn)品，已經(jīng)大量應(yīng)用于自動原理的教學(xué)中。該軟件自帶的GUI開發(fā)庫可以開發(fā)出獨(dú)立運(yùn)行的、帶界面的軟件。本平臺采用了Matlab GUI庫進(jìn)行開發(fā)。該開發(fā)庫的特點(diǎn)有：（1）開發(fā)過程簡單：大部分開發(fā)工作仍是基于Matlab的m語言。（2）配備豐富的文檔：該GUI庫的文檔內(nèi)容翔實(shí)，提供了大量實(shí)例，簡單易學(xué)，上手很快。（3）提供了豐富的控件，而且控件屬于windows標(biāo)準(zhǔn)控件，直接調(diào)用即可[2]。

二、平臺功能

1.軟件架構(gòu)。本平臺針對的教材是中國民航大學(xué)采用的《自動控制原理》（機(jī)械工業(yè)出版社）。覆蓋了前五章的主要知識點(diǎn)。主要模塊包括：主界面模塊、繪圖模塊、課件顯示模塊、視頻播放模塊等四個模塊。如圖1所示：

圖1中主界面模塊主要負(fù)責(zé)整個窗口的顯示與顯示效果等因素。PPT顯示功能是本平臺的一個特色。本平臺可在統(tǒng)一的界面上切換教學(xué)課件與繪圖界面。這種設(shè)計的目的是在教學(xué)過程中盡量少地轉(zhuǎn)移學(xué)生的注意力。視頻播放模塊的設(shè)計目的是充分利用互聯(lián)網(wǎng)上的各種優(yōu)秀教學(xué)資源，例如各種機(jī)械控制原理視頻、精品課程的教學(xué)視頻。人機(jī)交互功能。主界面模塊為其他模塊提供了一個“容器”，包含了所有菜單、按鈕和繪圖顯示的結(jié)果。主界面模塊的設(shè)計主要考慮了直觀性、易于操作性。繪圖模塊的主要功能是將用戶發(fā)出的繪圖命令以動畫的方式顯示在界面上。繪圖模塊實(shí)現(xiàn)時要重點(diǎn)考慮坐標(biāo)軸的顯示效果。因?yàn)楸酒脚_包含了“自動控制原理”課程的大部分教學(xué)內(nèi)容，各種圖形、曲線的繪制要求各不相同。因此，在設(shè)計坐標(biāo)軸時要充分利用Matlab GUI庫提供的各種屬性值。這部分是需要開發(fā)者認(rèn)真考量的。例如，坐標(biāo)軸提供的屬性性包括ButtonDownFcn；Children；Clipping；Color；ColorOrder、CreateFcn、CurrentPoint、DeleteFcn、FontAngle、FontName、FontSize、FontUnits、FontWeight、GridLineStyle、NextPlot、OutPosition、Parent、Position、Tag、Title、Type、UIContextMenu、Units等。這些屬性值在不同的曲線繪制中要分別設(shè)置為不同的值。最終目的是達(dá)到較好的顯示效果。繪圖模塊的另一設(shè)計要點(diǎn)是繪圖的速度，即曲線從起點(diǎn)至終點(diǎn)的顯示速度。本平臺設(shè)計的目標(biāo)是既讓學(xué)生能感受到曲線從起點(diǎn)至終點(diǎn)的繪制過程，又能充分節(jié)約寶貴的課堂時間。

2.平臺的應(yīng)用效果分析。最終設(shè)計完成的程序主界面如圖2所示：

圖2的左側(cè)為樹形控件，點(diǎn)擊各節(jié)點(diǎn)后可在各部分教學(xué)章節(jié)之間切換。右側(cè)是繪制參數(shù)輸入及結(jié)果顯示區(qū)，上部顯示了本章節(jié)包含的需要繪制的圖形。圖2以第四章的根軌跡繪制為例進(jìn)行說明。在圖2的左側(cè)樹型控件中點(diǎn)擊“第四章 根軌跡分析法”，右側(cè)繪圖顯示區(qū)即顯示出如圖2所示的界面。點(diǎn)擊上部的tab控件“根軌跡一”，在文本框中可輸入根軌跡方程的分子項(xiàng)與分母項(xiàng)的系數(shù)，點(diǎn)擊“繪圖”按鈕，右側(cè)坐標(biāo)軸中即可顯示出根軌跡的繪制動畫。

經(jīng)過一學(xué)期的課堂教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對本平臺顯現(xiàn)出極大的熱情，普遍感受是根軌跡法、奈氏圖、波特圖等圖解方法不再難學(xué)。另外，課堂氣氛也隨之活躍，互動性明顯提高，學(xué)生參與教學(xué)過程的主動性得到增加，有利于教師掌握學(xué)生的理解程度和學(xué)習(xí)中的困惑。

三、結(jié)語

本項(xiàng)目得到中國民航大學(xué)科研啟動基金項(xiàng)目支持（2011QD05S）。本文針對“自控原理”教學(xué)中遇到的困難，提出了一體化的教學(xué)平臺。本文分別從需求分析、架構(gòu)設(shè)計及教學(xué)實(shí)踐三個方面論述這一平臺的設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用過程。學(xué)生與老師的切身體會感到：本平臺應(yīng)用后，課堂氣氛活躍了，學(xué)生們參與熱情提高了，教師的教學(xué)壓力大大減輕了。

參考文獻(xiàn)：

[1]張又亮，夏柯，等.基于MATLAB/GUI的自動控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺[J].北京：科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，（35）.

[2]陳垚光，毛濤濤，等.精通MatlabGui設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.