基于任务驱动的Matlab与控制系统仿真教学方法改革

摘 要：针对Matlab与控制系统仿真教学现状，引入任务驱动教学法。首先将教学内容分解成任务体系，引导学生自主地在完成任务过程中学习新的知识点。这种教学法充分体现了学生学习的主体地位，激发了学生的学习积极性，收到较好的教学效果。

关键词：Matlab；任务驱动教学法；教学改革

Reform of the teaching method for Matlab and control system simulation based on task-driven

Wu Aiping

Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

Abstract: The teaching method based on task-driven was drawn into in accordance with the present situation of teaching in the course of Matlab and control system simulation in this paper. First, the content of course was resolved into the task system, then the teachers lead students to learn new knowledge independently during the process of completing the tasks. In this way the students’ major position in learning could be reflected and students’ enthusiasm about learning could be aroused . The effect of this method was very good.

Key words: Matlab; teaching method base on task-driven; reform of teaching

Matlab与控制系统仿真实习是自动化专业本科学生一门必修的实践教学课程。设置该课程目的在于通过上机操作掌握控制系统计算及仿真的Matlab函数命令，并能用Simulink仿真工具对控制系统进行仿真、分析和调试。巩固控制系统分析设计的基本原理和方法，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质，为今后专业能力的培养和从事生产技术工作打下必要的基础。该课程与多门课程交叉，理论性强，同时又具有浓厚的工程背景，目前的教学方法是教师怎么教学生就怎么学，教学效果并不好，主要问题体现在学生综合应用能力较差，缺乏分析问题的能力。因此，在该课程引入任务驱动教学法具有重要的意义。

1 任务驱动教学法及其优点

任务驱动教学法是一种主动探究型教学模式，其实施过程通常包括：设计并提出任务、分析任务、自主协作完成任务、交流评价等环节。教师提出任务后不再主宰整个教学过程，而是引导学生去分析、去探索，教师只点拨或引导。其学习内容更为开放，能更好地满足不同层次学生的学习需求，使得每名学生都有成就感。任务驱动教学法强调学生的学习主体地位，突出任务的目标性，让学生在若干具体任务的驱动下，通过自主探索和互动协作，主动完成学习任务，在完成任务过程中学习新的知识点。充分发挥学生的自主性、能动性、创造性，这有利于调动学生的学习积极性。通过在Matlab控制系统仿真实践教学中运用任务驱动教学模式，以达到调动学生学习的主观能动性，提高教学效果的目的。

2 Matlab控制系统仿真教学任务设计和分析

任务驱动教学法中任务设计的质量直接影响到教学效果，所以要求教师在课前认真分析教材，在把握总体目标的基础上，把总目标细化分成一个个小目标，并把每个学习模块的内容细化为一个个容易完成的任务，通过这些小的任务来体现总任务。任务要由简到繁，由易到难，循序渐进，不应局限在书本上，要具有一定的发散性，让学生有充分发挥想象力和创造力的机会。

Matlab控制系统仿真教学任务设计，是任务驱动教学法的核心。我们教研课题小组的同志认真梳理控制系统课程体系，分析控制系统课程的教学内容，由简到难地将课程分成Matlab基本功能任务、控制系统数学模型及其转换任务、控制系统时域分析和频域分析任务、控制系统校正设计任务4大任务模块，其中前两个任务模块是单元型的，难度比较小，包含一到两章的内容，每个单元型任务由多个子任务构成，每个子任务都针对不同的知识点，学生都可以在课堂上完成。第三个任务介于单元型任务和综合型任务之间，每个任务由基本知识点和利用所学的基本知识去分析系统，研究各参数的变化对系统的影响。这些任务对于成绩较好的学生不成问题，在课堂上能完成，对于成绩稍差的学生通过查阅以往学过的知识点也能完成任务，只是所花的时间要多些，但经过自己努力能完成任务，学生感到很有成就，觉得自己有潜力可挖，自信心大增。最后一个任务是综合型、开放型的，任务的解决也有多个角度和多种方法。为了便于学生入手，任务分为4～5个子任务，各子任务难度逐层递增，课堂上教师可以适当地讲授任务要点，提示学生可能要用到哪些知识点，并鼓励学生综合应用新旧知识，运用新思路、新方法创造性地完成任务，甚至提出有创新意义的新任务，完善任务体系。

下面是笔者设计的教学任务实例。

已知单位负反馈系统被控对象的传递函数为G(s)=K/(s2(0.2s+1))，试对系统进行超前串联校正设计，使系统校正后满足：(1)在单位加速度信号作用下的ess20 rad/s。不限定方法，只要满足性能指标的要求即可。

任务给出后各组学生立即展开讨论，进入了任务分析阶段。有的说应该采用bode图设计法，有的说采用ltiview工具箱更直观，有的说ltiview工具箱虽然直观，但添加环节太麻烦，不如采用Rltool根轨迹设计工具方便，还有的学生说PD调节器也具有超前校正，也能用，在Simulink环境下也很直观。有的说为什么限定超前校正？我要采用滞后校正试试。由于该任务要在课堂上完成，很快学生开始按各自的思路做起来，在书本上寻找自己需参考的知识点。大约10分钟后就有学生举手说做好了，该学生采用的是Rltool根轨迹设计工具凭借自己所掌握的添加零点和极点对系统性能的影响而试凑成一个超前环节(10s+1)/(0.001s+1)接入系统，能很好地满足上述两个指标，笔者表扬了他对理论知识学得很透彻，提示他思考有没有更科学的方法。大约25分钟后，除个别学生错误地采取滞后校正没能顺利完成，多数学生基本做好了，而且都能满足要求。不管什么方法，只要做出来，笔者都会进行表扬，并让他们演示一番，简单讨论一下优点和不足，绝大多数学生都很有成就感，积极性得到提高。顺势笔者让同学们课后思考一下本任务中教师为何限定采用超前校正，为什么采用滞后校正效果不太好，让大家去体会超前矫正和滞后校正的特点以及各自的使用场合。以下是大多数学生采用bode图设计法的解题过程。

(1)为满足稳态误差ess

(2)先判别原系统Wc是否满足要求

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

s1=tf(K*n1,d1);figure(1);margin(s1);hold on

figure(2);sys=feedback(s1,1);step(sys)

从图1可知Wc=2.94，不满足要求，且系统阶跃响应呈发散状态，不稳定。

图1

(3)计算超前校正环节的传递函数

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

sope=tf(K*n1,d1);wc=20;

[Gc]=leadc(2,sope,[wc])

得到：

Transfer function:

8.246 s + 1

……

0.0003032 s + 1

(4)验证校正后的系统是否满足要求

图2

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

s1=tf(K*n1,d1);

n2=[8.246 1];d2=[0.00030321];s2=tf(n2,d2);

sys=s1*s2;

figure(1);margin(sys);hold on figure(2);sys=feedback(sys,1);step(sys)

从图3可知Wc=20，满足要求。

图3

3 交流评价

交流评价与归纳是总结、反思与巩固阶段。学生各自完成任务后，立即组织交流，相互介绍完成任务的方法和手段，以及得到的结果。这样做一方面提升学生的评价能力，另一方面可以使他们相互取长补短，开阔思路，鼓励学生发挥创新精神。评价可以采用自评，组内互评，组间互评，教师点评等方式相结合，使评价做到公平、公正。

4 结束语

在Matlab控制系统仿真实践教学中引入任务驱动教学法，学生学习目标更明确，体现了学生学习主体地位。在探索解决问题的过程中融入教学任务，培养学生从实际问题出发、分析问题、解决问题的能力。激发学生学习的积极性、能动性、创造性。在实施任务驱动教学法的过程中还需不断尝试和创新，进一步改进，不断提高教学效果。

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