闭环控制线上教学过程，利用虚拟技术仿真实验
---介绍工程学院王瑞丽《机械工程控制基础》理论与实验课线上教学模式
督导员 杨长成
工程学院王瑞丽老师承担的《机械工程控制基础》课是机械设计制造及其自动化、农业机械化及其自动化、农业工程专业本科生的学科基础课，是交通运输专业本科生的选修课，主要讲授机械工程的基本理论和方法。课程共40学时，理论课32学时，实验课8学时，选课人数66人。因疫情学生不能返校，课程改为“线上”进行。王老师做了细致的准备工作。近日经过听课与沟通，对王老师的教学模式有了更多了解，现介绍给大家。
一、精心设计课程教学，闭环控制教学全程
《机械工程控制基础》内容理论性较强，采用线上教学有一定的难度。王老师结合多年的教学经验，把课程内容和知识点进行了调整，充分利用跨校资源和网络资源，用思维导图展示、翻转课堂、计算机辅助模拟等方法创新教学模式，激发学生的学习热情，提高学生对教学的参与度。
1.整合知识点，梳理课程脉络
把课程内容分为自动控制的基本概念、控制系统的建模、控制系统的时域分析、控制系统的频域分析及系统校正五个方面。用思维导图的形式展现课程每个部分之间的关系，课程脉络一目了然。对期末考试的题型和考核的知识点也进行了梳理，用思维导图展现给学生。使学生能更好地理解课程的主要内容。
2.结合工程应用，激发学习兴趣
收集国内外重点大学的机械自动化在工程中的应用案例，结合学生参加全国大学生机器人大赛并获得好成绩的实例，通过网络平台展示给学生，激发学生对课程的学习兴趣。介绍本课程作为所有工科院校的必修课程，是机械相关专业考研课程，主要的知识点融会贯通。学好本门课程，可为将来工作、深造奠定坚实的基础。
3.搭建教学平台，闭环控制教学
根据课程特点和不同教学环节的要求，选用超星泛雅平台、学习通和课程QQ群及群屏幕分享直播课程，通过课程QQ群、超星泛雅平台、学习通、电话等方式进行师、生沟通与讨论。通过签到、课程内容讨论、发布和批改作业、测试和批改试卷、发布群公告、发起群投票、上传学习笔记等形式全程掌握学生的学习情况，实现教与学的闭环控制。
二、利用多种教学资源，搭建快捷学习通道
1.跨校教学资源使用
《机械工程控制基础》采用辽宁工业大学尚锐教授的教学视频和PPT，以超星泛雅平台开展教学。在平台上，主讲教师根据我校专业要求选择需要学生完成的知识点教学视频。学生在pc端和手机端均可进行视频反复观看，可参与课程讨论、完成签到、作业、测试等内容。教师可通过学生视频观看进度、时长、重复观看率等的统计，可发起签到活动，可发布和批改作业，可发布测验试题并批改试卷等。
2.课程QQ群在线教学与管理
利用QQ群的方便性，以群屏幕分享的方式开展在线直播课程，对同学遇到的问题和主要知识点进行讲解，利用录屏软件录制讲解实况。学生们能随时、随地反复观看，为学习提供便利。并具有完成多种教学环节的功能。
3.利用学校易尔思教学平台
《机械工程控制基础》的前身是《机械系统自动控制》，为校精品课程。易尔思平台上的课程建设比较全面，有教学视频、讲稿、教学大纲、参考资料、教学研究等。学生可随时登录进行学习。
4.微信公众号平台的使用
建立了《机械工程控制基础》课程的微信订阅号（control_syau）平台，学生可随时学习课程内容。包括课程大纲、主要知识点梳理、各章PPT、主要习题讲解视频、实验详情PPT、实验报告册等相关内容。可作为超星教学内容的补充，重点讲解主要知识点和习题，为学生提供复习资料。
四种教学资源相互支持、相互补充，进一步丰富了教学内容。
三、利用计算机虚拟技术，实现“线上”仿真实验
采用电阻、电容、理想运算放大器等电器元件构成模拟电路，可完成“典型环节的单位阶跃响应、二阶系统的阶跃响应”等实验课程内容。因为电器元件价格便宜，拆装方便，工程上经常用电气系统来模拟机械系统。本学期学生暂不能返校开展电气系统的模拟，故选择用计算机软件进行系统建模和仿真实验。
1.计算机模拟软件的选择与安装
MATLAB软件具备强大的系统建模和仿真功能，具有较好的人机交互界面，在控制系统的研究中应用较多。MATLAB软件版本不断更新，功能也越来越强大。采用MATLAB函数和simulink模块进行控制系统的建模和单位阶跃响应仿真，可直观的观察系统参数变化对系统性能的影响，帮助学生更好的理解课程主要内容。
实验课前一周，组织学生安装MATLAB软件。由于该软件功能强大，应用于控制系统的建模和仿真、自动驾驶等，对计算机配置有一定的要求。软件编辑语言为英文，安装过程也比office等软件复杂，经常出现安装失败情况。软件安装工程其实是一次很好的预备实验过程，对安装中出现的问题，王老师通过课程群启发学生进行分析，查找原因，鼓励学生增强信心。引导学生相互学习、切磋、交流和讨论，引发学生积极思考和创新思维，使问题逐一得到解决，表现了较高的学习自觉性。安装过程中，由于MATLAB版本有多种类型以及学生电脑性能的差别，有的学生找不到某个设置界面，王老师鼓励同学们自己大胆探索，独立摸索解决办法，让学生体味探索的乐趣和成功的感受。
2.耐心指导学生进行计算机模拟实验
实验开始前，王老师将录制的实验内容讲解和系统建模与仿真的MATLAB实现步骤视频，上传到课程QQ群和课程的微信号，让学生提前熟悉软件应用。课上先展示用思维导图表示的实验体系和主要内容，然后引领学生一步一步操作软件。如用tf()函数描述系统，用simulink模块建立系统的仿真模型，包括线性系统的传递函数表示、输入单位阶跃信号、运行模拟、用示波器显示响应曲线、修改系统结构参数观察响应变化、在响应图上标注名称和修改图像背景等。根据模拟结果，分析系统的结构参数变化对单位阶跃响应的影响规律。
实验中王老师随时关注学生情况，发现问题及时解答。不时询问学生实验结果是否和老师一致，根据学生反馈情况，调整实验节奏，保持同步。师生间始终保持呼应状态，互动频繁，学习气氛浓厚。
3.课后关注并及时解答学生问题
通过计算机模拟实验，加深了学生对课程内容的理解，增强了学习兴趣。课后有的学生继续巩固、深化实验内容遇到新问题；有的学生对课堂内容理解 、消化不透等等，不一而足。不论是群中提问还是个别沟通，教师都能及时回答，并给以鼓励和表扬。通过解答问题增加了师生间的联系，了解了学生对课程内容的掌握程度。
四、“线上”教学的体会
《机械工程控制基础》课程已近结束，课后征询王瑞丽老师对线上实验教学的感受和体会，她总结了以下三点。
1.利用计算机模拟实验，效果入木三分，激发了学生学习兴趣
虽然疫情阻止了课程现场直面教学，但对于控制系统的研究，用计算机模拟更容易搭建系统模型、改变系统结构。学生可透彻、深入地理解课程理论内容，实验效果好。并具有实验成本低、节省时间的优点。实验过程生动、形象，弥补了理论教学的难度和内容的抽象。通过克服软件安装、使用中的难点，使学生体验到实验的趣味性、参与感和解决问题的成就感。
2.锻炼了教师运用自媒体的能力
线上教学是对教师自媒体应用能力的检验。为全方位开展教学，我尝试了腾讯课堂、腾讯会议、企业微信、钉钉、超星等多种平台的使用。结合课程特点和学生设备情况，选定了超星和QQ群屏幕分享作为授课平台。通过线上教学掌握了课堂录屏和视频剪辑技能，可实时录制讲课实况和知识点小视频，分享给学生增加教学效果。网络驾驭能力明显提高。
3.教学平台的长效性
线上教学加强了师、生间的沟通，比线下更能及时了解学生的学习进度和遇到的问题。已经养成了随时关注课程QQ群，了解学生学习遇到的问题，给予及时回答和讨论。并可实现对作业、笔记、实验等环节的有效管理，为教学提供保障。课程QQ群已成为教师与学生交流的直接通道，可随时发布专业信息与行业动态，让学生了解专业。也可发布科研项目需求，吸纳学生参加教师科研，参加专业相关竞赛等。这种优势可在今后学生培养中长期使用。
