電氣工程及其自動化的起源
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電氣工程及其自動化的起源范文第1篇
中圖分類號：G650 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）08-0037-02
隨著廣東省電力工業的快速發展，對電氣工程及其自動化專業的人才需求增加，因此專業的建設與發展具有很好的前景。作為一所獨立院校，我院以服務地方經濟社會發展為出發點，為廣東經濟社會發展培養自動化專業的高素質應用型人才。同時，我們需要看到自我國高校實行擴招以來，大學生數量大幅度增加，畢業生數也隨之增加，因此未來本專業大學畢業生就業形勢也不容樂觀。在這種形式下，如何正確定位本專業的培養目標和培養規格，把本專業建設成為具有自己鮮明特色的專業就需要我們思考與探索。本文在廣東技術師范學院天河學院的基礎上，主要針對獨立院校的電氣工程及其自動化專業的人才培養模式進行探討。
一、專業建設定位
電氣工程及其自動化專業是通用性強的“寬口徑大專業”，是由原電工類的電機電器及其控制、電力系統及其自動化、高電壓與絕緣技術、電氣技術等專業合并而成[1]。各高校根據社會經濟發展對本專業人才的需求，依據各自的實際情況、辦學條件，確定了彼此不同的、體現各校辦學特色的專業方向、人才培養的方案和模式[2]。獨立學院不同于重點高校與職業技術學院，他以培養介于研究型人才和具有某一職業技能人才之間的應用型人才。他們既要有一定的理論做基礎，又要有一定的實際動手能力。因此我院電氣工程及其自動化專業以培養基礎扎實、知識面寬，具備自動控制理論、控制系統、信息處理、PLC和單片機控制技術、供配電及其自動化等方面的基本理論和專業知識，能在工業過程控制和電氣系統等領域從事系統分析、系統運行與維護、開發與設計、管理與決策等工作的應用型工程技術人才
二、課程體系建設
電氣工程及其自動化專業具有多學科交叉、內涵豐富、外延寬廣等鮮明的特點，作為電類本科專業來說培養的人才應是寬口徑、高素質的工程應用型人才[3]。為此在專業的理論教學體系構建中，按照“大平臺+小模塊”構建知識體系。大平臺指公共基礎課平臺、專業基礎課平臺和專業必修課平臺，小模塊指按市場需求而靈活設置的專業方向課程群。
①公共基礎課平臺由公共基礎、相關知識、專業拓展等系列課程構成，意在培養學生的基本素質，為學生后續學習打基礎，全面提高學生綜合素質和多角度的科學思維方法。②專業基礎主要由數學、電路、數電、自動控制理論、電氣控制技術等專業基礎課程構成，教授學生專業相關基本知識，同時考慮將來專業口徑的拓寬，為后續專業學習打下扎實的基礎。③專業必修課平臺主要由電力系統分析、繼電保護原理、發電廠電氣部分、工廠供配電、電力系統調度自動化、電力電子技術等專業課、限選課、任選課等組成。使學生掌握專業系統知識，著重培養學生分析和解決實際問題的能力。④結合我院現有資源及市場需求情況分析，專業方向課程群設置了兩個專業方向，一是電力系統及其自動化專業方向，主要課程有電力設備運行與維護、電力系統程序設計、電力系統規劃設計、變電站設計與運行等，注重培養電力系統、電氣裝備領域的系統設計、系統運行、研制開發、試驗分析、工程建設與管理的高級工程應用型人才。二是電氣控制方向，主要課程有單片機原理及應用、PLC原理及應用、DSP原理及應用、計算機控制技術等，培養掌握電機及電氣控制、自控原理及系統、微機控制、掌握現代控制技術等理論知識，以及具有全面的電氣自動化應用實務能力的應用型人才。
三、實踐環節建設
應用型人才培養模式主要是以能力為中心，以培養技術應用型專門人才為目標[4]。我院的實踐教學體系以工程實踐為主，通過理論聯系際，培養學生獨立分析問題、解決實際問題的能力。在實踐教學中針對應用型人才培養的要求，遵循技能與能力訓練培養的教學規律，按照系統性、層次性和循序漸進的教學原則，將實踐教學體系劃為以下三種層次：
①基本技能層：包含各基礎課程實驗、專業基礎課程實驗，進行基本技能訓練，培養學生的實踐能力。②專業技能與工程實踐層：包含專業課程實驗、工程實訓、課程設計、進行專業相關的技能和工程實踐能力的訓練。③綜合應用能力與創新能力培養層：包含畢業設計、專業實訓，認識實習、畢業實習、科技創新等進行綜合應用能力和創新能力培養。
這種層次漸進的實踐教學體系形成了由單一到綜合，按照先基礎、后綜合、再創新的思路，循序漸進地安排實驗教學計劃。目前我院電氣工程及其自動化專業建立了基礎實驗室、專業實驗室、實訓基地等校內外實習實踐教學基地，專業實踐的教學條件已有較好的基礎，給學生提供了更先進的實踐硬件條件和環境。
四、突出特色
①完善校內實訓中心，發展校外實訓基地。要培養高素質的高級工程應用型人才，除了完善的理論教學外，還必須有較好的實驗和實習環境，以提高學生的實踐能力[1]。通過資源整合、學校投入，已經完成電工電子等基礎實驗室、電力系統綜合自動化等專業實驗室的建設。這些實驗室的設備在質量和數量上都能夠滿足實踐教學的需要，并具有開放性、功能先進性，允許學生在此從事科技實驗、技術革新等創造性活動。學生可以根據自身特長和興趣到實訓中心進行操作和技能訓練，應用型人才的培養是建立在大量實踐的基礎上的，在學校外的職業環境中進行實習是形成優秀職業能力的重要環節[3]。我校鼓勵學生走向社會，培養適應社會的能力。根據課程設置和培養方案，每年都會有學生到校外進行認識實習、畢業實習，讓學生較早地接觸工程實踐環境，培養學生運用所學理論知識分析解決實際工程問題的理念，提高學生的工程意識和工程能力，為學生走上工作崗位打下良好的基礎。同時，我們積極建立自己的校外實習基地，已經與廣東民建實業有限公司等十多個企業進行產學合作，走“產學研”的人才培養模式。②積極開辟第二課堂，開展課外學術科技活動。學生參加學科競賽和科技文化活動有利于學生運用理論知識和實踐能力解決實際問題。我院有計劃地引導、鼓勵、組織學生參加各種課外科技文化活動，成立了專門的專業興趣小組、專業特色作品設計大賽等課外科技活動委員會，積極引導學生參與其中；鼓勵學生參加各種校外學科比賽，以擴大視野、啟發科學思維，他們可以參加數學建模比賽、智能汽車大賽、電子設計大賽等。在理論與實際相結合的各種學術活動中，增長學生的見識，讓學生充分施展自己的才華和興趣，提高實踐能力和綜合素質。開展課外學術科技活動以來，先后有9人次在全國大學生電子設計比賽中獲獎。
五、總結
作為一所獨立院校，我們始終以應用型人才培養為目標，服務于地方經濟。我們將根據學科發展的要求，結合獨立學院的辦學特色，不斷地探索研究，相信通過我們的不懈努力，一定能將我院的電氣工程及其自動化專業辦成獨具特色的專業，培養出更多具有創新能力、受社會歡迎的高素質應用型人才，為地方經濟建設作出更大的貢獻。
參考文獻：
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電氣工程及其自動化的起源范文第2篇
關鍵詞：電氣工程；自動化；意義；發展難題；解決措施
1電氣工程及自動化的發展過程
電氣工程及其自動化作為我國近代工業發展的促進劑，是伴隨著我國工業的發展而不斷發展的。在改革開放以后，中國大力發展工業，以求獲得快速的經濟發展，提高國民的生活水平，在不斷發展前進的過程中，電氣工程及其自動化經歷過三個主要的發展階段，其內容如下：
（1）第一階段：隨著機械工程和物理學的發展，科學工作者便考慮到將二者結合起來，尋求一種能夠為電器制造也服務的科學，于是便誕生了電氣工程。
（2）第二階段：隨著微波和無線通訊技術的興起和發展，科學工作者又將這一學科的優勢有機結合到電氣工程上面，通過微波和無線通訊技術對機械的控制，來使機器完成生產工作并滿足生產要求，這便將電氣工程及其自動化帶進了機電一體化的時代。
（3）第三階段：隨著計算機和信息技術的發展和應用，它的優勢也被利用到電氣工程及其自動化中來，于是便出現了通過計算機編程并遠程控制機器完成生產工作的新一代機電一體化工業生產流程。
2電氣工程及自動化的發展意義
電氣工程及其自動化的發展過程是一個不斷吸納并融合全球最新科技的過程，電氣工程及其自動化的可以應用到各行各業，無論是一個斷路器的設計，還是整架航空航天器的研究，都少不了電氣工程及其自動化的身影。電氣工程及其自動化的發展，使得機械制造業的生產車間空間得到節省，也減少了車間內人力物力的配置，很多機械產品的加工不再需要工人來動用原始的手工勞動，而可以通過電腦終端的直接控制，這樣，一個會控制電腦終端程序的工人便抵得上好幾個人力工，實現了人力資源的有效節約。機電一體化的運用更是可以使生產車間完成流水線的全部生產任務，包括生產零件，組裝，包裝，流動，檢測等整個制造流程，極大地提高了生產效率。
3電氣工程及自動化的發展難題
盡管電氣工程及其自動化的發展隨著工業的發展一起很迅速，但是到了新的發展階段以來，電氣工程及其自動化的發展也遇到了很多難以克服的困難：
（1）電氣工程應用的能耗問題。所謂的能耗問題是指來源于電氣工程設施的建造和安裝所造成的能量損耗，當然，要想實現機電一體化控制，建造和安裝布置控制設備是必需的，因而這部分能源消耗是無法避免的，為了降低成本，便只能從降低能耗方面著手；在電氣工程及其自動化系統的建造和安裝過程中，需要考慮到光照和溫度調節方面的問題，同時也還要考慮到系統耗電與廠用耗電的關系，電網的布置等問題，在諸多環節的能耗問題實在值得關注。
（2）電氣工程應用的質量管理問題。在實際操作中中，有很多工廠為了完成機電一體化控制，但又考慮到成本的節約，放低了對電氣工程及其自動化系統的施工質量要求，使得建造標準低于國家規范，這樣做會導致低了機電一體化系統所生產的產品質量降低，更可能使得整個系統運行故障頻出，發生災難性的事故。
（3）數據傳輸的不方便問題。電氣工程及其自動化的控制系統主要是應用計算機對于所編應用程序的控制，但是從目前的發展狀況來看，電氣工程及其自動化仍然處在一個多學科的綜合體的尷尬狀態，還沒有脫離出來成為一個獨立的學科，因而很多應用編程及其有效接收設備并沒有國家標準來統一，在商業化的運行中，廠家只能購買某生產商的一中機型來進行控制運用，而不能完成不通機型之間的信息傳遞，這對商業化的運行和發展造成一定的阻礙。
（4）電力控制系統的完善效率對工程進度的制約問題。電氣工程及其自動化系統是一種控制系統，用來對機械系統進行控制，然而要想完成整個系統的運行，便得結合實際的機械操作流程編寫相應的程序通過計算機控制來實現。因此對于同一工程，由于編寫程序不通，電氣工程及其自動化控制的效率就會有所高低，這也會進一步影響工業生產的效率，從而影響到經濟的發展速度。
4提高電氣工程及自動化的方式
電氣工程及其自動化主要分為兩個部分，一是電氣工程，另一便是自動化控制；因此提高電氣工程及其自動化便要從兩方面著手，通過實現電氣工程和自動化控制的有機的、高效的結合來更快更好地發展電氣工程及其自動化。
（1）從電氣工程方面：從上文問題分析可知，電氣工程主要存在的問題是能源消耗問題和施工質量管理問題。解決這類問題有效的措施便是企業和政府一起協商制定嚴格規范的電氣工程施工管理標準，并且一切有關電氣工程的施工要嚴格按照該標準執行，違者必究；施工單位在實際施工的過程中，不要照搬一般的施工流程，而要根據實際的施工地點的環境、地理位置等因素，綜合考慮擬定合適的施工方案后再施工。并且施工過程中嚴禁偷工減料、以次充好，要嚴格按照標準選擇適應的材料，施工完成后要有專門的系統管理和維護人員對系統進行監控檢修。
（2）從自動化控制方面：自動化控制的問題主要是數據傳輸接口不統一，控制程序控制效率有高低。為了解決這個難題，企業的程序設計人員應不斷優化反饋設計，完成精簡有效的高質量程序編寫；然后將最優質的程序在企業內或者行內推廣，從而使整個企業或者行業的自動化控制水平提高，要想設計出優質的程序，設計者需要考慮客戶的需求和工程的運行流程，通過精簡和優化來提高程序的執行效率。另外，政府也應該在行業內制定相應的通用的程序接口，能夠讓優秀的程序設計在整個行業內流通，從而帶動整個行業的信息傳遞和競爭提高。
參考文獻：
[1]侯曉燕.電氣工程及自動化工作原理[M].科技出版社,2009.
[2]李娜娜.電氣工程及自動化的建設與發展的若干思考[J].電氣自動化,2011.
電氣工程及其自動化的起源范文第3篇
【關鍵詞】電力電子技術；教學改革；工程教學；仿真實驗
1.引言
電力電子技術起源于20世紀后半葉，最初由電子學、電力學和控制理論三門學科交叉而成[1，2]，隨著該技術的迅猛發展，所涉及的學科范圍也越來越廣，如圖1所示為當今電力電子技術所涉及的學科領域。電力電子技術的應用領域日益廣泛。它不僅用于一般工業，也廣泛應用于交通、通信、電力、新能源、汽車、家電等各個領域[3]。因此，電力電子技術課程在培養電氣類和機電類專業人才中占有舉足輕重的地位。
目前，大多數的工科高校中都開設電氣工程及其自動化、自動化、機電一體化等專業，“電力電子技術”作為這些專業的專業基礎課，其教學質量的高低將直接影響學生對于本專業知識的把握以及后續專業課程的興趣建立與學習。因此，對于電力電子技術的教學改革對于提高電氣類與機電類教學質量以及學生知識水平具有重要的意義[4]。
目前，“實踐才是工科專業的根本”已成為國際高等工程教育界的共識[5]。特別對于要求培養應用型高級工程技術人才的民辦三本院校[6]，更是需要加快改革步伐，以適應現代經濟和社會發展的需求。
圖1 電力電子技術涉及的學科領域
2.教學現狀
電力電子技術的教學在諸多高校中均面臨一個共同問題，即學生對課程缺乏興趣。其中原因很多，下面具體分析。
2.1 客觀原因現狀
2.1.1 內容多、難且滯后
公式多，拓撲多，分析多，波形圖多，并且教學內容嚴重滯后，對學習造成不少困難。
2.1.2 實驗室陳舊
實驗室陳舊，能做的實驗太少且過于簡單。只有屈指可數的驗證性實驗，沒有擴展性、綜合性實驗。
2.2 主觀原因現狀
2.2.1 專業素養不高
電力電子技術是工科最難的一門學科，學好并教好是一門學問，對于青年教師還有很長的路要走。
2.2.2 方法問題
一味填鴨式教學，缺乏互動，使課堂索然無味；無論書寫還是畫圖都只利用板書；且新技術不斷涌現，教學內容滯后發展；公式多，拓撲多，但表述的邏輯性和系統性均欠強，使學習造成死記硬背的局面。
2.2.3 學生問題
民辦三本院校的學生入校分數不高，基礎偏差，并且學習主動性不高，來混文憑的居多。
3.改革內容
根據教學現狀，我們有針對性的進行如下改革，大致可分課堂教學改革與實踐教學改革。
3.1 課堂教學改革
教育是一種特殊的實踐活動。所謂“教學”應該是教與學相互交流的雙向過程。教育者和受教育者都應參與其中，而不應過分強調教師的作用。作為教學的組織者，教師應發揮其主導作用，突出學生的主體地位，要從傳統的“填鴨式”教學方法轉變到啟發式、討論式的教學。教師需“自編自導互參與”，即要精心組織教學內容，設計能夠啟發引導學生進行思考的問題，充分調動學生的學習積極性。
3.1.1 重視第一堂課
緒論是學習的向導，也是對課程宏觀的把握，在某種程度上說，第一堂課的內容決定了本課程教學的成敗[7]。因此教師應花大量時間與精力，認真準備第一堂課。在第一堂課，首先要向學生介紹該專業的人才培養目標及技能要求與本課程的關系，以及該課的前導與后續課程，使學生了解該課程的性質、地位和作用。然后介紹電力電子技術的發展現狀及其在國民經濟生產中的重大作用，并列舉大量的工程實例說明它的重要性，從而使學生對它產生強烈的興趣，明白本課程是什么，有什么用，該怎么學習，從而為后面的教學打下良好的基礎。
3.1.2 工程項目教學
以應用型高級工程技術人才為培養目標，是目前三本工科院校人才培養方案中的突出字眼。對電力電子技術進行教改與研究順應了時代的要求[8]。在實施過程中，通過查閱大量相關資料.結合自身工程經驗.將工程具體案例按一定比例增加在課堂教學的。實現抽象公式具體化、復雜原理簡單化的效果。提高學生的應用意識和工程素養。加快學生由學習型人才向工程應用型人才轉變。
3.1.3 多媒體教學
目前，該課程仍然采用傳統單調的黑板+粉筆的“黑白”教學法。由于本課程的特點，有大量電路圖、波形圖和公式推導占據了課堂時間。結果卻是雖然教師工作量大的驚人，但授課信息量小、課時的利用率不高、學生收獲不大的現狀。而多媒體教學集文字、聲音、圖像、動畫等多功能于一身，是當前教育發展的方向。在本課程中引入多媒體教學，教師不但可以從繁重的板書中解放出來，而且可以將更多的時間放在與學生的交流互動上。比如在三相整流電路的教學中，可以加入一些動畫演示，通過點擊鼠標設置參數，如觸發控制角、負載類型等，并將電路的工作狀態和輸出波形顯示出來，這樣不但節省了大量的繪圖時間，學生也更感興趣，看起來也更直觀，更容易接受。
3.1.4 雙語教學[9]
電力電子技術教材繁多，多是對國外書籍的翻譯整理。但翻譯五花八門，不少常用詞匯都沒有統一。比如晶閘管的觸發極，有的教材叫門極、有的叫柵極。而英文卻只有一個，即GATE。這對學生自學造成了極大的困擾。類似的情況還有很多，如GTO、MOSFET、IPM、PWM等。因此建議針對有實力的院校，進行雙語教學。即便目前沒有能力進行純雙語教學，也應向學生介紹適量的英文專業術語和專業名詞。
教師也可用英文的方式布置作業，并推薦學生查閱原版外文文獻。
3.2 實踐教學改革
3.2.1 引入仿真技術，彌補實驗條件不足
近年來，計算機仿真技術作為計算機輔助設計（CAD）的有力工具，廣泛應用于電力電子電路的分析和設計中。將電子仿真設計軟件Multsim和數學建模仿真分析軟件MATLAB等引入到教學中，建模并動態仿真不但有利于抓住其主要矛盾，加深對所學知識的理解，也為學生將來從事工程設計打下良好的基礎。隨著電力電子技術的迅猛發展，我院校規模的不但擴大，而電路、電工、電力電子技術等多項實驗卻共用一個實驗臺、同處一個實驗室，并且我院各項實驗均由理論授課教師講授，這對安排實驗造成了極大的困難。引入計算機仿真實驗，不但可以拓寬學生眼界、打好工程設計基礎，還可有效緩解實驗室的壓力。
做仿真實驗時，由教師提出實驗目的及要求、并給出電路參數。由學生自行設計，如選擇器件、設計主電路、驅動電路和保護電路等。仿真軟件可操作性極強和安全性也有保障，讓學生自己動手設計，其實就是學生自動研發的過程，這不僅可以進一步熟悉所學內容，并且極大的調動了年輕人的相互競爭和向困難挑戰的激情。
3.2.2 增加電力電子課程設計及實訓
課程設計是大學課程的綜合性實踐教學環節。對于工科專業更是不可或缺，它是對課程的深化理解與學以致用的系統性活動。
目前，我院已有模擬電子技術課程設計、數字電子技術課程設計、單片機課程設計。經學生反映，課程設計使他們不但知道這門學科能干什么，而且還親手做到了。言教不如身教，告訴學生那是什么能干什么，不如帶著學生親手去實踐。
本項改革涉及較廣、內容較多，具體實踐過程切忌胡子眉毛一把抓。需抓重點，找主流，按部就班，步步為營。
4.結論與展望
此項改革與研究正在進行，其中課堂教學改革及實驗改革中的仿真實驗已在實施，課程設計及實訓涉及到人才培養方案的修訂，而尚未啟動。從目前改革的成效來看，效果明顯。學生反映良好，并希望這樣的改革越多越好。在此基礎上，人才培養方案的修訂有望通過，相信到時教學效果以及創新型人才培訓必將達到更高的水平。
參考文獻
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作者簡介：
電氣工程及其自動化的起源范文第4篇
關鍵詞 翻轉課堂；MATLAB GUI；自動控制原理；實驗教學
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2017）06-0127-03
1 引言
自動控制原理是高等院校自動化、測控技術、機械電子等專業本科學生的必修核心課程，主要研究自動控制系統的一般規律[1-3]，其理論性強，理解和消化課程理論內容的重要途徑就是實驗課。但是，目前的實驗教學儀器陳舊和實驗學時少，實驗淪為理論知識的一種驗證，學生盲目地按實驗任務書要求進行導線連接等機械式操作，不能充分發揮學生的能動性。
MATLAB是美國Math Works公司出品的商業數學軟件，其GUI（Graphical User Interfaces）是一種新型的圖形用戶界面編程工具。通過MATLAB GUI設計和開發自動控制原理虛擬實驗平臺，采用翻轉課堂教學模式，在實驗課前將實驗任務書、MATLAB GUI實驗軟件、思考小問題、小測驗發放給學生，使學生實驗前就對實驗內容及結果有一定掌握。實驗課上針對學生課前測驗中遇到的問題開展討論，并針對多數人出現的問題統一講解和指導，而個別人的問題單獨講解。這樣不但能很好地解決傳統實驗存在的問題，又能加深對自動控制原理課程內容的理解，更能調動學生學習的積極性，將學生盲目按指導書操作模式朝向為什么要這樣做、怎樣做更好、還能做些什么轉變。
2 翻轉課堂教學
針對自動控制原理強調方法論，理論性強，從而面對較多的抽象概念和數學公式，教師的教學過程讓學生感覺枯燥乏味的問題[4]，基于MATLAB GUI編寫的虛擬實驗軟件，以翻轉課堂的形式對該課程實驗教學進行改革。
翻轉課堂的起源 2007年，美國科羅拉多州林地公園高中的化學教師喬納森?伯爾曼（Jon Bergmann）和亞倫?薩姆斯（Aaron Sams）為了給由于天氣原因缺課的學生補課，將上課內容進行錄像后，通過電郵等網絡形式將教學內容發送給學生，學生在家看視頻聽講解，課堂上教師主要用來講解學生在視頻學習或作業中出現的問題，成功幫助缺課而跟不上教學進度的學生[5-6]。這就是風靡全世界的翻轉課堂教學模式[5-7]。
翻轉課堂的定義 翻轉課堂（Flipped Classroom），即學生首先在家提前完成視頻等相關材料的學習，省卻教師的課堂講解，教師課堂上則集中精力開展問題講解和分組討論。該方法顛倒了傳統學校“課上教師講授，課后完成作業”的教學安排[5-7]。
翻轉課堂的意義 首先，在教學內容及進度一樣的情況下，因為能力差異，學生掌握學習知識的程度必然出現差異。翻轉課堂“以學生為中心”，注重在課上進行教師針對性的指導，實現因材施教。同時，學生根據自身的學習習慣和能力，課前自主計劃學習方法。其次，課堂上學與課后練習相結合模式被課前學習新知識，教師不再單純對實驗內容講解和監督，以指導小組協作學習及答疑解惑為主所替代，針對課前自學知識遇到的問題，幫助學生更好掌握。最后，在翻轉課堂中，學生由填鴨式被動接受知識轉變成主動學習者、研究者，提高了學習能動性。
3 自動控制原理課程實驗教學存在的問題
長期以來，實驗課程幾乎是理論教學的知識驗證，盡管學生動手做了一些實驗，卻無法站在系統的高度掌握所學知識，更談不上綜合設計，靈活應用到實踐中。又由于有限實驗學時，實驗課就成了教師的講解為主，學生機械地完成硬件連接、記錄結果，對出現的與理論的差異及如何分析出現的原因卻很少進行探討，更談不上完成創新設計來激發興趣，就無法有效地培養解決實際問題的能力。
現有的大部分實驗教學儀器還處于傳統模擬實驗類型，實驗箱是高度集成封閉的，通過導線連接不同的實驗模塊構成典型環節或系統，在典型激勵信號作用下，通過示波器或計算機觀察系統響應。這種實驗方法存在明顯不足：1）實驗儀器箱集成度高，學生實驗就成了連接導線，無法知道模塊功能如何實現，對實驗呈現出盲目性；2）理論學習和實驗動手操作相互分離，實驗不能用于固理論知識，理論也無法指導實踐；3）由于元器件的非理想特性，當實驗結果與理論值差異較大時，缺乏分析、討論出現問題原因的環節。
4 基于MATLAB GUI實驗平臺的翻轉實驗教學改革
基于MATLAB GUI的翻轉課堂教學模式構建 2011年美國學者杰姬?格斯丁（Jackie Gerstein）將課堂劃分為由體驗學習階段、概念探究階段、意義建構階段以及展示應用階段組成的翻轉課堂教學模型[5]。在此基礎上，美國的Robert Talbert教授在多年實踐研究后提出翻轉課堂結構圖。我國南京大學的曾貞等，江蘇科技大學的張其亮等，也結合自己的教學實踐，創建了翻轉課堂教學框架[6]。借鑒眾多學者的觀點，結合自動控制原理實驗課程教學需求以及學生的特征，構建圖1所示翻轉課堂教學模型圖。
基于MATLAB GUI翻轉課堂的實施 基于教學模式結構圖，設計基于MATLAB GUI的自動控制原理翻轉實驗教學流程。選取大三學生作為實驗對象，他們已有電路、物理、模擬電子技術、高數等基礎課程的儲備，有一定的動手實踐和自主學習能力；在自由組合的基礎上每組4人。為實現實驗教學的翻轉，給學生的教學資源包括實驗指導書、講授PPT、講解視頻、相關實驗文獻資料和自制MATLAB GUI軟件。采用MATLAB GUI軟件編寫的虛擬實驗平臺軟件主界面如圖2所示。
實驗內容有典型環節響應特性、控制系統穩定性分析、系統頻率特性、連續系統校正、數字PID控制、采樣實驗。同時，將采用MATLAB GUI軟件編寫的該課程實驗的虛擬軟件的原始文件也發放給學生，讓學生在課前能夠在學習實驗指導書的基礎上，在計算機上模擬完成實驗，直觀地獲得變換控制參數對實驗結果的影響，這也是該實驗翻轉教學區別于理論課程的地方。這樣學生就能夠在課前將實驗指導書給定的實驗任務有所練習和對實驗提前掌握。因此，基于MATLAB GUI仿真軟件的實驗教學可以保證翻轉教學的有效開展。
整個翻轉課堂按課下和課上的組織形式開展。
1）課下。實驗教學的目標就是要使學生加深對理論課程的理解，掌握實際電路或機械結構與理論之間存在的內在聯系和差異之處。教師課下完成教學活動設計、教學資源的，收集整理學生遇到的問題，在線答疑。教學活動設計完成分配學習任務、劃分學習小組、實驗組織形式、制定評分標準等。的教學資源包括實驗任務書、MATLAB GUI仿真軟件、微視頻教程、參考書籍、相關的專題學習網站等類型的素材。為適合不同基礎的學生學習，將資源分為基礎資源和擴展資源兩個等級。其中，MATLAB GUI仿真軟件和實驗演示微視頻的制作是資源準備中的核心內容，特別指出理論實驗和實際實驗中結果會出現的差異。為每個實驗項目的教學目標準備1～2個微視頻，每一個微視頻只介紹一個實驗，時間在8分鐘以內。
將視頻和其他電子資源上傳到QQ文件夾和百度云，方便學生下載觀看。同時，通過QQ和微信等網絡通信工具完成在線答疑與指導。學生可以將自己在學習中遇到的問題出來，與教師和同學在線交流。教師統計學生在線提出的問題，及時掌握學生的學習情況，便可以在課堂上有針對性地指導學生學習。為了增加學生自學的興趣和參與度，根據學生提出問題、解答問題、在線參與度和解決問題質量給出平時成績，通過解決他人問題獲得個人成就感。這種方式最大的好處就是實現了個性化學習，學生可以根據自己的情況選擇資源和學習時間。
2）課上。由于課下已完成實驗相關內容的自主學習，對實驗目標、操作步驟、注意事項有所掌握，課上花上幾分鐘針對課下大多數學生遇到的問題進行講解。實驗課上不再對實驗過程等進行講解，為動手實驗留出更多的時間。課上實驗分為三個階段。
①合作探究階段。按分組開展硬件實驗，學生可以充分利用這段時間動手實踐，和同組伙伴討論實驗中遇到的問題。并可將實際硬件實驗結果和MATLAB GUI仿真軟件結果進行對比，驗證實驗內容是否正確，同時可以找出理論結果與實際結果之間的差異，分析造成差異的原因。更重要的是可以在MATLAB GUI仿真軟件上創造性地設計出實驗參數并進行仿真，在硬件上進行驗證。這樣就可以避免學生實驗課上對實驗內容、操作步驟、實驗結果的盲目性，同時能直觀地觀測到不同輸入和輸出的關系，原有系統和校正系統特性的不同也能給學生創造性設計提供檢驗手段。
②個性化指導階段。針對每一個小組在合作動手實踐階段都會遇到不同的問題進行個性化指導，為每個小組解答疑惑，實現對不同問題的詳細解答。同時，將遇到的問題和需要注意的地方與其他小組進行組間的交流和分享。
③總結反饋評價階段。總結各個小組出現的主要問題，對實驗中的知識要點進行系統化梳理，加深對實驗內容的掌握。最后，對學生的實驗進行評價，采用自評、小組成員互評、整體實驗結果、組間互評等多元化形式。同時，引導學生積極探索以及交流協作精神的培養，潛移默化中提高學生自學能力和解決問題的能力。
5 翻轉課堂實驗教學效果分析
本次運用對照方式完成翻轉課堂實驗改革效果的研究。實驗對象為四個班級的大三學生。首先，調查問卷結果顯示實驗班和對照班學生基礎相當。其次，實驗1、2班各有學生48人，對照班1有學生47人，對照班2有學生46人，人數相當，因此，符合對照實驗的條件。對照班采用傳統的“教師課上講解演示+學生動手實驗”的方式進行，實驗組班級采用本文論述的翻轉課堂教學模式進行教學，在8學時的實驗后，對學生進行操作技能和理論測試，同時對實驗班的學生進行問卷調查。
將四個班的測試成績劃為五個分數段，即90～100分、80～89分、70～79分、60～69分、60分以下，成績分布統計圖如圖3所示。由圖3可見，在80～100分這兩個成績段的比例，實驗班明顯高于對照班，實驗班1和2占比58.33%和54.17%，對照班1和2占比36.17%和30.43%；而在69分以下兩個成績段的比例，實驗班明顯低于對照班，實驗班1和2占比14.58%和16.67%，對照班1和2占比25.53%和26.09%。通過分析可知，采用翻轉教學的實驗班成績有了明顯進步。
通過實驗班的問卷調查發現，89.53%的學生認為該教學模式很好地調動了學習的積極性，同學和教師的交流增多了，促進了自己的學習。同時也存在一些不足，主要是學生對MATLAB GUI中系統函數輸入不夠熟悉，課上小組匯報活動時間太短。
6 總結
自動控制原理是一門理論性較強的專業課，其實驗教學是加深對理論理解、增強動手能力的有效途徑。基于MATLAB GUI的翻轉實驗教學改革使學生在課前就能夠模擬完成實驗內容，得到理論實驗結果，使課上實驗變得有的放矢。同時，通過翻轉模式提高了學生自我學習能力、團隊意識，延長了實驗課上動手時間，對理論和實踐有了更深入的理解和掌握。實踐表明，通過基于MATLAB GUI的翻轉教學，學生動手能力和理論成績都有明顯提高。
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