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摘 要： 提出了“MATLAB与系统仿真”课程中采用基于任务驱动的多向融合教学法的课堂教学改革方案。为突破现有课堂教学方法的局限，方案从教学方式、第二课堂、多学科关联知识应用等多方面，坚持以任务驱动形式促进其多向融合。实践表明，所提改革方案可显著激发学生的自主学习、勇于探索意识和团队精神，培养学生交叉学科知识的融合应用能力，有效提升学生动手实践能力。
关键词：任务驱动；多向融合；MATLAB
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）01-0082-03
Abstract： Abstract： The paper puts forward a reform scheme of multi-directional integration teaching method based on task-driven approach in the course of "MATLAB and System Simulation". In order to break through the limitations of the existing in-class teaching methods， the scheme insists on promoting multidirectional integration in task-driven forms from the aspects of teaching methods， the second class， and the application of multidisciplinary knowledge and so on. Practice shows that the proposed reform scheme can not only significantly stimulate students' autonomous learning， exploring consciousness and team spirit， but also cultivate students' integration and application ability of interdisciplinary knowledge as well as enhance their practice ability effectively.
Keywords： task-driven； multi-directional integration； MATLAB
電气信息大类课程体系中，复杂计算、控制类、信息处理类、智能计算类、电气工程类等课程的教学过程以及学生课程设计、课外科研和毕业设计环节中，均需要大量建模、计算、绘图、仿真、分析和设计等过程。MATLAB软件平台具有函数集成度高、语言简洁、编程效率高、交互性好、使用方便、可视化能力强、拥有众多领域工具箱等特点，被广泛应用各课程学习中进行复杂数值计算、编程建模，以及可视化、系统动态仿真和性能分析等。可以说，对于理工科学生而言，熟练应用MATLAB语言和仿真平台来解决实际问题，是提高其理论联系实际能力、自我创新能力的重要技能。
但由于该课程综合性很强、知识点涉及的应用领域驳杂，涵盖内容几乎遍及信息类学生的重要课程，既抽象又难懂，许多学生大二开始学习但直到毕业设计时仍不能较好掌握和应用。经过长期的思考和调研，笔者认为造成该现象的主要原因在于传统的以知识点简单教授为主的教学方法无法真正激发学生的学习积极性、主动性和求知欲，如何针对该课程特点，进行教学内容、课程资源、考核方式、教学组织形式等多方位、一体化的改革，具有重大的意义，且迫在眉睫。
本文提出一种基于任务驱动的多向融合课堂教学改革方案，核心目的在于基于任务驱动形式，通过教学方式、课堂组织、关联知识应用等各方面的多向融合，大大提高该课程的教学效果，激发学生的求知欲和成就感，引导学生进行自主性、研究性、开放性、合作性的学习，培养其勇于探索实践和团结协作精神，以及理论实践结合和知识融合应用能力。
一、基于任务驱动的多向融合教学法
（一）任务驱动教学法
任务驱动教学法是一种主动探究型教学模式，它将“以传授知识为主”的传统教学理念，转变为“以解决问题、完成任务为主”的互动式的教学理念，将再现式教学转变为更积极的探究式学习，能主动运用学习的知识和经验提出方案、解决问题。其特点是以学生为中心，以任务为驱动，围绕任务展开学习，以任务的完成结果检验和总结学习过程，促使学生主动建构自主思考、探究实践的学习体系[1，2]。
（二）多向融合教学法
多向融合教学法是一种意图从“内容、模式、手段、途径、评价”等多维度方向进行课程教学方法的综合改革思路。其根本目标是培养学生多学科知识融合应用、创新实践和问题解决能力[3，4]。
（三）基于任务驱动的多向融合教学法
“MATLAB与系统仿真”课程具有很强的独特性。一方面，应用软件类课程更需要学生自身的实践操作和问题解决能力；另一方面，课程学习的任务是掌握此工具软件并用以解决各类专业问题，需要与本学科多方向其他课程知识深入融合。因此，任务驱动教学法和多向融合教学法均非常适用于该课程教学。基于任务驱动的多向融合教学法，是将上述两种方法核心理念进行有机结合。
基于任务驱动的多向融合教学法的核心流程如图1所示。其改革的关键是：在基于任务驱动的多向融合教学法思想指导下，紧密结合课程各章节要求掌握的识点，充分融合学科关联交叉理论知识，合理设置系列对应的技术课题任务，并以此任务驱动为抓手，优化课堂组织形式，充分调动学生主动学生和探索实践欲望，充分利用“第二课堂”，并配套合理、公正的过程性评价机制[5]。 二、教学改革的关键环节设计
（一）任务驱动式和认识式教学方式的融合
教学方法的采用和教学方案的设计必须为教学目标和教学内容服务。针对本课程的核心教学目标主要为使学生掌握MATLAB/Simulink这一计算机仿真平台及其在电气工程中的应用方法，需要对课程的课堂组织形式进行大力革新：弱化教师传统课堂理论授课的比例，突出强化以学生为主体的、基于多向融合任务驱动式的实践授课的重要性。
如表1所示，针对电气工程及其自动化专业“MATLAB与系统仿真”课程的各章节教学内容，融合本专业相关交叉学科知识，可以合理设置一系列技术课题任务要求学生结合第二课堂完成，以任务驱动形式培养学生自主学习、知识融合和实践应用能力。学生按照分组形式，按要求进行课程相关内容学习、课外文献查阅、课题任务讨论、方案论证、编程仿真实践，并集中安排进行课题答辩提问环节。
表1中，这些为实施本课程任务驱动多向融合教学方法设计的技术课题，旨在改变传统“被动听课+简单作业”的学习方法，要求学生主动性地融合应用课程所学内容，有目的性、针对性地去解决一些相应的与电气工程相关的课题任务。一方面，通过实际问题解决的任务可以有效激励提升学生对本课程学习的兴趣，另一方面可以提高学生真正知识的综合掌握、灵活应用能力。
（二）基于任务驱动的第一课堂和第二课堂融合
“第一课堂”主要是指的课堂教学，是指依据教材及教学大纲，在规定的教学时间里进行的课堂教学活动。“第二课堂”是指在第一课堂外的时间进行的与第一课堂相关的教学活动，其教学内容源于教材又不限于教材，其形式生动灵活、丰富多彩，其学习空间范围广大。作为一门专业选修课程，“MATLAB与系统仿真”课程的教学过程中，以教师“教”为主的课堂教学课时非常有限，也很难开展深入、有效的实践能力培养。而由于本课程学习主要工具为个人计算机以及MALTALB软件包，开展基于任务驱动的第二课堂教学具有很好的可行性。
融合第一课堂和第二课堂实施的任务驱动式教学方法，需要围绕表1所示设置的系列技术课题任务，充分调动学生学习的主观能动性，以“第一课堂”所学知识为基础，以小组团队的形式，利用课外时间完成“第二课堂”的课题任务。在此过程中，作为主体双方的学生方和教师方的任务分别是：1. 学生方需根据课题任务要求，以小组团队的形式，合作完成相关文献查阅、原理研究、MATLAB程序或者Simulink仿真模型设计、应用案例分析等工作，并进一步制作相应的PPT文本，课内集中进行答辩报告；2. 教师方需在熟悉课程知识点要求和学生相关专业知识学情了解的前提下，合理设置对应的技术课题，在学生进行课题任务的过程中给与适当交流指导，学生完成课题任务后课题内集中组织答辩讨论，答辩后根据课题完成质量和小组答辩质量进行综合评估打分。
（三）基于任务驱动的多学科知识应用融合
在设置表1所示各章节的任务驱动式的技术课题中，可将本课程包含的MATLAB/Simulink编程、建模仿真等知识，与本专业紧密关联的数字信号处理、自动控制理论、电机学、电气工程基础、电力系统分析、电力电子技术、新能源发电系统等相关课程知识有机融合，实现专业复杂工程课题的问题分析、模型构建、设计调试和解决，实现基于任务驱动的多学科交叉知识融合应用。
以表1中的技术课题案例——“根轨迹方法在电力系统稳定控制中的应用”为例分析，其涉及的交叉学科知识如图2所示。其中，专业理论上，该技术课题需要掌握电力系统自动装置以及自动控制理论学科知识，构建电力系统稳定器（PSS）的控制数学模型；在仿真应用上，需要利用Simulink可视化仿真平台，结合SimPowerSystem工具箱和Control System工具箱，构建含“PSS”电力系统的仿真模型，并进行该电力系统中是否含有PSS，以及PSS中反馈环节参数对电力系统稳定性影响分析，最后基于MATLAB画图功能，将该问题分析解决中涉及关键步骤、重要特性结果以图形方式显示。
三、基于任务驱动的多向融合教学法的案例实施
（一）案例1：FFT算法编程实现及其应用
以表1中课题“FFT算法编程实现及其应用”为例，进行基于任务驱动的技术课题任务说明：1. 研究FFT算法——对应于“MATLAB在数字信号处理中应用”知识点；2. FFT算法编程实现——对应于“MATLAB程序设计”知识点；3.算法功能图形展示——对应于“MATLAB图形绘制”知识点；4.FFT算法在电力信号谐波分析中的应用——对应于本课程MATLAB编程知识与电力系统方向学科知识的融合应用。图3为学生根据该任务编写的FFT程序对应的图形输出。
（二）案例2：电力负荷预测算法的仿真实现
以表1中课题“电力负荷预测算法的仿真实现”为例，进行基于任务驱动的技术课题任务说明：1. 常用负荷预测人工智能算法原理及其FFT算法编程实现——对应于“MATLAB的人工智能程序设计”知识点；2. 神经网络算法及支持向量机算法在电力负荷预测应用中的仿真实现——对应于本课程MATLAB编程仿真知识与电力系统方向学科知识的融合应用；3.算法功能图形展示——对应于“MATLAB图形绘制”知识点。图4为学生采用支持向量机方法实现负荷预测的预测效果及误差分析的图形输出。
四、结束语
“MATLAB与系统仿真” 是电气信息大类各专业一门仿真工具课程，可以很好地包容多学科知识交叉应用，对学生理论结合实践、创新实践的思维和能力培养非常重要。本文首先提出基于任务驱动的多向融合教学法的概念和意义，然后从任务驱动式和认识式教学方式的融合、基于任务驱动的第一课堂和第二课堂融合、基于任务驱动的多学科知识应用融合三个方面详细阐述了基于任务驱动的多向融合教学法在该课程课堂教學改革中的实施思路，并进行了典型教学案例设计、实施及应用情况介绍。改革实践证明：该方法对学生学习该课程具有显著的提升效果，不仅可以更好地掌握MATLAB本身知识掌握和应用能力，更可增强学生对专业关联学科知识的交叉融合应用能力、创新实践和问题解决能力。
参考文献：
[1]李秀滢，王建新，彭静.Matlab教学中任务驱动式教学法的应用[J].电气电子教学学报，2010，32（2）：104-106.
[2]林海涛.任务驱动教学法在《Matlab程序设计语言》教学中的实践[J].开封教育学院学报，2014，34（1）：80-81.
[3]吴元亮，徐勇，关宇，等.多向融合探究式教学法及其在“通信电子电路”中的应用初探[J].工业和信息化教育，2015，01：13-17，68.
[4]翁国庆，黄飞腾，谢路耀，等.“电力系统自动化”课程多向融合探究式教学电气电子教学学报，2017，39（1）：79-82+134.
[5]翁国庆，黄飞腾，南余荣，等.新兴特色专业科研反哺教学多向融合机制探析[J].电气电子教学学报，2017，39（6）：23-26.
关键词：任务驱动；多向融合；MATLAB
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）01-0082-03
Abstract： Abstract： The paper puts forward a reform scheme of multi-directional integration teaching method based on task-driven approach in the course of "MATLAB and System Simulation". In order to break through the limitations of the existing in-class teaching methods， the scheme insists on promoting multidirectional integration in task-driven forms from the aspects of teaching methods， the second class， and the application of multidisciplinary knowledge and so on. Practice shows that the proposed reform scheme can not only significantly stimulate students' autonomous learning， exploring consciousness and team spirit， but also cultivate students' integration and application ability of interdisciplinary knowledge as well as enhance their practice ability effectively.
Keywords： task-driven； multi-directional integration； MATLAB
電气信息大类课程体系中，复杂计算、控制类、信息处理类、智能计算类、电气工程类等课程的教学过程以及学生课程设计、课外科研和毕业设计环节中，均需要大量建模、计算、绘图、仿真、分析和设计等过程。MATLAB软件平台具有函数集成度高、语言简洁、编程效率高、交互性好、使用方便、可视化能力强、拥有众多领域工具箱等特点，被广泛应用各课程学习中进行复杂数值计算、编程建模，以及可视化、系统动态仿真和性能分析等。可以说，对于理工科学生而言，熟练应用MATLAB语言和仿真平台来解决实际问题，是提高其理论联系实际能力、自我创新能力的重要技能。
但由于该课程综合性很强、知识点涉及的应用领域驳杂，涵盖内容几乎遍及信息类学生的重要课程，既抽象又难懂，许多学生大二开始学习但直到毕业设计时仍不能较好掌握和应用。经过长期的思考和调研，笔者认为造成该现象的主要原因在于传统的以知识点简单教授为主的教学方法无法真正激发学生的学习积极性、主动性和求知欲，如何针对该课程特点，进行教学内容、课程资源、考核方式、教学组织形式等多方位、一体化的改革，具有重大的意义，且迫在眉睫。
本文提出一种基于任务驱动的多向融合课堂教学改革方案，核心目的在于基于任务驱动形式，通过教学方式、课堂组织、关联知识应用等各方面的多向融合，大大提高该课程的教学效果，激发学生的求知欲和成就感，引导学生进行自主性、研究性、开放性、合作性的学习，培养其勇于探索实践和团结协作精神，以及理论实践结合和知识融合应用能力。
一、基于任务驱动的多向融合教学法
（一）任务驱动教学法
任务驱动教学法是一种主动探究型教学模式，它将“以传授知识为主”的传统教学理念，转变为“以解决问题、完成任务为主”的互动式的教学理念，将再现式教学转变为更积极的探究式学习，能主动运用学习的知识和经验提出方案、解决问题。其特点是以学生为中心，以任务为驱动，围绕任务展开学习，以任务的完成结果检验和总结学习过程，促使学生主动建构自主思考、探究实践的学习体系[1，2]。
（二）多向融合教学法
多向融合教学法是一种意图从“内容、模式、手段、途径、评价”等多维度方向进行课程教学方法的综合改革思路。其根本目标是培养学生多学科知识融合应用、创新实践和问题解决能力[3，4]。
（三）基于任务驱动的多向融合教学法
“MATLAB与系统仿真”课程具有很强的独特性。一方面，应用软件类课程更需要学生自身的实践操作和问题解决能力；另一方面，课程学习的任务是掌握此工具软件并用以解决各类专业问题，需要与本学科多方向其他课程知识深入融合。因此，任务驱动教学法和多向融合教学法均非常适用于该课程教学。基于任务驱动的多向融合教学法，是将上述两种方法核心理念进行有机结合。
基于任务驱动的多向融合教学法的核心流程如图1所示。其改革的关键是：在基于任务驱动的多向融合教学法思想指导下，紧密结合课程各章节要求掌握的识点，充分融合学科关联交叉理论知识，合理设置系列对应的技术课题任务，并以此任务驱动为抓手，优化课堂组织形式，充分调动学生主动学生和探索实践欲望，充分利用“第二课堂”，并配套合理、公正的过程性评价机制[5]。 二、教学改革的关键环节设计
（一）任务驱动式和认识式教学方式的融合
教学方法的采用和教学方案的设计必须为教学目标和教学内容服务。针对本课程的核心教学目标主要为使学生掌握MATLAB/Simulink这一计算机仿真平台及其在电气工程中的应用方法，需要对课程的课堂组织形式进行大力革新：弱化教师传统课堂理论授课的比例，突出强化以学生为主体的、基于多向融合任务驱动式的实践授课的重要性。
如表1所示，针对电气工程及其自动化专业“MATLAB与系统仿真”课程的各章节教学内容，融合本专业相关交叉学科知识，可以合理设置一系列技术课题任务要求学生结合第二课堂完成，以任务驱动形式培养学生自主学习、知识融合和实践应用能力。学生按照分组形式，按要求进行课程相关内容学习、课外文献查阅、课题任务讨论、方案论证、编程仿真实践，并集中安排进行课题答辩提问环节。
表1中，这些为实施本课程任务驱动多向融合教学方法设计的技术课题，旨在改变传统“被动听课+简单作业”的学习方法，要求学生主动性地融合应用课程所学内容，有目的性、针对性地去解决一些相应的与电气工程相关的课题任务。一方面，通过实际问题解决的任务可以有效激励提升学生对本课程学习的兴趣，另一方面可以提高学生真正知识的综合掌握、灵活应用能力。
（二）基于任务驱动的第一课堂和第二课堂融合
“第一课堂”主要是指的课堂教学，是指依据教材及教学大纲，在规定的教学时间里进行的课堂教学活动。“第二课堂”是指在第一课堂外的时间进行的与第一课堂相关的教学活动，其教学内容源于教材又不限于教材，其形式生动灵活、丰富多彩，其学习空间范围广大。作为一门专业选修课程，“MATLAB与系统仿真”课程的教学过程中，以教师“教”为主的课堂教学课时非常有限，也很难开展深入、有效的实践能力培养。而由于本课程学习主要工具为个人计算机以及MALTALB软件包，开展基于任务驱动的第二课堂教学具有很好的可行性。
融合第一课堂和第二课堂实施的任务驱动式教学方法，需要围绕表1所示设置的系列技术课题任务，充分调动学生学习的主观能动性，以“第一课堂”所学知识为基础，以小组团队的形式，利用课外时间完成“第二课堂”的课题任务。在此过程中，作为主体双方的学生方和教师方的任务分别是：1. 学生方需根据课题任务要求，以小组团队的形式，合作完成相关文献查阅、原理研究、MATLAB程序或者Simulink仿真模型设计、应用案例分析等工作，并进一步制作相应的PPT文本，课内集中进行答辩报告；2. 教师方需在熟悉课程知识点要求和学生相关专业知识学情了解的前提下，合理设置对应的技术课题，在学生进行课题任务的过程中给与适当交流指导，学生完成课题任务后课题内集中组织答辩讨论，答辩后根据课题完成质量和小组答辩质量进行综合评估打分。
（三）基于任务驱动的多学科知识应用融合
在设置表1所示各章节的任务驱动式的技术课题中，可将本课程包含的MATLAB/Simulink编程、建模仿真等知识，与本专业紧密关联的数字信号处理、自动控制理论、电机学、电气工程基础、电力系统分析、电力电子技术、新能源发电系统等相关课程知识有机融合，实现专业复杂工程课题的问题分析、模型构建、设计调试和解决，实现基于任务驱动的多学科交叉知识融合应用。
以表1中的技术课题案例——“根轨迹方法在电力系统稳定控制中的应用”为例分析，其涉及的交叉学科知识如图2所示。其中，专业理论上，该技术课题需要掌握电力系统自动装置以及自动控制理论学科知识，构建电力系统稳定器（PSS）的控制数学模型；在仿真应用上，需要利用Simulink可视化仿真平台，结合SimPowerSystem工具箱和Control System工具箱，构建含“PSS”电力系统的仿真模型，并进行该电力系统中是否含有PSS，以及PSS中反馈环节参数对电力系统稳定性影响分析，最后基于MATLAB画图功能，将该问题分析解决中涉及关键步骤、重要特性结果以图形方式显示。
三、基于任务驱动的多向融合教学法的案例实施
（一）案例1：FFT算法编程实现及其应用
以表1中课题“FFT算法编程实现及其应用”为例，进行基于任务驱动的技术课题任务说明：1. 研究FFT算法——对应于“MATLAB在数字信号处理中应用”知识点；2. FFT算法编程实现——对应于“MATLAB程序设计”知识点；3.算法功能图形展示——对应于“MATLAB图形绘制”知识点；4.FFT算法在电力信号谐波分析中的应用——对应于本课程MATLAB编程知识与电力系统方向学科知识的融合应用。图3为学生根据该任务编写的FFT程序对应的图形输出。
（二）案例2：电力负荷预测算法的仿真实现
以表1中课题“电力负荷预测算法的仿真实现”为例，进行基于任务驱动的技术课题任务说明：1. 常用负荷预测人工智能算法原理及其FFT算法编程实现——对应于“MATLAB的人工智能程序设计”知识点；2. 神经网络算法及支持向量机算法在电力负荷预测应用中的仿真实现——对应于本课程MATLAB编程仿真知识与电力系统方向学科知识的融合应用；3.算法功能图形展示——对应于“MATLAB图形绘制”知识点。图4为学生采用支持向量机方法实现负荷预测的预测效果及误差分析的图形输出。
四、结束语
“MATLAB与系统仿真” 是电气信息大类各专业一门仿真工具课程，可以很好地包容多学科知识交叉应用，对学生理论结合实践、创新实践的思维和能力培养非常重要。本文首先提出基于任务驱动的多向融合教学法的概念和意义，然后从任务驱动式和认识式教学方式的融合、基于任务驱动的第一课堂和第二课堂融合、基于任务驱动的多学科知识应用融合三个方面详细阐述了基于任务驱动的多向融合教学法在该课程课堂教學改革中的实施思路，并进行了典型教学案例设计、实施及应用情况介绍。改革实践证明：该方法对学生学习该课程具有显著的提升效果，不仅可以更好地掌握MATLAB本身知识掌握和应用能力，更可增强学生对专业关联学科知识的交叉融合应用能力、创新实践和问题解决能力。
参考文献：
[1]李秀滢，王建新，彭静.Matlab教学中任务驱动式教学法的应用[J].电气电子教学学报，2010，32（2）：104-106.
[2]林海涛.任务驱动教学法在《Matlab程序设计语言》教学中的实践[J].开封教育学院学报，2014，34（1）：80-81.
[3]吴元亮，徐勇，关宇，等.多向融合探究式教学法及其在“通信电子电路”中的应用初探[J].工业和信息化教育，2015，01：13-17，68.
[4]翁国庆，黄飞腾，谢路耀，等.“电力系统自动化”课程多向融合探究式教学电气电子教学学报，2017，39（1）：79-82+134.
[5]翁国庆，黄飞腾，南余荣，等.新兴特色专业科研反哺教学多向融合机制探析[J].电气电子教学学报，2017，39（6）：23-26.