【正文】 發(fā)展 從 20世紀 70 年代中期起，計算機真正開始對教育直接發(fā)生巨大影響，計算機技術(shù)開始與教育相結(jié)合：計算機輔助教學(xué) (CAI)、計算機輔助學(xué)習(xí) (CAL)、計算機管理教學(xué) (CMI)、計算機輔助教育管理 (CAEM)、教育信息處理、教育信息數(shù)據(jù)庫、計算機教育、教學(xué)咨詢等計算機在教育中的各種應(yīng)用蓬勃發(fā)展。在計算機的這些應(yīng)用之中，又以計算機輔助教學(xué)在教育中的涉及面最廣，影響也最大，而且發(fā)展也最為成熟。它的興起和發(fā)展，已經(jīng)給傳統(tǒng)的教育思想、教育理論、教育方法、教育技術(shù)和教師的職能與素質(zhì)帶來了新的變革與發(fā)展。 計算機輔助教學(xué)簡稱 CAI，是英文 Computer Assisted Instruction 的縮寫。它的研究與應(yīng)用始于 1958 年，并得到迅速的發(fā)展且對教學(xué)改革產(chǎn)生了深刻的影響，而它自身也已發(fā)展成為有著廣闊應(yīng)用前景的新興學(xué)科。是利用計算機作為主要的教學(xué)媒體來進行教學(xué)活動。也就是指教師將電腦作為教學(xué)媒體，為學(xué)生提供一個學(xué)習(xí)的環(huán)境，學(xué)生通過與計算機的交互對話進行學(xué)習(xí)的一種教學(xué)形式，即我們平時所說的多媒體輔助教學(xué)。 CAI 的興起有著它的社會基礎(chǔ)、物質(zhì)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。如何把握 CAI 的本質(zhì)及其發(fā)展的脈絡(luò)，這就要求我們通過 CAI 中應(yīng)用的學(xué)習(xí)（或教學(xué)）理論和計算機技術(shù)以及社會的需求，去觀察和分析 CAI 的發(fā)展。 根據(jù) CAI 軟件所運用的學(xué)習(xí)理論和使用的計算機技術(shù)，可以把 CAI 的發(fā)展分為三個階段。 第一階段是從 20 世紀 50 年代到 70 年代這二十多年時間，在學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用上，多數(shù)CAI 軟件采用行為主義學(xué)習(xí)理論。 1979 年，加涅和布里格思根據(jù)行為主義學(xué)習(xí)理論提出了對 CAI 設(shè)計有重要指導(dǎo)作用的教學(xué)設(shè)計原則，這就是：①接近（ Contiguity)原則，即反應(yīng)必須在刺激立即出現(xiàn)；②重復(fù) (Repetition)原則，重復(fù)練習(xí)能加強學(xué)習(xí)和促進記憶；③反饋與強化 (Feedback and reinforcement)原則，與反應(yīng)正確性有關(guān)的信息可以促進學(xué)習(xí)；④提示及其衰減 (Prompting and fading)原則，在逐步減少提示的情況下，朝著期望的反應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，從而完成學(xué)習(xí)。在這些理論原則的指導(dǎo)下，這一時期開發(fā)的大量的 CAI課件多數(shù)是操練和個別指導(dǎo)型的，強調(diào)通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握一定的知識。在這一階段，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 2 計算機技術(shù)的使用，突出表現(xiàn)在人 機交互方式上，主要是通過文字和簡單的圖形，因此，大多數(shù) CAI 軟件缺乏對學(xué) 習(xí)者的吸引力。 第二階段是 20 世紀 80年代的十年。在這期間無論是 CAI 的發(fā)展規(guī)模，還是應(yīng)用水平都有顯著地提高。認知理論成為指導(dǎo) CAI發(fā)展的重要的理論基礎(chǔ)。認知學(xué)習(xí)理論認為世界是由客觀實體、其特征以及客觀事物之間的關(guān)系所構(gòu)成，在學(xué)習(xí)上他們強調(diào)學(xué)習(xí)者內(nèi)部的認知過程。認為教學(xué)的目標在于幫助學(xué)習(xí)者習(xí)得事物及其特性，使外界客觀事物 (知識及其結(jié)構(gòu) )內(nèi)化為其內(nèi)部的認知結(jié)構(gòu)。根據(jù)認知學(xué)習(xí)理論，學(xué)習(xí)的各個內(nèi)部過程分別是接受、期待、提取信息到短時記憶、選擇性知覺、語義編碼、反應(yīng)、強化、激發(fā)信息的保持、形成概念。 1981 年加涅、 維格和羅杰斯等人指出，學(xué)習(xí)的內(nèi)部過程與學(xué)習(xí)周期的幾個階段是一致的，若能將 CAI 提供的學(xué)習(xí)活動（人 機交互過程）與學(xué)習(xí)的內(nèi)部過程相一致，會明顯地增加 CAI 的有效性。為此，人們建立了與學(xué)習(xí)內(nèi)部過程相一致的相應(yīng)的 CAI 活動序列。 據(jù)此人們在設(shè)計和開發(fā) CAI 軟件時，經(jīng)常會在 CAI 課件的開始，利用能體現(xiàn)課件內(nèi)容且具有強烈感染力的圖形序列（或圖象），以喚起學(xué)生的注意。并在學(xué)習(xí)開始時，告訴學(xué)生目標，從而激起學(xué)生對學(xué)習(xí)的期望。接下來會通過測試，刺激學(xué)生回憶以前的學(xué)習(xí)，以便把已有的與將要學(xué)習(xí)的新的知識結(jié)合起來。然后，向?qū)W 生呈現(xiàn)刺激材料，即呈現(xiàn)教學(xué)信息并不斷地提供學(xué)習(xí)指導(dǎo)，以促進語義編碼的內(nèi)部過程。為了檢驗學(xué)生對新知識的理解程度，經(jīng)常提供足夠多的練習(xí)，要求學(xué)生“做一下”，以表明他們已經(jīng)理解“怎么做”，讓學(xué)生“參與”學(xué)習(xí)，并形成新的刺激，誘發(fā)學(xué)生的行為。在學(xué)生作出反應(yīng)、表現(xiàn)出行為之后，及時地讓學(xué)生知道其反應(yīng)的正確性及正確程度，即向?qū)W生提供反饋信息。為了促進進一步的回憶并鞏固學(xué)習(xí)結(jié)果，不少 CAI 軟件都具有測試功能，以評定學(xué)生的行為，使成功的意義建構(gòu)加以強化。許多優(yōu)秀的 CAI 軟件，還利用多媒體技術(shù)和多種手段，提供有利于學(xué)習(xí)遷移的實 例和情境，讓學(xué)生去求解、去探索，這不僅有利于學(xué)習(xí)的遷移，對于發(fā)展學(xué)生的認知策略也是不可缺少的。 在這一時期，計算機技術(shù)得到了迅速發(fā)展，特別是多媒體技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使 CAI產(chǎn)生了巨大變化。在人 機交互方式上更加多樣化，通過圖、文、聲、視頻圖象等多種形式表達教學(xué)信息；在信息組織方式上采用了超文本技術(shù)，形成超媒體系統(tǒng)，能較好地適應(yīng)學(xué)習(xí)者的聯(lián)想性思維。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 3 第三階段進入 90 年代后， CAI 的發(fā)展產(chǎn)生了新的飛躍，進入到了一個新的發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在建構(gòu)主義 (Constructivism)學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)的使用 。 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論突出了學(xué)習(xí)者的主體作用，它認為學(xué)習(xí)者是信息加工的主體，是意義的主動建構(gòu)者，而不是外部刺激的被動接受者和被灌輸?shù)膶ο蟆＝處熓且饬x建構(gòu)的促進者和幫助者；而不是知識的傳授者和灌輸者。建構(gòu)主義者根據(jù)他們對學(xué)習(xí)的理解，提出了多種教學(xué)方法，例如：①隨機通達教學(xué) (Random Access Instruction)；②拋錨式教學(xué)(Anchored Instruction)；③支架式教學(xué) (Scaffolding Instruction)等。從而為 CAI 提供了理論依據(jù)，并是計算機輔助教學(xué)得到了廣泛應(yīng)用。多 媒體和計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是Inter 網(wǎng)絡(luò)的普及，為開發(fā)能夠體現(xiàn)建構(gòu)主義理論的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了良好的條件。 目前，在我國，許多教師節(jié)開始使用計算機進行輔助教學(xué)是采用演示模式，即在班級教學(xué)中，教師講解的同時，在課堂上用計算機演示一些微觀現(xiàn)象或動態(tài)圖形，或者把抽象的東西形象化、具體化，收到了良好的效果。計算機輔助教學(xué)作為新的教育技術(shù)，在教育和教學(xué)中正發(fā)揮著越來越重要的作用。 第二節(jié) 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計的發(fā)展 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 ,國際上常用的縮寫為 CADCS，控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，是在最近二十年左右的時間里，伴隨著當(dāng)代一些新技術(shù)的發(fā)展，特別是控制技術(shù)，計算機技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能以及系統(tǒng)工程的發(fā)展而逐步發(fā)展起來。 在談到 CADCS 的發(fā)展是，首先應(yīng)提到數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展。早期的 CADCS 軟件包正是以數(shù)字仿真為基礎(chǔ)而構(gòu)成的。隨著計算機存儲容量的增大，運算速度的提高，仿真語言的出現(xiàn)，以及快速打印機、 X— Y 繪圖儀等硬件設(shè)備的發(fā)展，技術(shù)人與那不僅可以利用計算機對控制系統(tǒng)進行仿真，而且還逐漸發(fā)展除了可 用于控制系統(tǒng)設(shè)計的軟件包。 在 CADCS 的發(fā)展初期，大多采用現(xiàn)在控制理論的時域法進行系統(tǒng)的分析與設(shè)計，后來由于圖像顯示的發(fā)展及現(xiàn)在頻域法的發(fā)展，采用頻域法的 CADCS 軟件包也逐漸大量出現(xiàn)，特別是對一些線性定常數(shù)的單變量控制系統(tǒng)，采用頻域法，和具有較強的人、機信息交互更能的軟件包，更是受到一般控制系統(tǒng)設(shè)計人員的歡迎。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 4 隨著 CADCS 技術(shù)的發(fā)展，目前控制理論中一些具有實際應(yīng)用的精髓部分，基本上都可以從目前已有的 CADCS 軟件包中體現(xiàn)出來。 近年來， CADCS 技術(shù)以不僅應(yīng)用于控制器的綜合與設(shè)計，而且已逐步擴展用于 系統(tǒng)分析、仿真、辨識、建模，以及實時控制等各個方面。所處理的系統(tǒng)，也從工程技術(shù)領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向各種非工程領(lǐng)域。 近年來在 CADCS 字系統(tǒng)中，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)在 CADCS 系統(tǒng)中應(yīng)用日益增多，這對于改善計算機在整個 CADCS 系統(tǒng)中的作用，改善整個機輔設(shè)計，均有十分重要的意義。 70 年在末。我國學(xué)者積極開展了 CADCS 的工作，并在 1979 年 5月廈門的中國自動化系學(xué)會控制理論專家委員會學(xué)術(shù)會議上，做了一次學(xué)術(shù)交流。 1980 年 10月控制理論專業(yè)委員會在桂林陽朔的學(xué)術(shù)會議上提出了、的有組治進行此項工作的建議 ，得到了科學(xué)院院士、自動化學(xué)科組長楊家溪教授的高度重視。 1982 年 9 月，他在長春的技術(shù)部委擴大會議上，積極倡導(dǎo)組織力量研究中國特色的 CADCS 軟件，同年底得到中國科學(xué)院自然科學(xué)基金的資助。 1984 年初，在中國科學(xué)院系統(tǒng)研究所多次討論了 CSCAD 的設(shè)計工作，經(jīng)楊教授提議，在 CSCAD 前面在加上一個字母 C，這就是 1984 年到 1986 年完成的 CCSCAD. 第三節(jié) 課題研究背景及論文主要內(nèi)容 自動控制學(xué)科誕生于二十世紀四十年代 ,發(fā)展至今 ,自動控制理論己經(jīng)成為一門理論體系嚴密 ,用到很多很深的數(shù)學(xué)工具的學(xué)科。但 自動控制理論的教學(xué)卻一直采用傳統(tǒng)教學(xué)方式 ,在短短的課堂教學(xué)時間內(nèi) ,教師單憑板書、口授 ,很難將自動控制理論中的一些抽象概念、復(fù)雜概念講清楚。尤其是對于諸如低階、高階系統(tǒng)的動態(tài)性能 ,根軌跡的介紹 ,階躍響應(yīng)等 ,用概念、公式很難給學(xué)生一個清晰、直觀的認識。但如果由教師在課堂上畫圖演示的話 ,勢必耽誤大量寶貴的課堂教學(xué)時間 ,造成課堂教學(xué)效率偏低。而且 ,教學(xué)效果將受到教師繪圖水平等多方面因素制約 ,不利于教學(xué)質(zhì)量的提高。 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 ,在建立受控模型以后 ,需要對所建立的模型進行仿真研究 ,以驗證模型的正確性。這里主要是 對受控對象即開環(huán)系統(tǒng)進行仿真。當(dāng)控制系統(tǒng)被設(shè)計完成以后 ,山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 5 同樣需要對所設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真研究 ,以校核系統(tǒng)的性能是否滿足要求。這里是對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真研究。 熱工自動控制就是在熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中采用自動控制技術(shù) ,通過控制設(shè)備 ,使被控對象或生產(chǎn)過程 ,自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。在大型火力發(fā)電廠 ,為了使發(fā)電機組能盡快適應(yīng)電網(wǎng)負荷變化的要求 ,必須設(shè)計負荷控制系統(tǒng)。它的基本任務(wù)是 :當(dāng)電網(wǎng)負荷要求改變時 ,負荷系統(tǒng)能及時地對鍋爐和汽輪機的控制系統(tǒng)分別發(fā)出改變負荷的指令 ,使鍋爐和汽輪機協(xié)調(diào)地改變各自的輸入量 ,從而使機組 的輸出功率盡快地適應(yīng)電網(wǎng)負荷變化的需要 ,同時又使汽機前的汽壓在允許范圍內(nèi)改變。單元機組負荷控制系統(tǒng)是具有反饋、前饋和交又環(huán)節(jié)的多變量系統(tǒng) ,系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定至今仍靠現(xiàn)場的反復(fù)試湊。 針對上述存在的問題 ,我們開發(fā)了一套用于熱工控制系統(tǒng)教學(xué)演示和仿真的軟件。該軟件主要包括對電廠常用的幾種典型調(diào)節(jié)系統(tǒng)的仿真分析 (三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)、鍋爐電站主氣溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主氣溫導(dǎo)前調(diào)節(jié)方式以及燃燒自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) )。一方面可以用來在課堂上演示 ,學(xué)生通過觀看演示認識了在己知對象傳遞函數(shù)時 ,對象隨擾動量變化時的特性曲線。同時可以 了解過熱蒸汽對象的有滯后、有慣性、有自平衡能力的特性。以及鍋爐給水對象具有無自平衡能力 ,特別在蒸汽量擾動時有虛假水位現(xiàn)象存在等特點。這樣就加深了學(xué)生對書本知識的理解 ,并對現(xiàn)場測定對象特性的方法有了深入的了解。另一方面 ,采用此部分的軟件包能將負荷控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化整定和系統(tǒng)仿真融為一體 ,為設(shè)計人員進行離線的多方案比較提供了有效工具 :同時能避免現(xiàn)場的反復(fù)試湊 ,提高負荷控制系統(tǒng)的投運效率 ,縮短控制系統(tǒng)的投運時間 ,由此帶來的經(jīng)濟效益將是十分可觀的。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 6 第二章 開發(fā)環(huán)境簡介 第一節(jié) MATLAB 簡介 MATLAB 概述 1984 年正式推出的 MATLAB 語言為數(shù)學(xué)問題的計算機計算求解特別是控制系統(tǒng)的仿真和CAD發(fā)展起到了巨大的推動作用 .1980 年前后 ,時任美國 New Mexico 大學(xué)計算機科學(xué)系主任的 Cleve Moler 教授認為用當(dāng)時最先進的 EISPCK 和 LINPACK 軟件包求解線性代數(shù)問題過程過于繁瑣，所以構(gòu)想一個名為 MATLAB（ MATrix LABortory,及矩陣實驗室）的交互式計算機語言。該語言 1980 年出現(xiàn)了免費版本， 1984 年 The Mathwork 公司成立，并推出了 版 。該語言的出現(xiàn)正趕上控制界基于狀態(tài)空間理論蓬勃發(fā)展的階段，所以很快就空直接學(xué)者的關(guān)注，出現(xiàn)了用 MATLAB 語言編寫的控制系統(tǒng)工具箱，在控制界產(chǎn)生了巨大的影響，成為控制界的標準計算機語言。后來由于控制界及相關(guān)領(lǐng)域提出的各種各樣要求，MATLAB 語言得到了持續(xù)發(fā)展，使得其功能越來越強大。可以說， MATLAB 語言由計算機數(shù)學(xué)專家首創(chuàng)的，但是有控制界專家“捧紅”的新型計算機語言。目前大部分工具箱都是面向控制和相關(guān)學(xué)科的，但隨著 MATLAB 語言的不斷完善，目前也在其他領(lǐng)域開始使用。稍后出現(xiàn)的 Mathmatica 及 Maple 等語言當(dāng)前頁是應(yīng)用廣泛的計算機數(shù)學(xué)語言。此外，法國國家計算機科學(xué)與控制研究院 INRIA 開發(fā)的自由軟件 Scilab 也可以部分解決常用的數(shù)學(xué)問題，其最顯著的特色是完全免費且源代碼全部公開，但在求解數(shù)學(xué)問題的功能上尚無法和 MATLAB 等計算機語言媲美。 現(xiàn)在，隨著技術(shù)的發(fā)展， MATLAB 個功能越來越強大，它主要包括主包， Simulick 以及功能各異的各種工具箱組成，以矩陣運算為基礎(chǔ) ,吧計算 可視化 程序設(shè)計融合到了一個簡單易用的交互式工作環(huán)境中 .在這里可以實現(xiàn)工程計算、算法研究、符號運算、建模和仿真、原型開 發(fā)、數(shù)據(jù)分析及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用程序設(shè)計等等功能。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 7 第二節(jié) MATLAB 的繪圖功能 基本繪圖函數(shù) MATLAB 提