“自动控制原理”课程CDIO翻转课堂教学模式

张 园， 钟志通， 刘淑波， 初俊博

(海军大连舰艇学院 导弹系， 辽宁 大连 116018)

“自动控制原理”课程CDIO翻转课堂教学模式

张 园， 钟志通， 刘淑波， 初俊博

(海军大连舰艇学院 导弹系， 辽宁 大连 116018)

本文提出一种适合工程教育的“慕课”式教学新模式——CDIO翻转课堂教学模式，以解决提高学员创新实践能力的要求与工程技术基础课程学时有限之间的矛盾并对该教学模式的构成和方案设计进行了研究。本文对同类课程的翻转课堂教学改革具有一定的参考价值。

CDIO；翻转课堂；教学模式；创新实践能力

0 引言

CDIO(Conceive，Design，Implement，Operate)工程教育理念是近年来国际工程教育改革发展的最新成果，它是以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学员以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，是一种将实践教育与理论教育相结合的教育理念[1-3]。自2000年在全世界以MIT为首的几十所大学操作实施以来，已取得了显著成效。

“慕课”MOOC (Massive Open Online Course)是网络环境下在线学习发展的产物。“慕课”与实体课堂的结合是未来教育改革的方向，这就是翻转课堂[4-6]。即在信息化环境中，教员提供以教学视频为主要形式的学习资源，学员在上课前完成对教学视频等学习资源的观看和学习，师生在课堂上一起完成作业答疑、协作探究和互动交流等活动的一种新型的教学模式。

目前对翻转课堂教学模式的研究与应用主要集中在中小学教育，在高校尤其是自动控制类课程的研究与应用成果较少。该模式研究的滞后不利于翻转课堂教学模式在高校教学中的应用实践，本文的研究目标就是结合CDIO工程教育理念在理论与实践层面上对翻转课堂教学模式进行探索，为该教学模式的应用实践提供参考和借鉴。

1 CDIO翻转课堂教学模式构成

从面向教学实践的视角看，通常一个完整的教学模式包括理论基础、目标倾向、实现条件、操作程序以及效果评价五个构成部分。

1.1 理论基础

CDIO教学理念是在建构主义学习理论指导下的教学理念，是“做中学”原则和“基于项目的教育和学习”的集中体现。CDIO共有12项标准，涉及“背景”、“课程发展”、“设计-实施经验和工作平台”、“教学和学习方法”、“评估”等内容，是CDIO的理论基础。

翻转课堂教学模式的理论基础主要是“掌握学习”理论。该理论是 20 世纪 60 年代末期产生于美国的一种教学理论，它的代表人物是美国心理学家、教育家本杰明·布卢姆(B.S. Bloom)。“掌握学习”理论的基本思想是大多数学员(也许是 90%以上)最终都能够掌握所传授的知识，教学的任务就是要找到使学员掌握所学知识的手段。许多学员之所以没有取得良好的学习成绩，其原因不在于智力方面，而在于未能得到适合于他们不同特点所需要的教学帮助和学习时间。

1.2 目标倾向

CDIO有三个目标：一是让学员掌握深厚的知识和技术基础；二是培养学员个人的职业技能；三是让学员懂得未来研究工作的重要性和战略价值，以及自身肩负的社会责任。

传统的班级授课制的教学有两个最大的问题：一个是很难激发学员学习的主动性，另一个就是很难按照每一个学员的学习进度开展教学。翻转课堂教学模式就是为解决这两大问题发展起来的。该模式的目标就是在不改变班级授课制的前提下尽量适应学员的实际学习情况，从而把学员的学习主动性充分地发挥出来。

CDIO翻转课堂教学模式将CDIO理念和“慕课”翻转课堂模式有机结合，旨在解决新的合训专业培养方案下，提高学员创新实践能力的迫切要求与工程技术基础课程学时压缩之间的突出矛盾。

1.3 实现条件

CDIO翻转课堂教学模式的实施对教员、学员都提出了新要求，有技术层面的也有观念层面的。教员要进行“慕课”教学视频、教学项目库、远程实验教学系统、理论实践一体化教材等教学资源的建设，并通过适当的方式给班级里的每一位学员共享。技术层面要求学员具备一定的信息素养，要求教员具备较好的工程素养，一定的信息化教学能力。在观念层面要求学员有一定的元认知监控能力，要求教员能及时转变自身角色，从课堂教学活动的主导者转变为学员学习的合作者。

1.4 操作程序

CDIO翻转课堂教学模式的操作程序有四个关键环节：课前知识自主获取，课堂知识能力内化，课后知识能力固化，课余知识能力升华。各部分虽然独立设置，但相对于某一门课程，又相辅相成，有机联系，互相促进。

1.5 效果评价

只有针对预设目标的评价才是最有效的，因此检验翻转课堂教学效果的依据有三个方面：第一要看是否维持了班级授课制的教学组织形式和原有课堂教学时数；第二要看学员的学习主动性是否得到了有效的发挥；第三要看学员的创新实践能力是否得到提高。

2 CDIO翻转课堂教学模式方案设计

以“自动控制原理”课程为例进行CDIO翻转课堂教学改革方案设计。

2.1 课前网上自主学习环节设计

教员主要进行微课程的设计和录制、课前针对性练习测评(微练习)设计、网上答疑交流以及根据反馈信息调整课堂教学设计。

由于“自动控制原理”课程理论性较强，相应的微课程应尽可能避开严密但艰涩的理论推导，转而以实例、Matlab仿真结果等更直观的替代方式引出重要的知识点，要尽可能深入浅出、简洁精练地搭建主体知识框架。

为了照顾不同层次学员的要求，将知识的讲解按难度分为基础层、提高层及拓展层制作成三类视频，学员可根据自己的实际知识水平及能力选择观看。

除了课前针对性练习测评设计外，教员还需要根据选择的教学内容设计成课前学习单，以学习单上列出的问题来引导学员自主学习，学习单一般包括五方面问题的设计，即让学员主动回答“我知道什么？”“我想学什么？”“我发现了什么问题？”“我已经学会了什么？”以及“我如何学会的？”。

教员通过交流平台中学员所提出的疑问、学员课前测评结果和学员填写的学习单，总结出一些有针对性的探究题目，以课内学习单的形式准备，课内学习单的设计与课前学习单的设计类似。即针对课内学员的活动(独立探究、协作学习、成果交流和汇报、评价等)进行设计。

学员以“慕课式”网络课程为支持，了解学习任务，观看微课程或其它学习材料，进行课前练习与测评，填写课前学习单。为了达到更好的学习效果，上述四个环节每个环节结束后均可以返回上一环节重新学习。

2.2 课上项目探究实践环节设计

由于课程理论性强，难度大，教员必须利用足够的课堂教学时间对偏难、偏深的内容进行讲解，并顺便将学员在课前学习出现的共性问题进行集中讲解，由于学员在课前已经进行了自主学习，因此，与传统教学模式相比，课堂讲解时间可适当缩减。比如，“线性系统的稳定性分析”一节，课前的微课程可利用Matlab仿真工具，画出各种典型系统的零极点分布与单位脉冲响应曲线，用直观的方式引导学员猜想得出系统稳定的充要条件，而在课堂教学中只需为学员进行理论分析。其余各节的设计与此类似。

在接下来的项目探究过程中，教员首先根据项目的难易程度以及学员的探究意愿对学员进行分组，一般小组规模不能太大，控制在5人以内，并对小组中成员进行任务分工。如果涉及的问题比较简单，可以设计学员独立探究的形式，然后让学员组成小组相互交流成果。

接着，教员在理论实践一体化教学场所组织学员对项目进行独立探究或协作探究，对学员的理论探究和协作探究进行指导。在课堂中当学员出现一些新问题时，如果课堂时间充足，可以针对新问题组织、指导学员进行探究，否则把其作为课外探究的主题融合到后续的教学内容中。

最后，教员组织学员进行成果交流与汇报，对探究过程和结果进行集中讲评，重点鼓励学员的积极探索和交流协作精神；并对整节课的知识、方法进行系统梳理；对学员的课堂表现进行评价。

在项目探究过程中，对于一些小的问题或任务，学员在教员的指导下自主独立进行理论探究和实践探究，实现对知识内容的内化，对于较为完整的项目，在教员指导下进行协作探究，明确小组任务和成员分工，相互支持和配合。探究完成后，进行成果交流与汇报，并对自己的学习效果和小组的学习成效进行自评和他评。

2.3 课后网上复习实践环节设计

教员需要设计复习思考题、书面作业和网上作业，并进行网上答疑。作业的设计原则是兼顾基本要求和学员个性需求，形式多样化。从形式上，作业分为思考题、书面作业和网上作业三种；从要求上，作业分为必做题和选做题两部分。

学员需要完成书面作业和网上作业，以作业和复习思考题等为牵引进行知识能力的固化。需要更多练习的学员可利用网络课程中的“题海导航”模块。遇到问题可考虑下述解决途径：①参考网络课程中“讲授教材”(本校教员的讲授视频+PPT)、“电子教案”(本校教员的PPT)、“他山之玉”(外校教员的讲授视频)、“精品课件”(外校教员的PPT)以及“资源集锦”、“网络教材”等模块；②依据“每讲学习提示”查阅本讲的参考资料；③求助于教员、同学或在虚拟教室的论坛上留言待答，还可利用项目库或远程实验系统继续实践探究。

2.4 课余创新实践训练环节设计

教员要为学员的知识能力升华提供支持，依托学校创新实践活动，或组织课外研究小组，为少数学有余力且兴趣浓厚的学员提供课余创新实践训练的组织指导。

学员可利用网络课程中相应模块，依据自己的兴趣和能力将知识扩展延伸。对学科前沿感兴趣的学员可推荐“文本资源”模块；对英语感兴趣的学员建议利用“双语教学”模块；对仿真实践感兴趣的学员建议利用“辅助教学”模块；对综合实践感兴趣的学员建议利用“案例精选”和“毕设作品”模块，或直接利用远程实验系统进行实践。

学有余力且兴趣浓厚的学员可按以下步骤参与课外研究小组活动：①填报意愿。学期开始，学员依据自己的兴趣爱好填报参加研究小组的意愿；②组成团队。按照自愿组合和教员建议相结合的方式按每个方向3至5人组成研究团队；③制定计划。研究团队根据研究方向在教员的指导下制定具体的研究目标和实施计划；④定期交流。除了平时的讨论交流外，研究小组每周至少进行一次教员指导下的讨论交流。汇报研究成果，交流研究体会，解决困难和问题，明确下一步的工作；⑤成果汇报。学期末每人写出研究报告，并以研究团队为单位汇报展示整个学期的研究成果、总结经验；⑥研究延续。成果突出的学员可在教员的指导下撰写科技论文，并作为团队领队培养，并提前进入课程设计和毕业设计阶段。

2.5 考评方法设计

学员考评成绩由形成性考评与终结性考评两部分构成。其中终结性考评(结束时考试)占60%，形成性考评占40%。形成性考评包括课前、课上、课后、课余考评四项，分别占总成绩的10%、16%、10%和4%。课前主要评价网上测试的完成情况；课后主要评价书面作业和网络作业的完成情况；课上成绩由学员自评、小组评价、小组互评、教员评价共同构成，其中小组评价和教员评价分别占总成绩的5%，学员自评和小组互评分别占总成绩的3%。

2.6 设计案例

以“控制系统的时域校正”一节为例，该节的主要教学内容为：时域串联校正、反馈校正及两者的比较，该节的教学设计如图1所示，分为课前、课上、课后和课余四个环节。

图1 “控制系统的时域校正”教学设计

课前主要掌握基本概念，课上、课后和课余主要通过项目探究深入学习。课上以贯穿课程始终的课上探究项目(某火箭深弹发射炮随动系统)贯穿本次课，项目的探究随教学内容逐步深化，串联校正的作用探究明确后，采用串联校正进行尝试，发现问题后，再引导学员探究反馈校正的作用，待作用明确后，对项目继续采用反馈校正进行尝试，直到问题基本解决。课堂教学完成后，通过对课后实践项目(某舰炮随动控制系统)的探究进行复习巩固。学有余力者还可通过对课余创新实践项目(直线一级倒立摆控制系统)的探究扩展延伸，完成由仿真项目探究到实际项目探究的飞跃。

探究校正作用时，采用对比的方法，理论分析与计算机仿真相结合，边讲边算边做边比。先对比校正前后的理论计算结果，再对比校正前后的仿真结果，从而得出校正的作用。两种校正方法最后也要对比。

教学实施依托自主开发的“自动控制原理”慕课式网络课程、舰载武器随动系统设计仿真实验平台以及实验室的直线一级倒立摆等实验设备。

3 结语

本文介绍的CDIO翻转课堂教学模式，创造性地将工程教育改革的最新理念CDIO和在线教育的最新模式——“慕课”翻转课堂模式有机结合，既发挥了CDIO培养实践能力和创新精神的优势，又发挥了翻转课堂提高课堂效率的优势，且克服了翻转课堂不适合实践教学的缺点，实现了取长补短和优势互补，探索了一种适合工程教育的“慕课”式教学新模式，能够在有限的学时内最大限度地培养学员的实践能力和创新精神。

[1] 米伟哲,宋洋,赵亚楠,刘海滨.基于CDIO理念改进工程实践教学[J].北京:中国现代教育装备,2011(23):81-83.

[2] 凌芳,吕恬生,范成杰,安丽桥.以CDIO模式推进工程实践教学改革[J].上海:实验室研究与探索,2010(10):141-142.

[3] 王新平,李晓理,刘冀伟.智能专业基于CDIO理念的电路课程教学[J].北京:计算机教育,2012(18):38-39.

[4] 刘艳,欧阳中万.浅议慕课及其对精品课程建设的启示[J].南京:中国农业教育.2014(3): 16-18.

[5] 陈晓菲. 翻转课堂教学模式的研究[D].武汉:华中师范大学.2014.05.

[6] 陈红普,褚振华.关于翻转课堂的研究与思考[J]. 福州:福建电脑.2014(08):71-73.

CDIO Flipped Class Teaching Mode of Automatic Control Principle Course

ZHANG Yuan, ZONG Zhi-tong, LIU Shu-bo, CHU Jun-bo

(Dept.ofMissile,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In this paper, we explore a new kind of MOOCs teaching mode suitable for engineering education—CDIO flipped class teaching mode, and study the structure and scheme design of this mode, in order to solve the prominent contradictions between the urgent requirement of innovation and practice ability for students and the limited class hours of the engineering technology basis courses. This paper has some reference value for flip class teaching reform of similar courses.

CDIO; flipped class; teaching mode; innovative practical ability

2016-04-07;

2016-09- 10

张 园(1972-)，女，博士，副教授，主要从事机动目标跟踪，智能控制的教学和研究，E-mail：zhangyuanlitao@163.com

G642.0

A

1008-0686(2017)02-0107-04