基于BOPPPS的控制工程基础教学改革与实践①

徐红梅 张帆 李超 原帅

摘   要：针对控制工程基础课程的内容和特点，采用BOPPPS教学模型，将教学过程设计为导言、目标、前测、参与式学习、后测和总结六个环节，充分体现学生的中心地位。构建知识学习、技能培养和素养培养的综合培养目标，并形成完善的评价体系。本文以控制系统的微分方程为例，阐述BOPPPS教学模型在控制工程基础教学工程中的实际应用情况。实践证明相比传统教学模式BOPPPS教学模型显著改善了教学效果，为高校工程类专业基础课教学改革提供了有益借鉴。

关键词：BOPPPS  控制工程  微分方程  教学模型

中图分类号：G642                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0175-04

Abstract： Aimed at the characteristics and the existing problems of Control Engineering， the BOPPPS model is applied to develop a specific teaching pattern. It lets the learners dominate the learning process through six steps with bridge-in， outcomes， pre-test， participatory learning， post- test and summary. Comprehensive training objectives of knowledge learning， skill training and accomplishment training are reconstructed， and a perfect evaluation system is set up. Taking the mathematical model of the control system as example， this paper proposes a practical and effective teaching model based on the BOPPPS model. The application of the BOPPPS model in the course has significantly improve teaching effectiveness through enhancing the learner's participation，which provide a good reference for teaching reformation of other engineering disciplines.

Key Words： BOPPPS; Control Engineering; Differential equation; Teaching model

“控制工程基礎”是机械工程学院机械设计及其自动化专业的一门主要专业基础课[1]，该课程主要介绍控制系统的基本概念和时域以及频域的分析方法，内容较抽象、理论性和实践性都很强，数学推导较多，具有一定的深度和难度，但同时该课程也是培养工程技术人员的学科基础课。

我院“控制工程基础”课程课时为32学时（包含8学时实验），由于学时少和内容多，很难将所有的内容讲授完毕，学生难以理解抽象的控制理论，再加上薄弱的数学背景知识，无法掌握重难点，所以导致学习积极性下降。在传统教学模式中，教师是教学的主体。教师灌输式讲授占据了课堂大部分时间。教学内容以及如何开展教学基本由教师根据教学大纲和自身经验决定。教师主要关注是否按照既定教学计划完成课程讲授，却极少关心学生学习成效如何、学生能力和素质是否得到提高[2]。

根据图1学习金字塔的数据来看，采用传统的讲授教学模式，效果不理想。学生对相关知识掌握程度并不深，课程的理论与实践相结合的程度远远不够。

本文针对“控制工程基础”课程的内容和特点，基于BOPPPS教学模型，强调学生在课堂中的主动角色，突出了其参与式学习，并借助互联网载体，创建课程教学平台，使学生随时随地的参与虚拟课堂的教学活动中，以此来提高学生的学习兴趣和弥补课时不足的现状。同时利用MATLAB提供的仿真实验平台弥补我院实验手段的不足，培养学生的创造性思维，为学生自己设计创新实验打下基础，达到教学与人才培养目标的最优化。

1  BOPPPS 教学模型

1.1 BOPPPS发展现状

BOPPPS 教学模型最初由ISW（加拿大教师技能培训工作坊）根据加拿大不列颠哥伦比亚省对教师的资格认证所创建[3]，最初主要用于教师的技能培训使用，在培训过程中主要采用以教学实践为主的方式通过集中强化训练以提高教师教学技能和教学的有效性。BOPPPS教学模型是一个基于Kolb体验式学习模型的教学框架，以建构主义和交际法为理论依据，以有效教学设计著称，是一个强调学生参与和反馈的闭环教学过程模型，BOPPPS有效教学模式结构如图2所示。

根据2019年5月中国知网（CNKI）数据库最新检索，2011—2013年，国内有关 BOPPPS 的研究文献仅有6篇。但是2017和2018年相关文献分别增加了104篇和216篇，总文献数量已达到574篇。

1.2 BOPPPS的涵义

BOPPPS 理念遵从教育学和心理学有关人类注意力持续时间的规律，鉴于人集中注意力的时间最多不超过15min，将课堂教学分隔为导言（ Bridge-in） 、目标（ Objective/Outcome） 、先测（ Pre-assessment ） 、参 与 式 学 习 （ Participatory Learning） 、后测（ Post-assessment） 及总结（ Summary） 等6个起承转合的部分[4]。

通过导言引起学生的好奇心使其产生学习动力导入新内容的学习;目标阶段根据布鲁姆学习目标分类[5]的认知、情感和技能三个方面明确的指出通过学习应该达到的要求和水平;预评价阶段主要用来评测学生现在所知道的和所理解的，用于指导教学后续安排，以及提醒学生自己已经学会的知识;课堂参与阶段主要是采用积极的学习策略使学生深度参与到课堂中来实现教学目标的过程;后测阶段主要是确定学生在经过本次课堂学习后与教学目标相关联的知识掌握程度;总结阶段主要是给教师和学生提供一个共同反思的机会，学生反思自己学到了什么，教师反思本次授课存在的问题或为下次课程内容打下埋伏。

2  教改目标

（1）基于BOPPPS教学模式，深入课程改革，逐步培养学生主动获取知识、提出问题、分析问题、应用知识、解决问题等方面的能力，使学生们能够真正的做到工学结合，全方位发展。

（2）改革教学内容，形成相对全面的理论教学体系，构建符合新工科需求的实践教学体系。

（3）将控制工程基础课程教育与对专业的整体认识有机统一起来，并结合工程项目训练对学生的自我更新知识的能力和团队交流能力，以及对掌握、运行和调控能力进行整体培养。

（4）充分掌握控制工程理论中的重点、难点知识，对后续的专业课有感性的认识，为以后课程的学习提供良好的基础。

（5）通过控制工程基础中引入MATLAB仿真实验，提高并扩展学生对工程实践的兴趣，让学生从被动接受转为主动研究的学习方式，使学生自组织、自分工、自实施等团队间组织、交流合作的能力得以提升。

3  教改思路

基于BOPPPS教學模式和我院现实的教学情况，提出如图3所示的教改思路，并根据“控制工程基础”中的重点、难点，建立控制系统的数学模型并画出相应的框图，掌握实际物理系统的控制原理;掌握时域分析中系统的响应分析指标稳、快、准;掌握频域分析中的数学模型及系统响应并建立Bode 图的方法;掌握由Bode图进行频域分析及PID调节器使用等。以控制系统数学模型、控制系统时域分析以及控制系统频域分析三个方向作为控制工程基础三级项目的选题。

4  教改研究的具体内容

4.1 激发学习兴趣，提高教学效率和授课质量

BOPPPS教学模型强调促使学习者成为教学的主体，明确学习者的学习目标，激发学习者的兴趣，使学生全方位的参与学习而不是仅仅听讲，并且教师要及时的获得学生的学习反馈进而调整和指导后续的教学活动。

4.2 创建在线课程，弥补课时量不足

该课程主要突出讲解控制系统的基本组成及其概念、系统的数学模型、系统时域和频域分析方法、系统的稳定性及其误差分析、控制系统的综合与校正。目前课时安排是32课时，远远不能满足课程要求。有很多知识无法在课上详细讲解，学生课下学习又会遇到各种困难。采用在线课程可以有效的补充课时量不足的问题，增加学生自主学习的时间。

4.3 MATLAB仿真增加理论与实践结合

由于我院实验条件的限制，该课程的实验课借助烟台大学来完成，课时较少，只有8个学时，实验时间安排不能保证切好切合课程进度。另一方面由于某些实验环节与理论的结合不紧密，学生对于实践环节的认识和重视度不够，动手能力不强，不利于培养学生综合能力，培养创新思维。

将MATLAB及其提供的Simulink仿真软件应用到课程教学中，可以改变传统的单一课堂教学模式，简化公式的推导和概念的叙述，增强教学的直观性和生动性，有利于学生加深对所学知识的理解。利用MATLAB提供的仿真实验平台还具备实验教学无法拥有的许多优点，它不受外界复杂因素的干扰，不会造成人身伤害，大大节约实验成本，既可以演示复杂控制系统的未知结果，又可以改变系统参数，演示系统随参数变化的结果或趋势。因此它既能弥补实验手段的不足，又能培养学生的创造性思维，为学生自己设计创新实验打下基础，达到教学与人才培养目标的最优化。

4.4 完善教学评定标准，注重综合能力的考核

目前课程的成绩一般是由平时成绩（30%）和考试成绩（70%）来组成，对平时成绩缺乏量化的细则，没有对创新能力的激励和考核，不利于深化人才培养模式改革。在线课程中添加课程思政，引导学生价值追求和培养学术精神，评价体系中可以细化每一项任务的完成情况以及相应的分数，注重综合素质的培养。

5  基于BOPPPS模型的教学设计

本文以课程中第二章第一节控制系统的微分方程为例，阐述BOPPPS教学模型在控制工程基础教学工程中的实际应用情况。微分方程是控制系统的一种基本数学模型，是列写传递函数的基础。在建立数学模型的基础上才能对系统进行分析、综合，因此本节在整个课程中具有承上启下的作用。BOPPPS教学模型的控制系统的微分方程教学设计如表1所示。

5.1 导言

导言的作用是帮助学生专注或连接即将要介绍的课程内容，激发学生学习兴趣以及强烈的求知欲。本文通过由松下和保时捷设计精诚合作，投资金额超1.5亿元，历时28个月共同打造的高端洗衣机ALPHA来引入，如图4所示。询问大家是否了解洗衣机的工作原理，关于洗衣机的优化设计我们还能做什么？优化的前提是首先去定量的分析控制系统，而基本方法就是建立数学模型再进行分析、综合、校正。进而引出数学模型的重要性，激发学生的学习兴趣。

5.2 目标

目标的设定要清楚，并且具有可操作性和可度量性，让学生清晰的知道每节课要达到的教学目标。本节课中具体可评测的学习目标如下。

（1）知识学习。

掌握：列写控制系统的微分方程。

（2）技能培养。

复述：数学模型的定义。

了解：构建数学模型在控制系统研究中的意义。

（3）素养培养。

激发大家的学习兴趣以及民族的精神。

5.3 前测

让同学回答齐次和非齐次线性微分方程的描述和求解方法，简单回顾前面学习的控制系统的三个性能指標，并让大家思考怎么进行量化的评价。激发学生进一步寻找问题的答案并且能对学生的学习情况进行摸底。

5.4 参与式学习

参与式学习是BOPPPS教学模型最重要的一个模块，为保证学生有效的参与，首先用问题做引导。如图5所示，列出一个简单的弹簧-质量-阻尼系统，知道了输入和输出，让大家思考还能列出哪些方程。如果联立所有的方程求解能得到什么。然后再通过一个电气系统-RLC电路如图6所示提问学生能想到什么物理规律。最后对机械系统和电气系统进行同步推导并引导学生思考建模的方法和步骤。

因此在控制工程的数学模型章节中，充分调动学生的学习积极性，让每个人都尽可能活跃地参与到课堂学习中来。

5.5 后测

后测主要评价教学目标的达成情况，与前面设立的教学目标要相呼应。通过无源RC网络系统的数学建模来测试学生对知识的掌握情况，并提示大家注意负载效应。同时引导学生通过对数学建模的意义和对社会的促进作用的思考达成能力和素养的培养目标。后测的结果与前面学习环节的反馈，共同组成教师反思教学不足和教学改进的直接依据。

5.6 总结

通过图7简要总结微分方程和数学模型的涵义以及列写微分方程的基本步骤，使学生整体上把握课程理论体系和学习目标。

同时引导学生求解微分方程虽然可以描述运动规律，但是计算比较复杂，特别是对高阶系统更难，并且无法从微分方程的解中清晰地找出改进系统品质的方案。引出下节课要讲的传递函数和框图，激发学生的求知欲。

6  教改实践效果

我院在基于BOPPPS教学模型的控制工程基础课程教学改革中取得了良好的效果。以2018—2019第1学期为例，总数为71人的大班授课中，学生上课的积极性明显提高，课堂氛围变活跃了，通过有趣的导言激发了学生的求知欲，大家在选择座位的时候主动往前排坐。BOPPPS教学模型以学生为中心，逐步培养其主动获取知识、提出问题、分析问题、应用知识、解决问题等方面的能力，使学生们能够真正的做到工学结合，全方位发展。同时将控制工程基础课程学习与对专业的整体认识有机统一起来，整体培养掌握、运行和调控的能力。

参考文献

[1] 孔祥东，王益群.控制工程基础[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 贾冯睿，李小玲，潘颢丹，等.传热学精品资源共享课程建设的探索与实践[J].大学教育，2016（3）：113-114.

[3] S J LOU，W Y DZAN，C Y LEE，C C CHUNG.Learning effectiveness of applying TRIZ-integrated BOPPPS[J].International Journal of Engineering Education，2014（ 30）：1303-1312.

[4] C C CHUNG，W Y DZAN，R C SHIH，S J LOU. Study on BOPPPS application for creativity learning ectiveness[J].International Journal of Engineering Education，2015（31）：648–660.

[5] （美）布鲁姆，等.教育目标分类学（第一分册：认知领域）[M].罗黎辉，等，译.上海：华东师范大学出版社，1986.