“自动控制原理”闭环型混合式教学的探索与实践

高强 刘俊杰 杨森 谷海青

摘要自动控制原理课程是自动化类专业的一门理论与实践并重的专业基础课程，是整个专业体系和学生培养计划中的具有承上启下作用的关键环节。在新时代和新工科“智能互联网+”教育改革背景下，开展自动控制原理课程的线上线下混合式教学设计，打造在线课程与校内课堂教学相融合的混合式“金课”，对满足产业升级的人才培养需求具有重要意义。本文以自动控制原理课程为例，开展线上线下混合式教学活动的设计与实践。通过线上学习导引、线上学习、线下教学以及线下讨论四个阶段的按序有机融合，形成一个线上线下融合、内容丰富的闭环型混合学习系统，旨在提高自控原理课程教学质量和自动化专业学生学习成效，教学实践验证了闭环型混合学习系统教学设计的有效性。

关键词 自动控制原理 线上线下混合式教学 翻转课堂 教学改革

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.049

Exploration and Practice of Principle of Automatic Control Course with Closed-loop Hybrid Teaching Mode

GAO Qiang[1][2]， LIU Junjie[1][3]， YANG Sen[1][3]， GU Haiqing[1][3]

（[1]The School of Electrical andElectronic Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384；

[2]Maritime College， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384；

[3]TianjinKeyLaboratoryforControlTheory&ApplicationsinComplicatedIndustrySystems，Tianjin300384）

AbstractPrincipleofautomaticcontrol course is afundamentalmajorcourse thatlays equalemphasis onboththeoryand practice for automation majors， which is a key link in the whole professional system and student training plan. Under the background of the new engineering and "Intelligent Internet +" education reform， it is of great significance to carry out the online and offline blended teaching design of principle of automatic control course and create a hybrid "golden course" that integratesonlinecourseswithin-schoolteaching，whichcanmeetthetalenttrainingneedsofindustrialupgrading.Thispaper takestheprincipleofautomaticcontrolcourseasanexampletocarryoutthedesignandpracticeofonlineandofflineblended teaching activities. Through the sequential organic integration of online learning guidance， online learning， offline teaching andofflinediscussion，aclosed-loopblendedlearningsystemwithrichcontentandintegrationofonlineandofflineisformed， aimingtoimprovetheteachingqualityofprincipleofautomaticcontrolandthelearningeffectofautomationmajorstudents. The teaching practice verifies the effectiveness of closed-loop blended learning system and teaching design.

Keywordsprincipleofautomaticcontrol；blendedteaching modeofonline andoffline；flippedclassroom； teaching reform

為践行习近平新时代中国特色社会主义思想，推动社会经济高质量发展，国务院相继推出“一带一路”“中国制造2025”等重大战略规划，以求加快构建中国制造新优势，这对工程领域的人才素质培养提出了更高要求。2017年，教育部发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，强调新工科研究和实践要围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展。因此，如何通过改革传统工科专业课程的教学培养模式，使之更好地符合产业升级对人才的要求是当前高等教育不可忽略的重要环节。自动控制技术已经广泛地应用于各类工程学科以及各类非工程学科。“自动控制原理”课程是自动化类专业的一门理论与实践并重的专业基础课程，是电气类、电子信息类、计算机类、仪表类专业的重要课程，是整个专业体系和学生培养计划中的具有承上启下作用的关键环节。[1]线上教育是结合互联网、人工智能等现代化信息技术进行教与学互动的新型教育方式。[2]2020年春季新冠疫情以来，各高校秉承教育部“停课不停学、停课不停教”的理念要求，组织了大规模的线上课程教学，是疫情特殊时期的应急教学手段，同时也是新时代“智能互联网+”教育改革的一次探索实践。[3]混合式教学将线上与线下教学进行有机融合，形成口头交流与文本交流、同步教学与异步教学、直接与通过媒介交流的独特融合体，迅速成为一种新兴教学模式的代表。[4]因此，在国家大力倡导基于国家精品在线开放课程应用的线上线下混合式优质课程建设背景下，结合新工科背景和后疫情时代特殊时期特色，如何通过将线上与线下教学方式进行有机结合，探索自动控制原理课程的混合式教学模式，具有重要的教育和现实意义。

1自动控制原理课程建设存在问题

“自动控制原理”课程是自动化专业的专业基础课程，同时也是工程控制类专业研究生入学考试科目，在自动化专业本科生的教育体系中占有不可替代的地位。[5]然而，在传统教学模式下，目前学校的“自动控制原理”课程教学主要存在如下问题：

高素质综合应用人才与有限的学时之间的矛盾。与传统工科人才相比，在“新工科”概念下，对人才培养的要求变更为培养具有较强创新能力和实践能力的高素质综合型应用人才。“自动控制原理”作为一门专业基础课程，其知识点内容涉及面很广，传统的课堂讲授教学方法和教学手段较为单一，在有限的学时下，难以使学生将自动控制原理同专业其他课程知识进行有机融合，无法切实提高学生的专业综合能力。通过合理优化课程结构、引入线上自主学习并合理分配学时、有机融入课程群理念，是解决高素质综合应用人才与有限的学时之间矛盾的有力手段。

学生的学习兴趣不浓，学习积极性不高。自动控制原理课程内容主要涵盖自动控制系统绪论、线性系统的数学模型、控制系统的时域分析、根轨迹法、控制系统的频域分析、控制系统的设计与校正，以及非线性系统分析和采样控制系统等八部分。课程内容整体可以划分为控制系统建模、控制系统分析、系统控制器设计三部分内容，理论性强，需要较好的数学基础。然而，自动控制是一门以线下课堂的方式进行理论讲授的课程，目前基本上都是任课教师在进行理论和概念原理的单一输出，缺乏学生自主性的学习探索，容易引起学生学习兴趣不浓，学习积极性不高等问题。

网络信息化资源利用度不够。在传统的教学模式下，原有的教材上的学习内容难以满足新工科背景下的人才培养目标和学生的学习需求。随着科技的发展进步，系统性的网络在线资源學习平台如慕课（MOOC）、私播课（SPOC）以及其他在线平台（LMS）应运而生，教育部大力倡导基于在线开放精品课程与校内线下课程的有机结合，这种新型的教学模式影响着国内外高校的课堂教学改革。此外，先进的数字化教学工具能够实时提供教学数据，可有效衔接线上学习平台和线下课堂教学。如何充分利用现有基础教学条件，提高网络课程资源及数字化工具的利用度，不断完善学校精品课程的资源建设，实现线上与线下交互式教学，是自控原理课程建设改革尤为重要的环节。

高素质综合应用人才与有限的学时之间的矛盾。目前，自动控制原理课程的教学偏向于数学推导和理论分析，考核目标以完成作业和通过试卷考试为主，相应的实验课程仅仅是采用如EWB和MATLAB仿真软件进行的简单实验验证，缺乏系统性的综合性工程案例教学。在现有实验条件基础上，如何合理利用线上网络资源中的科技前沿案例和自动控制实际应用案例，加强学生对自动控制理论应用于工业实际的感性认识，提高学生理论联系实际的能力，是自动控制原理教学改革的重要一环。

2闭环型混合式教学设计

就“自动控制原理”这门专业课程而言，线上线下混合式教学设计应与传统的网上直播教学和线下教学区别开来，通过合理分配线下教学和线上教学的时间比例，使学生的线上自主学习与线下教学进行高效衔接和有机融合，不是简单地对某一章的部分内容采用线上学习，一部分内容采用线下的方式，更不是简单地进行章与章之间的接力拼接。作为自动化专业的核心专业课程，目前，学校自动控制原理的教学上课周数为17周，每周4学时，学期共68学时，其中线下理论授课时间分配为54学时，线下课堂练习及课堂讨论为6学时，实验教学为8学时。根据自动控制原理课程的内容性质和特征，在不改变原有线下教学学时的前提下，通过引入线上教学，并基于线上线下混合式教学理念，自动控制原理课程的教学学时分配比例如图1所示。

本设计将自动控制原理课程的混合式理论教学活动按照时间维度划分为四个阶段：线上学习导引、线上学习、线下教学、线下讨论。四个阶段的具体教学学时数如表1所示。

混合式教学活动的四个阶段具体设计如图2所示，四个阶段的教学学习活动有机衔接，有序进行，形成一个线上线下融合、内容丰富的闭环型学习活动系统，具体如下：

在混合式教学第一阶段，即线上学习导引阶段，要求学生在雨课堂教学平台上预习教材内容，了解所学章节的基本结构，明确相应的学习重点，随后在平台上查看教师下发的线上学习导引，在学习导引中给定主题内容点的引导下，学生亦可通过网络资源搜索相关课程内容或工程实例，激发自身的学习兴趣。

在线上学习阶段，学生根据学习导引观看PPT课件内容、慕课（MOOC）视频以及相关课外视频资料，之后完成线上平台中布置的作业题或者小测验，并就作业开展线上讨论，检验线上学习效果，帮助学生寻找知识理解掌握过程中的不足之处，测验数据可便于教师实时了解线上教学成效；除了课程本身内容，线上学习亦融入自动控制的科技前沿案例、控制理论的工程应用案例，提高学生理论联系实际的感性认识，激发学生的爱国情怀和科技奉献认知。

混合式线上线下教学的第三阶段为线下教学阶段，与传统线下教学相比，此阶段加强了学生与教师间的教学互动，是传统线下教学的再设计，教师通过理论内容授课和重点难点梳理，加强学生对自动控制理论的理解和章节整体内容框架的掌握；采用“翻转课堂”的方式，通过学生讲教师评、学生讲学生评、学生互问互答以及分组讨论的形式开展学习活动，使得以“教”为中心向以“学”为中心转移。此外，在线下教学环节，采用基于LABVIEW的平衡车和垂直起降系统，以及基于MATLAB的旋转倒立摆系统、直流电机控制系统，加强实验实践教学环节，确保课程学习的实践性和探究性。

最后是混合式线上线下教学的第四阶段，通过作业的讲解讨论，引导学生进行课程内容学习的查漏补缺，提高学生对课程内容的整合能力和知识体系的构建能力，并对本轮混合式教学学习活动进行总结和反思，为下一轮学习活动做准备，形成学习闭环。

此外，在线上学习过程中，有机融入科技故事案例，从思想品德、爱国情怀、科技创新三个方面出发，主要涵盖人物（自动控制领域科学家的贡献和工作的介绍，激发爱国热情和投身科学研究事业）、事件（典型技术对社会发展的贡献，激发学生努力学习）和精神（典型事件如航空航天领域、机器人领域、工业过程控制及其他领域的典型案例，新的技术发展，激发创新精神）三大块内容，如图3所示，以激发学生的主观能动性，提高学生科技服务社会的责任感。

3线上线下混合式教学实践

天津理工大学电气电子工程学院自动化专业于2019年通过工程专业认证，其核心专业课程“自动控制原理”为天津市本科专业线下一流课程，以培养学生“基础扎实、知识面宽、工程能力强、有创新意识”为目标，重视基本概念、基本理论、基本方法，课程体系符合应用型人才培养目标要求。在资源建设及应用情况方面，参编2部教材及主编1部实验教程，通过录制课程教学视频，建立网络课程资源，并采用“雨课堂”等APP，配合纸质教材和慕课、学堂在线平台等网络资源，形成立体化教学环境。

线上线下学习互动实践。主讲教师及教学团队通过搭建章节知识结构体系，归纳知识重点难点，整理优质线上网络，撰写线上学习导引，并将线上学习导引上传至雨课堂平台，学生通过手机APP随时在雨课堂上查看学习导引，并根据学习导引在线完成线上视频内容学习和作业测试，并以弹幕、留言讨论的形式提出问题和评价，教师通过在雨课堂上实时查看学生完成进度，并及时参与讨论。就线上学习中的共性问题或难点问题，教师在线下教学过程中进行专门重点讲解，并就下轮线上学习内容的重点难点进行学习前强调。这种线上线下学习的闭环互动实践为混合式教学模式的持续改进提供了数据和经验支撑。

实验实践教学实施。“自动控制原理”作為天津市本科专业“一流课程”，积极思考实验教学内容在教学过程的有机贯穿，提高学生的动手实践能力。依托MATLAB、LABVIEW、PROTEUS等数字化仿真工具，多套基于MATLAB的旋转倒立摆、直流电机控制系统，基于LABVIEW的平衡车、平衡球杆、垂直起降系统、自主寻迹小车等先进实验设备，持续建设多样化的实验教学设备资源，确保课程学习的实践性和探究性。

翻转课堂教学。在线上学习和线下教学的基础上，组织学生进行面对面线下讨论，教师布置或学生自行选择讨论内容，由学生为主进行课程内容、课后作业或线上学习遗留问题的互讲互评，教师在旁辅助，此类讨论型的学习活动形式，可大幅调动学生的线上学习积极性，提高线下教学学生的讨论参与度，学生反馈此类翻转课堂教学型的讨论活动效果良好。

4结论

在学校雨课堂、学堂在线等既有教学资源的基础上，通过合理利用其他优质网络资源，坚持“立德树人”的根本任务，结合自动控制原理课程的知识特点，融合实验教学内容，进行线上线下混合式教学的探索与实践。设计的自动控制原理线上线下混合式教学方案打破了常规的时空限制，在一定程度上满足了个性化教学的需求，达成了线上学习与线下教学同效等质的培养目标，更好地符合产业升级对人才的要求，此类线上线下混合教学模式亦可供其他工程类课程借鉴推广。

*通讯作者：刘俊杰

基金项目：天津市级线下、线上线下混合式、社会实践一流本科建设课程（自动控制原理课程建设）；天津理工大学基于MOOCs/SPOC的翻转课堂教学改革研究项目（KC18-08），天津理工大学教学基金项目资助

参考文献

[1]崔国增.新工科背景下自动控制原理教学改革探索[J].中国电力教育，2020，（10）：67-68.

[2]李大华，高强，于晓.高校在线教学内容与方式的探索、实践与总结——以天津理工大学电工电子技术课程为例[J].中国轻工教育， 2021，（01）：86-91.

[3]曹海艳，孙跃东，罗尧成，等.“以学生为中心”的高校混合式教学课程学习设计思考[J].高等工程教育研究，2021，（01）：187-192.

[4]冯晓英，王瑞雪.“互联网+”时代核心目标导向的混合式学习设计模式[J].中国远程教育，2019，（07）：19-26+92-93.

[5]白圣建，于瑞航，徐婉莹.关注学生学习体验，提升线上教学质量——“自动控制原理”课程线上教学设计与实践[J].电气电子教学学报，2021，43（02）：101-103.