基于SPOC的大学《过程控制系统》课程混合式教学模式研究与实践

左燕，孔亚广，郭云飞

（杭州电子科技大学 自动化学院，浙江 杭州）

一 引言

互联网和人工智能的快速发展推动社会进入“在线”时代，“互联网+”这一理念从 2012 提出到如今一直广受各界关注。 “互联网+教育”在信息化工业革命浪潮变革和应对全球重大突发事件下优势逐渐凸显，极大地拓展了高等教育教与学的界限，塑造了教育新生态，对高等教育影响具有深远的意义[1]。信息技术与教育的融合再次成为学术界讨论的热点，慕课（MOOC）、翻转课堂、小规模在线课程（SPOC）等基于“互联网+”的新的学习方式的诞生，为大学教育的发展之路提供了新的方向。

目前MOOC三大平台为全球1200多万学生提供在线课程[2]，但是随着MOOC平台上课程数量和学生数量增加，MOOC的完成率或学生的保持率问题难以保证[3]。翻转课堂采用课前学生自主学习和课堂师生互动学习的教学模式。目前大多数翻转课堂以观看微视频作为前置性学习的重要或全部内容，将讲授完全翻到了课堂之外[4]。SPOC是小规模在线课程，是对慕课的发展和补充，是线上学习与线下相结合的一种混合式教学模式[5-6]。在进行SPOC教学设计时，网络教学平台作为知识传授的载体，课堂授课是通过不同的教学方法巩固知识和培养学生能力。

本文开展基于SPOC的线上线下混合式教学模式，从课程优化设计、混合式教学模式探索和实践、课程评价和反馈优化三个方面对《过程控制系统》的教学过程进行持续优化，通过积极和建设性的过程将知识的传播转变为深度学习，培养学生具备解决复杂工业过程控制工程问题的能力。

二 混合式教学模式设计

（1）混合式教学课程优化设计

首先，设置问卷调查，对授课对象、教学和学习环境进行了解，掌握学生基本情况和客观环境，为后期混合式线上教学的开展打好基础。其次，基于OBE理念设计课程目标，根据线上教学特点细化线上教学的教学目标。最后，基于课程目标优化授课内容和课时占比，对课程内容进行重组，按内容细化知识点。同时，根据各知识点的特点合理设计具体的线上教学模式和方法。

（2）混合式教学模式探索和实践

按照线上教学课程设计，以学生为中心进行混合式线上教学的实施，借助网络教学平台、网络直播软件等多种互联网技术，通过慕课、微视频、网络直播、翻转课堂、分组讨论和在线测试等多元的线上教学模式开展课堂教学实践。课前给学生布置学习任务单，引导他们自主学习。课中，通过讲课、讨论、翻转等不同教学方式组织实体课堂，增强与学生之间的互动，构建良好的教学氛围。针对不同的知识点设计混合式线上教学模式和方法，提供丰富的混合式线上教学案例。

（3）混合式教学课程评价和反馈

针对混合式的线上教学的各个环节，制定详细的评价标准，通过平台发布提前告知学生，提高学生学习积极性。重视对学生能力和素质的考核，变终结性评价为过程性评价，通过对课前预习、课堂参与度、课后作业或测试成绩等多元评价指标作为过程性评价指标，并将评价结果通过网络实时反馈给教师和学生。实时反馈给学生，对其进行正向激励，同时帮助教师实时优化调整后续的教学活动。

三 混合式教学模式实践

（1）学情分析和线上教学前期准备

首先，设计问卷，对学生的个人前期学科掌握程度、以往学习经历、目前网络环境和线上教学平台技术使用的熟悉程度进行了解。随后，教师对调查问卷进行统计分析，考虑教学的质量和效果，兼顾教育的公平，教师拟定线上教学内容和教学模式并将这些信息公布给学生，并提供线教学平台的使用方法，让学生快速熟悉在线学习环境。最后，教师介绍课程特点和目标、学生提问，建立良好的沟通氛围和方式，激发学生的学习动机。

（2）细化线上教学课程目标

《过程控制系统》课程是高等学校工科专业自动化本科专业中培养学生过程控制工程设计能力和创新能力的一门主干技术基础课。通过传授过程控制系统的组成、典型过程控制方案等理论知识，并开展相关课程实验，达到本课程的课程目标（见表1）。

表1 基于OBE的《过程控制系统》课程目标设计

（3）线上教学课程内容优化分解

线上网络教学不是直接将线下授课内容通过互联网媒介转为线上资源和传播，它需要对授课内容进行分析重整。根据《过程控制系统》课程目标对授课内容和课时比例进行重新优化，按照模块细化知识点，同时保证内容的连贯性和整个课程的系统性。根据《过程控制系统》课程特点，将其分解为三个模块和细化的知识点如图1所示。

图1 过程控制系统课程体系和内容模块分解

在网络化教学平台按内容模块分解和知识点分解结构设计课程目录，根据模块细化知识点重新制作基于知识点的课件，及其对应的微视频（15分钟左右）。在网络平台提供电子版教材、课件、教学参考微视频、文档等相关资源。同时需要建设测试题库，用于检测学生的自学情况和知识巩固。

（4）合理布局线上教学方法

课堂上，针对不同的知识点开展线上教学活动。根据《过程控制系统》课程特点和不同线上教学优势，对应知识点分解和线上教学方法见表2。

表2 过程控制系统知识点线上教学模式

教学过程中按照课程设计，采取课堂授课、翻转课堂、项目教学等多种教学方法。简单控制系统设计、检测变送器和执行器、PID控制器与前期《自动化仪表》和《自动控制原理》课程关联紧密，具有一定的基础，采用翻转课堂教学法。过程对象特性建模理论性较强，采用课堂在线授课为主。串级控制系统、前馈控制系统、均匀控制系统、比值控制系统、选择控制系统、分程控制系统等复杂控制系统结合课堂在线授课和翻转课堂教学方法。典型单元设备的控制系统设计包括流体输送设备、化学反应器、传热设备、锅炉设备和精馏塔设备的控制系统设计采用启发式教学为主的项目式教学为主。

（5）基于混合式线上教学的模式探索和课堂实践

教学实施设计按照课堂开展的时间顺序，分为课前、课中与课后三个阶段：① 课前学习是一种自主性的基础学习，学生根据老师提供的学习任务单，观看老师录制的视频和课件，完成预习测试题自测，让学生通过自学能够掌握基础的概念和知识。让学生在学习过程中发现问题，提出问题。② 课中学习是一种探索性的深度学习。课堂上，教师讲知识点以及重点/难点/易错题，并对共性问题进行点评和分析。教师在网络教学平台上开展在线测试，根据测试的结果进而调整授课的难度和进度，教师采用随机点名和在线讨论等方式提高学生课堂参与度，让学生进行思考。③ 课后学习是一种反思性的提升学习。教师课后布置作业，学生通过作业巩固所需的知识，对知识进行总结和内化，形成知识的反馈。

教学中按课程设计（见表2）采取课堂授课、翻转课堂、项目教学等多种教学方法。以串级控制系统设计为例，设计混合式网上教学方案。方法如表3所示，具体案例如下：

表3 串级控制系统知识点线上教学案例

1）课前教学活动

① 设问和讨论：在上一讲（简单控制系统设计）课后作业第3题（加热混合反应简单温度控制系统设计）基础上，提出一个开放式的问题：如果控制系统对扰动抑制不够及时有效，应该采用何种方案改进？学生按小组进行讨论，形成各自结论并提交方案。

② 知识点课件和录制视频：按照串级控制系统的内容分解为串级控制系统的组成、串级控制系统设计、串级控制系统的应用三个知识点，分别制作对应的课件和录制视频，并上传至网络教学平台。学生根据教师提供的学习任务单和知识点掌握要求，观看网络平台上的课件和视频。

③ 自测和反馈：教师在平台上布置预习测试题（允许重做1次），学生参与测试并自己发现学习中对知识点掌握的不足之处，重新去观看学习平台上的视频和课件，在此基础上完成预习测试题。

2）课中教学活动

① 讨论和分析：对课前预留思考题展开讨论，每个小组由一人负责展示讲解控制系统的设计，其余成员则协助解答老师或其他同学提出的疑问，最后形成结论。

② 案例分析：提供两个案例：(a) 火电厂过热蒸汽温度-温度控制设计；(b) 管式加热炉温度控制设计。组织案例学习，让学生从中归纳总结副变量的选择、串级控制设计的方法，并提出还可以改进的地方，引导学生反思，让学生掌握三个能力：串级控制系统分析、设计和应用。

③ 要点讲解和在线测试：对串级控制系统的重点和难点进行讲解，组织在线测试，指出错误较多的地方，让学生分析原因并找出改正方法，对知识进一步巩固。

④ 提问和答疑：学生提出问题，大家进行在线答疑。

3）课后教学活动

① 重点/难点/易错题总结：对串级控制系统中重点、难点和测试中出现的易错题进行归纳总结，对课堂学生提问和答疑总结，形成文字报告，上传至网络教学平台。

② 练习和作业：布置课后作业和测试，进一步巩固知识点。

③ 反思和内化：布置后一段的学习任务（前馈控制系统设计），让学生思考并比较分析反馈控制（简单控制系统和串级控制系统）与前馈控制的优缺点。

（6）基于混合式线上教学的课程评价和反馈

从知识、能力和态度三方面建立在线教学评价机制，针对学生自觉性不够、参与度不高和观看视频等问题，我们将加大形成性评价力度，该评价方式关注学生线上课程学习的态度、方式、学习记录等，多种评价相结合，并贯穿于整个学习过程。将学生在线测试成绩、项目作业成绩、在线讨论参与度以及线下课后作业、课堂表现等，作为过程性评价成绩，结合课程大纲要求，平时成绩占30%，实验成绩占10%，期末考试成绩占60%，最终形成学生的课程成绩。通过实时数据反馈对学生学习起到正向激励。

网络教学平台能够提供学生观看视频的时间、在线测试成绩、提交项目作业、在线讨论情况，结合线下课堂表现，课后作业情况的数据。对数据进行分析，借助柱状图或曲线图等多种形式的分析结果可以让老师掌握学生的学习程度、学习效果，调整后续教学课程的进度、难度。对于普遍掌握程度不好的环节，进行再次讲解，投入更多学时。通过了解每个知识点学生的掌握情况，对重点/难点/易错点在授课前集中讲解。

根据每个同学的完成质量，有针对性地对学生开展个性化的教学。建立预警机制，把握班级易挂科的学生名单，实施精准扶贫机制。根据每名学生的具体情况（学习态度不端正、学习效率不高等），采取具体的对策，激发学生的学习热情，提高学习效率。

四 结语

本文探讨了基于SPOC模式下《过程控制系统》课程线上线下混合式教学模式和实践，通过前期教学课程优化设计、混合式教学模式探索和实践、后期课程评价和反馈优化三个方面对《过程控制系统》的教学过程进行持续改进。混合式教学模式不仅可以提高教学效果，更能提升学生学习的积极性和创新能力，需要针对《过程控制系统》课程进一步开展更多不同模式的混合式教学探索和研究。