“自动控制原理”混合式教学改革实践

2021-08-24白圣建李兴玮曹聚亮

电气电子教学学报 2021年4期

关键词：自动控制原理自动控制教学资源

白圣建，李兴玮，曹聚亮，张辉

(国防科技大学智能科学学院，湖南长沙 410073)

0 引言

国防科技大学的“自动控制原理”课程始设于“哈军工”时期的导弹工程系，是当时学校面向工程技术类和指挥类学员开设的传统特色课程。主要讲授自动控制理论的基础知识，锻炼分析与解决控制工程问题的基本能力，培养以反馈和优化为核心的系统观与思维习惯。

由于繁多的知识点和不断压缩的学时，加之控制理论本身具有较强的理论性和抽象性，给该课程教与学带来较大困扰[1]。

线上线下混合式教学作为信息化条件下面向泛在学习的一种教学组织形式，能够有效拓展课堂学习的时空边界，给传统教学带来很大活力[2]。近年来，随着我国高校优质MOOC的蓬勃发展，这种教学模式逐渐得到推广应用[3～4]。但在泛在学习环境下，单纯采用MOOC课程开展混合式教学难以满足学生的个性化学习需求，需要以多种类型的网络化教学资源为支撑。本文结合省级精品MOOC和线上线下混合式一流课程建设与教学实践，从教学资源建设、教学手段更新、考核方式改革和混合式教学实施等方面，介绍一些方法举措。

1 面向泛在学习，建设多样化教学资源

在“互联网+”教育模式下，泛在学习打破了传统课堂教学的时空界限，教室不再是学习知识的唯一场所，纸质教材也不再是课程知识的单一载体[4]。尤其是对于成长于网络时代的“00后”学生，他们的知识获取方式更加多元化、交流方式更加网络化、学习需求更加多样化和个性化。课程组面向学生开展泛在学习的内在需求，建成了包括精品MOOC课程、微视频、教学案例、电子文本资源在内的多样化教学资源。

1.1 视频资源

视频资源是学生最为喜闻乐见的教学资源。课程组在精品资源共享课的基础上，将教学内容切分重塑，于2017年在“学堂在线”上线了“自动控制原理”MOOC课程，并配备了大量自测习题。其特点是知识点讲解直奔主题、短小精悍，便于学习者快速掌握课程的知识点。但在教学实施过程中，我们发现MOOC课程尚不足以满足不同专业(控制类与非控制类)、不同类别(指挥类与非指挥类)学生的个性化学习需求。近年来，我们接续录制了大量Matlab教学微课、典型习题讲解微视频、倒立摆实验装置演示视频等，发布在Bilibili网站[5]或雨课堂网盘，供学生自主学习。

新冠疫情期间，这些教学资源为开展线上直播教学、线上专题研讨、线上翻转课堂教学等提供了有力支撑[6]。为保障学生返校后开展非集中式课程实验，我们还事前录制了课程实验讲解微视频，发布在Bilibili网站，供学生课前预习与课上回放参考，有力保障了疫情下实验教学的顺利开设，也为今后继续开展线上线下混合式课程实验奠定了基础。

1.2 案例资源

类型多样的视频资源为学生在课外开展自主学习提供了条件，面向不同专业学生定制的教学案例则为课堂教学注入新鲜活力。如果把课程知识点构成的框架视为骨骼，那么好的教学案例可视为将其联结起来的血肉。特别是那些来源于科研成果的教学案例，是有效融合学科知识、工程实践和课程内容的绝佳载体。

课程依托承研重大科研项目的技术积淀，积极推进科研成果进课堂，将优势科研资源转化为教学素材，面向飞行器设计、导弹工程等专业学生，结合某型制导武器研制任务，建设了导弹飞行控制教学案例；面向机器人工程、机械工程等专业学生，结合RoboCup机器人竞赛等活动，建设了机器人运动控制教学案例；面向炮兵工程、仿真工程等专业学生，结合两套实验装置，建设了火炮随动控制系统和倒立摆控制系统教学案例。这些教学案例都贯穿了“围绕一个中心，一纵三横交错”的设计思路，一个中心是指单输入单输出(SISO)线性系统，一纵是指自动控制系统建模、分析及设计的主线，三横是指自动控制系统的稳定性、快速性和准确性这些性能评价指标。教学案例与课程的核心知识点紧密耦合、相互支撑。融入了带有专业背景的教学案例后，课程知识的主干依然如故，然而内容更生动、知识更饱满，工程实践性更强。

1.3 电子文本资源

我校开设的“自动控制原理”课程以经典控制理论为主，还包括计算机控制和现代控制理论的部分内容，课程知识点繁多，很容易使学生陷入局部，难以把握整体。为此，课程组经过多轮次迭代，分层次制作了课程知识点思维导图。以图为纲[7]，繁简相宜、图文并茂，贯穿起课程全貌，是学生开展自主学习的“导航器”，深受学生欢迎。

我们将每堂课的主要内容梳理出来，以填空题或选择题的形式制作成随堂笔记，在课前以卡片的形式发放给学生，用于课上记录，以提高课堂学习效率。同时，这也有助于学生课后复习。此外，课程组还将Matlab程序脚本、控制领域经典文献、案例素材等大量文本资源分享在百度网盘。这些多维度网络化教学资源为学生开展泛在学习提供了有力支撑。

2 瞄准痛点难点，更新信息化教学手段

教学手段是师生间信息传递的工具或媒介，大致可分为两种类型，其一具有专属性，利于破解课程自身的难点或教学过程中的痛点，例如基于专业软件的计算机辅助教学；其二具有普适性，能够改善或变革教学模式，例如目前正广泛推开使用的信息化教学手段，让教学过程留下“数字痕迹”，为动态优化课程教学提供数据支持。

针对“自动控制原理”课程教学内容较为抽象的特点，我们引入Matlab、Scilab等专业软件，使抽象的计算与设计过程图形化以便于学生理解；并且还将熟练使用这类软件的控制系统工具箱作为一项基本技能，要求学生结合线上微课和程序脚本完成自学和操练，为开展课程实验、专题研讨和将来的控制工程实践奠定基础。

针对“自动控制原理”课程教学(特别是大班授课)过程中学情信息掌握不及时、不全面，师生交互方式单一的特点，我们将雨课堂应用于每年的10余个教学班次。教师可以借助雨课堂开展随机点名、互动答题、弹幕交流等丰富的教学活动，还能够获取每一名学生在课前、课中和课后的学习数据以动态优化教学方法、适时调整教学进度。并且，还能够通过手机雨课件向学生有针对性地推送多样化教学资源，进行个性化辅导。

针对“自动控制原理”课程教学过程中黑板板书较多，学生无法留存回看的痛点。课程组引入与雨课堂兼容的光感应黑板，使黑板板书过程自动生成视频，无缝嵌入雨课堂教学记录中。学生可以在移动终端随时随地观看教学课件、板书视频等整个教学过程。

3 突出过程评价，改革形成性考核方式

考试前突击复习是大学生们常用的备考形式，容易造成平时不努力、考前“开夜车”的情况；死记硬背的知识考后就忘掉，很难内化于心，这显然不符合认知规律和教学初衷。我校开设的“自动控制原理”课程，不但包括经典控制理论，还包括现代控制理论和计算机控制技术的部分内容，知识点繁多，平时不努力就很难取得优异成绩，这也是造成考核通过率低的重要原因，需要引导学生将功夫用在日常。此外，“自动控制原理”课程虽然提供了大量的网络化教学资源，但学生线上自学，特别是对非MOOC教学视频的学习，如果缺少有效监督，仅靠学生的自主性仍难以保证学习质量。为此，课程组不断推动形成性考核改革，对学习全过程进行评测。

我们综合考虑线上与线下、课上与课外、师评与互评，将基于手机雨课件和MOOC课程的课前预习答题、基于雨课堂的课堂互动表现与随堂测试、基于手机雨课件的课后作业评价、分组专题研讨评价结果、随堂笔记、课程实验成绩等作为平时成绩，将其在总成绩中的占比设置为不低于50%(主讲教师参考学生建议自主设定比重)，以引导学生把功夫用在平常，扎实掌握课程的每一个知识点。

4 借助智慧教学工具，开展混合式教学实践

该课程线上线下混合式教学的整体思路是，利用雨课堂智慧教学工具整合丰富的数字化教学资源，开展“课前引导学生预习、课中引导学生学习、课后引导学生研习”的教学活动，如表1所示。

表1 三阶段任务

教学实施过程分为课前、课中和课后三个阶段,总体实施流程如图1所示。

图1 教学过程三阶段

课前，采用手机雨课件整合包括MOOC课程在内的多种类型线上教学资源(表2)，通过手机雨课件送至学生的移动终端。学生完成预习任务后，教师根据学生预习评测和反馈信息，评估学生的预习效果和知识储备，有针对性地优化教学内容。(白圣建等文)

表2 “自动控制原理”课程线上教学资源

课中，教师针对不同专业学生开展案例式教学，通过“课堂随机点名”、“实时投票答题”、“弹幕交流互动”等环节，引导学生积极参与课堂互动，并适时开展专题研讨或翻转课堂教学。例如，在开展专题研讨时，教师在课前通过手机雨课件向学生发送实际工程案例的研究任务，课上的研讨过程由各组学生自己组织，教师进行必要的引导。

课后，教师通过雨课堂、微信等工具为学生解疑答惑，在线批改课后作业，分析学情统计数据、改进教学设计，并有针对性地向不同学生推送教辅资料。

实践证明，基于雨课堂的“自动控制原理”混合式教学实现了教学过程中资源、学习和活动的有效融合，畅通了师生信息反馈通道，将教与学紧密联系在一起，有效提升了课堂教学质量。三年来，学生开展自主学习的主动性显著提升，对该教学模式的支持率高于85%，课程考核优秀率保持在20%以上，超出传统教学的考核优秀率约10%，课程考核不通过率也有明显下降。