新工科和工程认证背景下计算机控制系统课程线上线下混合教学模式研究

李明秋，姜淑华

（长春理工大学，吉林 长春 130022）

随着全球科学技术高速发展，尤其是物联网、大数据、智能机器人和云计算等技术的不断涌现，高新技术的发展和应用得到了各个国家的空前关注。为了在全球经济发展和科技竞争中取得优势，我国实施了“智能制造2025”“互联网+”“人工智能2.0”等创新驱动发展战略，以新技术、新产业为特点的全球经济的快速发展，对工程技术人才提出了更高的要求。

2017年，教育部高教司推行“新工科”计划，打破了全国理工高校学科发展的困局，提出了加快培养优秀工程技术人才，重视创新思维，探索工科发展的新体系和模式。

2019年4月29日，“六卓越一拔尖”计划2.0启动大会在天津召开，教育部党组书记、部长陈宝生出席会议并讲话。陈宝生部长指出，教育部将从2019年起，分三年全面实施“六卓越一拔尖”计划2.0，全面推进新工科、新医科、新农科、新文科建设，提高高校服务经济社会发展能力。由此，新工科教育理念在高校中被广泛认知并得以推广。同时，为了全面提高高校的人才培养质量，教育部全面启动了工程教育专业认证工作。长春理工大学也十分重视并积极参与专业的工程教育认证工作，自2016年至今，已有多个专业通过工程认证。长春理工大学自动化专业是2020年度国家一流本科建设专业。近几年，专业教师也一直在为通过工程认证工作而努力。

计算机控制系统是自动化专业的一门非常重要的专业必修课程，该课程融合了数字控制技术、自动控制技术和计算机通信技术的相关知识，是一门理论和实践紧密结合的课程。多年来，计算机控制系统课程一直采用传统线下教学模式，教与学严重分离，教师为主体，学生被动学习，达不到应有的学习效果。在新工科和工程认证背景下，为了适应自动控制技术、计算机技术和现代工业的快速发展，改革计算机控制系统教学内容、教学方法，研究计算机控制系统课程线上线下混合教学模式，提高自动化专业人才培养质量迫在眉睫。

工程教育认证为计算机控制系统课程教学改革提供了广阔的平台，计算机控制系统课程组在充分论证基础上，以满足自动化专业人才培养要求为依托，以工程教育认证为引领，对计算机控制系统课程进行了大幅度教学改革，构建了基于“雨课堂+中国大学生幕课”的计算机控制系统课程线上线下混合教学模式。

一、以课程目标为依据，全面梳理计算机控制系统课程教学内容，体现基础与前沿知识相结合

计算机控制系统课程教学内容包含以下几部分：一是计算机控制系统的基本概念，主要包括计算机控制系统的基本组成、分类、计算机控制系统的性能指标、计算机控制系统的过程输入输出通道和总线接口技术；二是计算机控制系统中信号转换，主要包括信号变换原理、采样信号恢复与保持器、时域采样定理等；三是计算机控制系统时域分析，主要包括稳定性判断、动态性能和稳态性能分析；四是计算机控制系统模拟化设计，主要包括模拟化设计方法基本原理、连续控制器的离散化方法、数字PID控制器及Smith预估控制；五是计算机控制系统的直接设计方法，主要包括最小拍控制器的设计方法、大林控制器的设计；六是基于状态空间模型的极点配置设计方法，主要包括系统的能控性与能观性判断，状态可测时按极点配置设计控制规律、按极点配置设计观测器、状态不可测时控制器的设计等。课程组在原来的教学实践中多以讲授计算机控制系统基础理论为主，工程化不强，例如最小拍控制器只介绍了设计原理，如何工程化实现等并没有得到充分体现。又比如Smith预估控制教学内容较为陈旧，理论分析较多，实际工程应用介绍较少，没有与当前工程应用接轨。

为了解决计算机控制系统教学内容陈旧，工程化不强的问题，课程组通过反复研究讨论，确定了课程教学内容改革方案，突出解决复杂工程问题教学内容，将工程化理念融入教学内容，注重在计算机控制系统课堂教学中联系工程实际，例如在教学内容中引入PID算法工程化处理、工程量的标定与校准处理、最小拍控制器的工程化改进及大林算法工程应用中关键参数的选择等内容。

二、基于“雨课堂+中国大学生幕课”的计算机控制系统线上线下混合教学模式

（一）线上线下混合教学流程设计

为提高课程学习效果，课程团队结合多年讲授课程经验及对互联网教学资源的了解，经过前期对腾讯课堂、超星学习通、雨课堂等平台测试和反复讨论，选用中国大学生幕课作为课程线上主要视频资源，以雨课堂作为课程直播、学生签到、重点难点讨论交流、课程测试等学习任务实施平台，设计了基于“雨课堂+中国大学生幕课”的计算机控制系统线上线下混合教学方案，具体教学流程如图1所示。

图1 计算机控制系统课程教学流程设计

计算机控制系统课程理论总学时40学时，其中线上16学时，线下24学时。在线上教学部分，以中国大学生幕课作为线上视频资源，实现将名师请进课堂。课前以教师为主体，精心选择和设计教学内容，优化课程知识点制定课前预习指导，学生根据教师指导，在雨课堂平台自行学习课程内容，并完成线上知识点测试，同时，对学习中的重点问题及疑难问题在讨论区进行讨论，教师通过QQ群答疑，并在雨课堂平台跟踪学生学习进度，督促学生及时学习。课堂上，教师基于雨课堂平台以学生为主体，融入课程思政，通过测试、总结、问题讨论等环节巩固知识、应用知识，突出教师的调动和引导作用，帮助学生高质量的掌握课程教学内容。课后，教师通过课后作业及线上测试等环节及时掌握学生学习情况，利用课后讨论敦促学生掌握所学内容，教师根据学生讨论和作业测试等情况滚动优化课堂设计方案。教师通过“引导学生自学、积极参与讨论、课后及时反馈”实现计算机控制系统课程线上线下混合式教学。

（二）整合课程教学资源，构建计算机控制系统线上教学平台

课程组优选课程资源，建设具有互动性的课程线上教学平台是线上线下混合教学模式的核心内容。计算机控制系统线上教学平台主要依托雨课堂教平台进行，线上教学平台主要内容包括撰写课前预习指导、选择与教学内容配套的优质幕课视频、上传章节PPT、线上发布章节作业、建设课程测试题题库、发布各章讨论题等。计算机控制系统线上教学平台组成如图2所示。

图2 计算机控制系统线上教学平台组成

课前预习指导能够使学生了解对应章节的教学重点、难点，并通过课前讨论引导学生自主学习，培养学生独立思考的能力。

视频资源选择中国大学生幕课中东北大学“计算机控制系统”视频，参考视频资源选择学堂在线中山东大学“计算机控制系统”视频。

目前，计算机控制系统线上教学平台共编写课前预习指导12个，线上测试题80个（包括主观题与客观题），讨论题32个，发布作业题12个（每章2个主观题）。

（三）精心设计课堂教学，将翻转课堂引入课程教学

课堂教学是学生学习的重要环节，教师和学生在课堂上面对面交流，实现了知识的传授与掌握，学生明确各章的重点、难点。课堂教学中，教师可根据教学内容的特点采用不同的教学方式。对课程中的重点、难点，以教师讲解为主，学生通过雨课堂平台讨论测试实现知识点的掌握，并通过课后作业和讨论进一步巩固、消化相关内容。对学生线上自主学习反馈的主要问题，则以翻转探究式教学方法为主，以学生为主体针对这些问题进行分组讨论，引导学生对这些问题进行较深入的剖析和理解，培养学生独立分析问题的能力，提高学生创新意识和综合素质。

针对课程特点开创性的尝试使用翻转课堂，对于计算机控制系统课程而言，数字PID控制器的设计是计算机控制系统的模拟化设计方法的重点，也是本课程的重点。对于数字PID控制器的传递函数，学生很容易掌握，但对数字PID控制器的参数整定及数字PID控制器的工程化改进，学生普遍掌握不好。数字PID控制器在工程上应用广泛，而且这个内容也是期末考核的重点，因此，自2020年起，为了提高课程的授课效果，课程组针对自动化专业计算机控制系统课程中的数字PID控制器设计，尝试引入了2课时的翻转课堂教学。

本次翻转课堂教学过程分为以下几个阶段。1.准备阶段，学生查阅文献，自主选题

首先将学生每4人分为1组，将设计要求提前一周告知学生，设计要求如下：

第一，查阅参考文献，自行选择一控制系统，画出系统结构图，叙述系统工作原理，明确系统设计要求；

第二，建立系统数学模型；

第三，设计数字PID控制器，整定PID控制器参数，利用MATLAB编程实现数字PID控制器，分析PID控制器参数对系统性能影响；

第四，制作10分钟PPT，准备展示；

第五，提交包含以上内容的设计报告。

学生根据设计要求，组织分工，自行上网查阅相关文献，掌握数字PID控制器的基本原理，了解控制系统的数字控制器设计方法，选择某一控制系统作为研究对象，完成数字PID控制器的设计及系统仿真。

2.分组展示阶段，学生答辩

在这个阶段，每组派一名学生代表进行课上答辩，利用PPT完成，主要介绍本组选择控制系统的工作原理，系统基本要求，如何建立系统的数学模型，是否适合选择数字PID控制器作为控制器，讲解MATLAB源程序及仿真结果，分析控制器参数对系统性能的影响。这个阶段允许教师和其他小组的学生进行提问。

3.教师评分阶段

本次翻转课堂总分为100分，最后折合为课程平时成绩中的3分，课程组设计了一套具体的评分标准：选题10分、系统建模10分、数字PID控制器设计及仿真40分，答辩20分、设计报告20分。课程组分别为每一组学生进行综合评分，结合各组提交的小组成员分工及贡献情况为每个学生进行打分。具体的评分细则如表1所示。

表1 数字PID控制器设计翻转课堂评分标准

4.总结阶段

在这次翻转课堂的最后，由教师向全体学生进行总结，所有学生都积极参与到了这次翻转课堂教学中；大部分学生在这个教学环节中都表现得非常出色，选题都非常具有代表性，尤其是在控制器设计这一环节上，学生能够很好地掌握数字PID控制器的基本原理，并能利用MATLAB实现，为他们将来解决同一类问题打下了良好的基础。

（四）课后加强总结与复习

课后，通过课后作业、课后讨论及测试等环节使学生进一步巩固、消化相关内容。

三、突出过程考核，构建多元化的计算机控制系统过程性考核方式

（一）考核形式多元化

加大过程性考核比例，采用考查运用相关知识能力、实践动手能力、语言表达沟通能力的多元化考核形式。

计算机控制系统课程由理论授课和课内实验两部分组成。理论授课40学时，采用启发式、讨论式和翻转课堂等教学方法提升教学的效果；课内实验8学时，以学生操作、综合和验证为主，教师讲解、提问、引导、答疑为辅，引导学生掌握计算机控制系统的设计方法，提高学习兴趣和实践能力。经过反复研讨，课程组构建了多元化的计算机控制系统性考核方案，如图3所示。

图3 课程考核方案

（二）考核内容多元化

在内容的选择上除了传统课程知识点外，在平时测试时，课程组增设非标准考核内容，增加考试的难度和挑战度，考查学生综合运用所学课程知识分析问题和解决问题的能力。

四、构建有利于教学质量持续改进的课程评价体系

按照教育评估专家Stufflebeam的观点，评价最重要的目的“不是为了证明，而是为了改进”。针对课程教学实施过程，在评价主体方面，采取多元评价方法，构建基于专家、教师、教学管理者、学生多维开展的课程教学质量评价体系。专家通过对课程教学内容讲授和线上线下教学组织情况的调查了解，对课程进行评价并提出合理建议，促进教师提高教学水平。教学管理者通过随堂听课，深入教学一线了解课堂具体实施情况，及时解决问题。课程组向学生发放课程教学调查问卷，了解学生对课程教学情况的评价反馈，帮助教师和教学管理部门完善课程教学工作，提高课程教学质量。

针对课程教学效果，评价的重点是教学设计的合理性、考核方案的有效性、学生对教学内容的掌握情况，课程目标的达成度分析及课程的持续改进分析。评价主体为教师、学生、同行专家。教师对课程进行总结分析，包括试卷命题分析与评价、班级成绩分析、考核方案合理性分析，进而对课程开展自评与改进分析。通过对学生开展问卷调查，了解学生的体会与收获，收集反馈建议。同行专家通过教师的总结分析、学生反馈，评价教学效果和学生学习成效及课程目标达成度。教学质量评价的目的是加强师生沟通与反馈，充分调动全体师生参与课程教与学的积极性，共同作用于课程教学过程，提高课程教学质量。评价体系如图4所示。

图4 课程评价体系

五、线上线下混合教学模式实施后成效

课程组运用线上线下混合教学模式在某校2017级自动化专业进行了实践，为了研究线上线下混合教学模式实践效果，对比了该专业2017级（线上线下混合模式）及2016级（传统教学模式）学生计算机控制系统课程总成绩分布情况及课程目标达成情况。为了研究结果的有效性，课程组在2017级命题时，参考2016级试题，保证两套试题考查知识点、题型及难度系数基本相同。图5为自动化专业2017级及2016级计算机控制系统成绩分布对比图，图6为2017级与2016级自动化专业计算机控制系统课程目标达成度对比图，由图5和图6可以看出2017级总分80分以上学生比例明显高于2016级学生，课程目标达成度也均高于2016级学生。主要原因是混合教学秉承以“学生为中心”的教学理念，注重过程考核，激发了学生学习的主动性，学生在课前、课中和课后进行了大量的讨论和测试，改善了学生的学习效果，提高了课程目标达成度。

图5 自动化专业2017级及2016级计算机控制系统成绩对比

图6 2017级与2016级自动化专业计算机控制系统课程目标达成度对比

六、结束语

在教育信息化背景下，利用丰富的网络教学资源，借助网络教学平台开展线上线下混合式教学模式已被广泛采用，课程组围绕“金课”建设的“两性一度”标准，在教学内容、教学模式、考核方案及评价体系等方面进行了教学改革，充分发挥了线上线下混合教学的优势，促进了学生的个性化、深层次学习，提升了学生学习效果，促进了师生的共同进步。