线上线下混合“计算机控制技术”教学改革

黄江茵

(厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

0 引言

在自动化专业中，“计算机控制技术”是一门核心主干课程[1]。该课程要求学生在掌握系统特性分析的基础上，针对控制需求设计离散控制器，并在计算机上编程实现。传统上，该课程的教学是由理论授课环节辅以仿真控制实验环节构成，但在新冠疫情的影响下，首次采用了全线上教学模式进行授课。虽然采用腾讯会议、雨课堂[2]、慕课相结合等线上教学模式及时弥补了疫情期间无法线下集中授课的不便，但依然存在着不少局限性，如难以保证听课效率、难以及时了解反馈、难以充分调动学习积极性和综合评价学习效果等问题。同样，传统的纯线下教学环节也存在着自身的弊端，如授课方式单一[3]、信息共享薄弱、实践环节受实验室条件制约较大等。本文探索了一种针对“计算机控制技术”课程的线上线下混合式授课方式，旨在取长补短，提升教学效果。

1 混合教学模式设计

传统线下教学模式的优点在于能够通过板书推导详细讲解核心知识点，可直观感受到学生的掌握情况并及时调整授课节奏，也能够通过随堂小测、提问讨论等使学生的注意力集中在课堂之上。但由于授课手段较为陈旧，大量的理论知识容易造成学生的注意力下降，也不利于培养学生主动研究探索的良好习惯。线上教学则能够对这些不足加以弥补，教师能够通过线上授课平台分享大量学习资源，运用平台自带的多种类型课堂互动形式活跃课堂气氛，提升学生的参与度，从而调动学生的学习热情。为了更好地做到线上线下教学模式融合，取长补短，最大程度完善课程教学，首先应对本课程的核心知识点进行梳理，设计详细的教学方案。

1.1 线下教学环节设计

按照教学大纲，“计算机控制技术”课程共56学时，其中48个理论学时，8个实验学时。课程的核心知识点主要包括：Z变换与Z反变换、差分方程与脉冲传递函数计算、数字控制器的连续化、离散化设计方法及其编程实现、数字程序插补技术等[4]。各知识点涉及的理论和公式较多，为保证学生充分掌握Z变换相关知识点，为数字控制器的设计奠定良好的基础，上述知识点均通过线下授课环节进行讲解。考虑到后续将通过线上环节加深学生对知识点的掌握，并引入企业控制器设计施行案例，强化训练学生的控制器程序设计调试能力等，在不改变课程总学时的前提下，将线下线上授课比例调整为各50%，即28学时线下理论授课环节，28学时线上能力提升环节。在28学时的线下授课环节中，教师需要加快授课进度，要求学生做好课前预习和课后复习工作，删减理论过于老旧的、实践性较低或者与其他课程重复的知识点，提高授课效率，要求学生在短时间内高效掌握课程所有理论知识，为后续以控制器设计实践为主的线上教学环节奠定足够的理论基础。

1.2 线上教学环节设计

如前文所述，线上教学环节共安排28学时，授课目标为配合线下教学环节，运用平台软件全方位衡量学生的学习情况；强化学生的数字控制器设计和编程实现能力，并引导学生通过接触企业主流控制器设计技术，了解不同企业生产线的应用。根据这个目标，线上授课内容为指定典型工业对象模型，设计多种数字控制器并编写程序实现，对比控制效果；通过网上调研、视频共享、分组答辩等形式，了解高新企业的智能生产线系统，讨论控制需求和可用技术；邀请校企合作企业导师参与在线课堂，通过视频方式提出企业亟待解决的控制难题，引导学生设计可行解决方案，并进行线上讨论。

2 实施过程与效果分析

线上线下混合式“计算机控制技术”课程授课过程中，主要采取两种模式交叉递进的形式进行授课。其中，线下授课与传统授课方式相比，除了根据前文所述精简授课内容，加快授课进度外无太大的变动，故本文以下部分着重对线上授课环节进行阐述。

2.1 线上授课模式实施过程

首先，为了保证学生在较短的线下授课环节中高效消化核心知识，每堂线下理论课前，均通过我校网上课程中心教学平台发布配套PPT、视频资料，并布置思考题，要求学生通过自学基本掌握上课内容；每堂线下理论课的课后，均开放2小时针对该堂课的在线答疑和讨论，并将提问、讨论的参与度作为期末总评成绩考察的重要组成部分。图1为在线上课程中心发布的课前学习指导，通过文档、PPT和视频资源帮助学生梳理课堂核心知识点；图2为课后答疑记录，学生可在该平台上提出疑问，教师和其余同学均可在线回答，参与讨论。

图1 线上课程中心学习指导

图2 线上平台课后答疑记录

随后，要求学生在掌握理论知识的基础上，针对指定工业典型二阶、三阶系统，分别设计并编程实现数字PID控制器、最少拍控制器和Smith预估控制器，对比分析控制效果，给出改进方案。作为能力提升训练，要求学生利用课余时间设计一个综合应用小软件，可根据系统参数，自动设计上述几种数字控制器，给出控制器模型，并根据工程经验或者被控对象模型自动整定参数，给出模拟控制效果。本部分线上环节共分配12个学时，旨在帮助学生巩固课程核心知识点，熟练掌握根据被控对象模型、控制需求设计不同类型数字控制器的步骤，同时强化训练学生的编程能力和设计综合应用软件的能力。

紧接着，充分利用线上教学模式信息资源丰富、易分享、不受授课场地和实验室条件制约的优势，对传统的仅基于Matlab和简单被控对象进行的实验仿真课进行深化和扩展，增设2～3个企业常用主流建模、控制器设计软件介绍和使用授课环节。配合软件教学视频和在线说明文档等，让学生通过了解和熟悉这些软件，深化控制系统的运行概念，梳理知识脉络。本部分线上环节共分配8个学时。图3为采用Cimatron软件进行生产线模拟的在线学习分享界面。

图3 Cimatron软件在线学习分享

最后，针对培养创新应用型人才的最终目标，线上授课环节将邀请与学校有紧密校企合作的工程师、本校本专业毕业生作为企业指导教师，在征得企业同意的前提下，用网络视频方式，介绍某一典型工业控制实例，并提出若干个亟待解决的控制技术问题，学生根据企业指导教师的介绍，通过课余查阅资料、整合所需知识等方式给出可行方案，最终通过PPT答辩形式完成方案介绍和论证，企业指导教师根据答辩表现和方案可行性给出评价，该评价同样作为课程总评成绩的一部分。本部分线上环节共分配8个学时。图4为校企合作企业提供的机器人焊接生产线视频。

图4 焊接机器人生产线视频资料

2.2 学生成绩综合评价方案

传统的纯线下教学模式，学生成绩综合评价一般由30%平时成绩与70%期末卷面分构成。在线上线下混合教学模式下，由于显著提高了学生线上听课的参与度和工作量，对学生的日常表现、核心知识掌握度和实践应用能力都有了更高的要求。相应的，应该制定一套针对混合教学模式的学生成绩综合评价方案，弱化期末考试卷面分占比，提升线上环节参与度、完成度的考评占比。经过综合考量，将考评方案调整为：平时表现占比60%，期末卷面占比40%；其中，平时表现由课程平台课前预习、课后答疑参与度、控制器设计环节表现、主流控制软件应用能力、企业工程问题分析与解决能力构成，每项占比基本均衡。

2.3 教学效果分析

经过一个教学周期的改革，结合在线授课平台给出的综合数据、企业指导老师和学生反馈以及最终考评成绩分析，线上线下混合式教学的“计算机控制技术”改革获得了良好的效果。首先，线下教学环节精简了老旧、理论性过强或实践性过低的内容，剩余内容均为课程核心知识点，且与后续设计环节紧密相扣，加快了授课进度，使学生意识到配合线上教学平台进行自学、答疑的重要性，平台数据显示，改革施行前后，平台的访问人数由不足每周20人次，上升到每周100人次以上，学生提出的问题也更加有广度和深度。其次，线上授课环节较大地提升了对学生实际掌握控制器设计步骤和技术的考察要求，学生通过逐一答辩形式接受教师提问，对被控对象分析、控制器设计有了更系统全面的认识。

3 结语

在我校加大力度培养创新性应用人才教学目标的背景下，本文探讨了一种线上线下混合式教学的“计算机控制技术”课程改革手段。首先通过提炼课程核心知识点、构建网上教学平台资源库等手段加快线下环节的授课进度，随后采用线上教学模式，配合常用线上教学软件，增大实践类线上课程的学时比例，强化学生对自动控制系统的综合分析、设计能力，通过邀请企业工程人员担任线上指导教师，帮助学生进一步了解课程知识的实践应用领域，培养解决复杂工程问题的能力。最后，通过调整课程评价体系，对学生的表现和能力进行了更加客观的综合考量，达到提高学生学习效率的效果。实践结果表明，通过实施该混合式教学方法以来，有效促进了学生的学习积极性，提升了学生查阅资料、迫切求教的主动性，课程考核结果也体现出了较好的成绩。总而言之，采用线上线下混合式教学方法，获得了学生的一致好评，为后续进一步优化授课策略，全面提升学生综合专业能力奠定了良好的基础。