“自动控制原理”线上线下混合教学模式研究

张 倩，张德祥，李国丽

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

“自动控制原理”课程，是研究自动控制系统共同规律的一门专业基础课，为自动控制系统的分析和综合提供基本理论支持与方法研究。作为电气工程、自动化、测控等专业在控制理论方面入门性质的专业核心课程，它前承“电路分析”“数字电子技术”“模拟电子技术”等基础课程，后为“现代控制理论”“计算机控制”“过程控制”等专业课程奠定基础。因此在教学内容[1]、教学方法[2]、教学形式[3]、工程应用[4]、思政教育[5]等方面均有前沿而深入的研究。目前该课程在教学形式方面的改革多集中在理论课程方面，如：将“MOOC+SPOC”模式与“自动控制原理”课程教学相结合，进行混合教学模式的探索，让学生更好地理解和掌握相关的理论知识[6]。但相关实验课程的教学改革受场地、设备限制，存在一定困难。本文在网络课程内容梳理、实验线上教学、混合式考核方式等方面进行改进。通过本课程的教学，可使学生获得扎实的自动控制原理知识，系统地掌握控制系统的基本概念、工作原理及分析设计方法，为识别、表达、分析电气工程中的实际复杂工程问题并提出有效控制方案奠定基础。

1 学情分析及教学内容

“自动控制原理”课程一方面教学范围广、知识点多、公式计算量大，另一方面与实际系统有紧密联系[7]。根据我院已有的2012～2018级达成度、学评学、学评教数据分析，学生在学习中普遍存在三类困难：①时域系统分析计算的准确性、快速性；②频域概念的理解和曲线绘制；③与实际系统的结合以及原有知识体系的贯穿。

从实际问题出发，将工程应用中的建模、分析、设计问题以框图的形式分解为实际系统、结构框图、传递函数模型、系统时域分析、根轨迹分析、频域分析、系统校正等内容，以达到“稳、准、快”的指标要求，如图1所示。分别在图中标注对应经典控制理论中第一章～六章内容。

图1 “自动控制原理”教学内容分析(经典控制理论)

该教学内容图将繁杂的知识点以工程问题的解决为思路，有逻辑的串联起来，使学生了解各章节内容在实际应用中扮演的角色，增加学习的兴趣，提高应用的能力。

2 基于MOOC的线上线下理论教学

近两年来，MOOC 在全国范围内崛起，给知识传播以及高等教育带来了巨大的变革。随着互联网和移动互联网的普及，我国高等学校也越来越多地采用网络来进行学术交流和知识传播。MOOC 教学模式的产生，实现了优秀教育资源的公开化，与传统的教学模式不同，MOOC 教学模式更侧重于模块化教学，对重点知识进行提炼。

本教学团队将MOOC 教学模式引入到专业基础课的教学过程当中，以此作为学生预习、复习的网络资源。将“自动控制原理”的理论教学内容分解为32个知识点，通过每节课15分钟的教学模块进行讲授，从而做到重点突出，有的放矢。在MOOC 教学模式下，学生可以根据自身情况有选择地进行学习，更有利于学习者掌握知识内容。知识点分解对应的章节内容如表1所示。

表1 MOOC课程知识点表

本教学团队制作的MOOC课程已在安徽省网络学习平台上线，如图2(a)、图2(b)所示，网址为http://www.ehuixue.cn/index/Orgclist/coursecid=33153与线下教学相比，MOOC课程的内容较为精炼，课件也是针对15分钟教学时间专门设计、制作，把课程中主要知识点呈现给学生。操作流程如下：

(a)课程封面

(1)在教师讲授新课前，会推送学习资源，包括视频、课件等。

(2)要求学生以MOOC课程资源预习，并以提问的形式进行监督、考核。

(3)课后会在课程网络平台上编写作业题、试题，作业线上提交和批改，覆盖所有知识点。

(4)定期组织线上单元测试，并提供题库供学生期末复习，提高同学们的计算能力。这些为学生线上学习提供了学习环境和资源，与线下课堂教学有机结合，达到更佳的学习效果。

同理心对于做好办公室工作尤其重要，在日常工作中，要有意识地安排一些活动，形成一种氛围去培养办公室工作人员的同理心，这有利于我们做好办公室的工作。但同时，也要正确认识同理心，在合理利用同理心做好工作的同时，也要合理规避同理心带来的负面影响，加强制度的约束力和执行力。确保同理心能在合适的范围得到充分的利用，服务于我们的办公室工作。

3 应用口袋仪器的实验教学设计

针对疫情期间暴露的线上实验教学困难的问题，改进现有实验设施，引入口袋实验设备，与原有唐都试验箱、Matlab仿真软件相结合，形成线上线下实验教学体系。

口袋实验室的理念最初由斯坦福大学的Clifton Roozeboom 博士提出。他利用超高密度集成工艺技术将传统实验箱的功能集成在一块如火柴盒大小的线路板上[8]。目前，电气工程和自动化专业的口袋实验室多应用于“电子技术”“单片机”等课程[9]。本文在“自动控制原理”课程中引入口袋实验设备，设计了一阶系统时域响应、高阶系统稳定分析、频率特性曲线等六个实验内容，形成线上线下实验教学体系。

本实验选用硬木课堂EPI-m102型口袋仪器，外围尺寸约20 cm*2 cm*6 cm，内部核心实验班如图3所示，与笔记本电脑、台式机等上位机以USB线连接。

图3 硬木课堂EPI-m102型口袋仪器

可在实验课开设前发给学生，学生无需到指定实验室，可在宿舍、图书馆、自习室或家中进行实验操作和学习。图4为学生在寝室，应用口袋仪器进行的一阶系统时域响应实验。图5为上位机界面截图。

图4 应用口袋仪器的一阶系统时域响应实验

图5 口袋仪器上位机界面截图

4 线上线下混合式教学考核方式

经过理论和实验教学线上线下的改革，形成了“自动控制原理”的一套完善的教学闭环——“MOOC平台预习(线上)→导入新课(线上/下)→讲授新课(线下)→习题分析(线上/下)→Matlab仿真(线上)→口袋实验(线上)/试验箱(线下)验证→布置作业(线上)→章节总结(线下)→课程设计(线上/下)→MOOC平台复习(线上)”。

原理论课程考核方案为总评成绩(100%)= 平时成绩(30%)+期末考试成绩(70%)。其中平时成绩的统计较为粗糙，一般根据出勤率和作业完成情况，给出大致评价分数。线上线下混合式教学改革后相应的课程评价方式也应有针对性改进，提出更为全面细致的评价方案。总评成绩(100%)= 平时评价成绩(50%)+期末考试评价成绩(50%)。其中，平时评价成绩(50%)=平时常规考核(课前观看视频10%+课上签到考勤5%+课堂互动5%+小测验10%+作业20%)。理论课程考核方式两者的区别，如图6(a)、6(b)所示。

(a)原理论课程考核方式

实验课程考核方式也由原来单一的操作考核，改进为总评成绩(100%)= Matlab仿真实验(30%)+线下试验箱操作实验(40%)+线上口袋仪器操作实验(30%)，如图7所示。

图7 线上线下混合教学实验课程考核方式

5 教学改革实施成效

线上线下混合教学模式在近三年逐渐推进，从“自动控制原理”理论与实验课程中学生的成绩分布情况，如表2、表3所示。可看到实行教学改革后，理论成绩逐年提升。实验课程改革是在2020～2021年推行，可见该学年实验成绩分布较前两个学年有明显的优化趋势。

表2 近三年理论课程分数分布表

表3 近三年实验课程成绩分布表

除以上成绩的提高外，近三年，团队教师指导本科生成效显著提高：发表/录用科研论文8篇，其中SCI 源刊4 篇，CSCD 以及中文核心期刊论文3 篇；指导本科生专利申报4 项，其中实审发明专利1 项，授权实用新型专利2项；指导本科生获各类教学成果奖6 项。

6 结语

本文研究了“自动控制原理”课程的特征和学情，设计并制作了MOOC线上课程资源，引入口袋仪器设备，形成理论与实验相结合的线上线下混合教学体系，并对考核方案进行改进。未来将深化线上教学改革，推广MOOC课程资源，收集平台教学数据，研究出版基于口袋仪器的线上教学指导用书，进一步优化线上线下混合教学体系。由课程改革和实施成效可见，本文提出的教学改革方法可有效提高学生理论、实验课程成绩，并取得较好的竞赛、科研成果。