“自动控制原理”课程混合教学模式研究

乔学工，李鹏伟，富立琪，李 旭

(太原理工大学 信息与计算机学院，山西 晋中030600)

0 引言

近年来，教育部在新工科建设上积极推进，先后发表了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等纲领性文件[1]。为适应新一轮科技革命和产业变革新趋势，加快发展新工科建设，探索形成具有中国特色世界水平的工程教育体系，我校启动了新工科背景下的2019版人才培养方案的制订工作，提出了对创新型人才培养新的要求，同时也提出了对当下教育体制和传统教学模式的挑战，客观上要求对传统教学模式进行改变，建立一种符合要求的学习系统框架，以适应当今社会对人才培养需求。混合学习模式应运而生，为我们构建这种全新的学习系统提供了框架思路和整合模式，而深度学习理论的提出契合了当今知识时代对创新人才培养的宗旨。

1 深度学习理论

1.1 深度学习理论提出

美国学者Ference Marton和Roger Saljo，针对学生阅读实验出现的孤立记忆和非批判性接受知识的浅层学习(surface learning)，同时又借鉴布卢姆认知维度层次划分理论，在1976年首次提出了深度学习(deep learning)[2]。认为学习不仅是个体感知、记忆、思维等认知过程，也是根植于社会文化、历史背景、现实生活的社会建构过程。此后，许多研究者开始关注深度学习，近年来，深度学习愈来愈受到更广泛关注，2006年，加拿大多伦多大学Hinton 教授和他的学生Salakhutdinov在《科学》上发表了一篇关于深度学习的文章，开启了21世纪深度学习在学术界的浪潮。

1.2 深度学习理论特征

1)注重知识学习的批判理解

深度学习强调新知识和思想要批判性地学习，对任何学习材料采用一种批判或怀疑的态度，批判性地看待新知识并深入思考，并把它们纳入原有的认知结构中。

2)强调学习内容的有机整合

深度学习提倡将已知概念与新概念和原理联系起来，再进行整合，充实到原有认知结构中，从而引起对新的知识信息的理解、长期保持及迁移应用。

3)着意学习过程的建构反思

深度学习要求学习者主动理解和判断新知识，运用原有的知识经验对新概念或问题进行分析、鉴别、评价，建构新知序列，不断对自我建构结果审视反思。

4)重视学习情境的迁移运用

深度学习要求学习者深入理解学习情境，既可以在相似情境中对关键要素的判断和把握做到“举一反三”，也可以在新情境中分析判断差异并将原则思路迁移运用。

1.3 深度学习理论路线

深度学习路线DELC(Deeper Learning Cycle)也称“深度学习环路”，是一种包含脑研究、标准和个体学习差异在内的教学模式，帮助学生加深理解知识并培养批判性思维，而作为教学实施指导，可帮助教师更好地引导学生发现问题、分析问题、解决问题，培养自主探究合作的学习方式，促进学生创新思维的形成。

2 基于DELC的 MOOC 平台混合教学模式

2.1 混合学习理论

混合学习根据“混合”方式不同可以分为以下几类：

不同学习理论的整合包括建构主义、行为主义和认知主义；

学习环境的整合包括传统课堂、在线学习；

学习方式的整合包括接受学习、自主探究学习和合作学习、网上学习和网下学习、同步学习和异步学习；

学习资源的整合包括传统媒体资源与网络化或数字化媒体资源；

学习参与者的整合包括学习者、教师、专家和网络计算机。

多种形式的整合目的是“取众家之所长”，通过优势互补实现学习者的有效学习。

南国农先生在总结我国教育信息化发展的新阶段时，提出“把传统学习方式的优势和数字化学习的优势结合起来，使两者优势互补，才能获得最佳的学习效果”。Bonk Curtis J.将混合学习定义为“面对面教学和在线学习的结合”(a Combination of Face-to-face Instruction with Online Learning)。混合学习形式上看起来是传统的线下教学和数字化学习的结合，但这种结合并不是机械式叠加，而是教育信息化进程中的必然产物。混合式学习体现了既是以学生为主体，又是以教师为主导的双主体教育思想，强调教和学高度融合的教学模式，注重师生之间课堂教学的有效交流和在在线学习中对所学内容的自我建构。

2.2 混合教学模式设计

深度学习路线(DELC)作为建构学习系统框架的指导理论，将MOOC教学和传统线下教学进行有机结合[3]，促进学生有效学习，达到深度学习的目的，如图1所示。

图1 基于DELC的MOOC混合教学模式

1)深度学习路线(DELC)指导MOOC混合教学模式

在基于深度学习理论的混合学习框架中，DELC作为开展混合学习活动的理论基础，以“课程目标教学准备”“预测评估”“营造环境”“预备并激活先期知识并获取新知识”“深度加工”“学习评价”六个方面为主线。

混合式教学将“以教师为中心”的传统线下课堂转变为“教师为主导-学生为主体相结合”的教学模式，对教师教学提出了既要关注“如何教”，更要关注“如何促进学生学习”的要求，因此在线上和线下的教学环节上必须科学地设计，并合理分配教学内容。

“自动控制原理”作为电子信息类、测量仪器与控制工程类专业重要的专业基础课，具有很强的理论性、实践性和综合性，该课程的核心知识——系统及反馈的概念、原理、分析方法等内容不仅是控制系统的基本知识，也是科学方法论的重要构成[4]。因此该课程的教学目标不仅要求学生掌握自动控制理论相关知识，更重要的是培养学生具备分析问题和解决问题的能力。下面以“控制系统稳定性”一节的混合式教学为例，具体说明如何借助于 MOOC 平台进行混合式教学设计。

2)教学准备

在混合教学实施前，需要对“自动控制原理”课程完成下面教学准备工作。

根据教学内容，在MOOC平台选择了由北京交通大学程卫东教授团队主讲的“自动控制原理”；

根据本专业培养目标的要求，对教学内容进行梳理，制作微课视频，上传课件；

编写作业题、单元测试题、结课试题，内容基本上覆盖了所有知识点；

发布学习资源，包括视频、课件、作业题、单元测试题，为学生线上学习丰富学习资源。

3)线上教学环节

(1)课前布置问题，要求学生带着问题学习；

(2)学生在线观看视频，完成主要知识点学习；

(3)线上组织大家讨论、帮助答疑解惑；

(4)要求学生线上完成作业及测试，检验和巩固所学知识。

在混合教学设计中关键的就是要科学设计教学环节，合理分配线上、线下教学内容。例如，时域分析法中基本知识点“控制系统稳定性”学习，可以让学生线上观看教学视频完成。但是，在学生线上学习之前，预先要给学生布置相关知识点的问题，让学生带着问题去学习，在讨论区还要回答布置的问题(促学的措施之一)，所以学习效率相对较高。学生独立完成线上学习任务，这个过程中学习的主体是学生，充分培养和训练了学生学习能力。此外，通过线上的单元测试可检验学生对知识点掌握的情况，设置互评环节，加强学生对知识点的掌握和分析问题能力。对于没有掌握好的知识点，通过在线答疑得到解决。

4)线下课堂教学环节

(1)知识点总结；

(2)综合例题讲解；

(3)扩展知识讲解，引导学生深度学习；(启发、引导创新性思维)

(4)学生分组讨论。

针对控制系统稳定性进行扩展知识讲解，不是传统课堂教学活动的照搬，而是对稳定性进行深度解析导入，让学生对稳定性有更深入的理解。重点解析稳定性充分必要条件、Routh判据的提出过程、前人分析问题、解决问题思维方式，引导学生进行深度思维，最终定位在培养学生发现问题能力、自学习能力和科学思维分析方法的能力，而不是单纯地集中在知识积累上，它是对整个教学内容的升华，亦是对学生创新能力培养的具体措施之一，符合新工科背景下人才培养的要求。

下面针对扩展教学内容进行进一步分析：

(1)由稳定的充要条件得到: 控制系统稳定性分析的关键是找到闭环特征根。

(2)求闭环特征根最直接的办法是求解闭环特征方程。系统闭环特征方程如下式所示。

D(s)=a0sn+a1sn-1+…+an-1s+an=0

一百年前计算机尚未问世，当时使得求解高阶代数方程的根并非易事，这时候我们就会发现问题：如果系统的闭环特征根得不到，时域分析法将失效。(发现问题)

(3)那么是否存在可以不求解闭环特征根就能判别系统的稳定性呢？(提出问题)

(4)答案是(引出Routh判据)E.J.Routh提出了根据特征方程系数来判别系统稳定性，即Routh判据。

(5)当年E.J.Routh是如何给出的Routh判据? Routh判据又是如何解决了不求解高阶系统闭环特征根，就能判别系统的稳定性呢(寻求解决问题的方法)？

(6)引导学生按照前人的思路逐步分析：通过系统闭环特征方程式，得到劳斯表，利用劳斯判据，如果劳斯表中第一列元素都大于零，闭环特征根都位于S平面左半平面，系统就是稳定的，否则系统在S平面右半平面特征根的个数等于劳斯表中第一列元素符号变化的次数，这样通过劳斯表的方法就可以方便地找到系统所有的闭环极点在S平面的位置。这正是E.J.Routh的创新性所在，也是他的最大贡献，这种分析问题和解决问题的方法堪称创新性的思维，值得现代人借鉴。

(7)进一步升华：现在我们拥有了功能强大的计算机，再难的方程都可以求解，但是前人所给出的这种思维分析方法对我们的研究工作仍然有着重要的借鉴和指导意义，这一点也正是我们重点讲给学生的，也是控制系统稳定性教学过程中的“高潮点”，好比种下了一粒创新思维的种子，在未来的学习和研究工作中它会遇缘而破土发芽，结出创新之果。对于本科教学而言这才是真正意义下的培养学生的创新能力，体现了“教育的目的不是学会一堆知识，而是学会一种思维”。

3 结语

今年，由于受新型冠状病毒感染肺炎疫情的影响，学生无法正常到校，教育部提出“保证疫情防控期间高校教学进度和教学质量”的有关精神，要求采取政府主导、高校主体、社会参与的方式，共同实施并保障高校在疫情防控期间的在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”目标，这学期在“自动控制原理”教学中，混合学习模式作为建构学习系统框架的指导理论，将DELC 作为具体开展混合学习的实践性指导，将传统教学和在线教学进行有机结合，同时还制定了疫情防控期间在线教学实施方案，经过1个学期的实践，发现采用这种混合学习的方法大大提高了学生的积极性和创新性，成绩有了显著地提高。