基于闭环反馈的多元化课程改革探索<br/>——以物联网控制技术为例

基于闭环反馈的多元化课程改革探索
——以物联网控制技术为例

2022-10-19李思莹

电脑与电信 2022年7期

李思莹

（滁州学院计算机与信息工程学院，安徽滁州 239000）

1 引言

物联网是一个交叉学科，核心技术覆盖整个信息学科，包括电子、通信、计算机和自动化控制等，被誉为信息技术领域的第三次革命[1]。物联网作为国家大力倡导的新兴产业，需要大批高水平的技术人才。国内各大高校以此为导向，积极开设物联网工程专业，为行业培养具备开发、应用、服务等综合能力的应用型人才。物联网技术要做到对人、物、环境进行实时的监控和管理，提高资源利用率，控制技术则是实现服务型物联网社会的重要支撑技术，在实现高效的、智慧型的物联网领域具有广泛的应用前景[2]。

物联网控制技术是物联网领域的有专业特色的课程，该课程对培养物联网工程人才有着重要的影响和作用[3]。教学方面，本课程为物联网工程专业学生的核心课程，在介绍物联网控制的定义与技术的同时，应帮助学生了解物联网行业典型的自动化控制情境和发展前景。结构方面，本课程应做到帮助学生搭建物联网专业学习和行业认知桥梁，进一步确立就业目标，为求职方向打下良好基础。学生发展方面，本课程应加强培养学生的工程意识，使学生对自动控制领域充满兴趣和热情，对行业未来发展充满信心。目前，许多高校在物联网专业开设物联网控制技术课程，但是尚缺乏成体系的教学模式和对学生创新实践能力的培养[4]。综上，建立以培养学生理论能力、创新实践能力和工程应用能力为核心的多学科交叉的物联网控制技术教学目的，指导学生开展自主学习、科学研究与创新实践的研究型教学，是提高该门课程教学质量和强化人才培养的有效途径。

2 课程特点

（1）理论知识复杂。本课程有多门先修课程，物联网技术方面有物联网技术导论、传感器应用、嵌入式理论及应用、计算机通信等；在控制技术方面需要学习大量控制理论基础知识，如计算传递函数等[5]，这些知识点公式复杂，计算难度大。在设计控制系统时，需要根据具体环境选择控制算法，并设定控制参数，计算参数对系统性能的影响等，这其中又包含了大量的数学知识，例如复变函数等。因此，物联网控制是一门基础知识庞杂且难度较大的课程。

（2）多学科交叉。物联网控制技术包含计算机科学与技术、通信工程、机械自动化控制等多个学科多领域专业知识，是一门典型的具备交叉学科知识体系的课程。这就要求学生既要掌握物联网技术，同时也要有控制系统的思维，将控制原理运用到物联网技术中，实现物联网系统的建模。在构建物联网控制系统的过程中，要求学生融会贯通物联网技术与计算机控制、电机技术、电气控制、信息通信等各方面的知识。

（3）工程应用性强。物联网专业是一个应用性较强的专业，课程的设置旨在增强学生的工程创新能力，提高学生的工程素养[6]。控制是一门具备工程应用背景的课程，以控制系统分析和设计为理论教学主要内容，在实验教学环节，设置能够提升学生工程意识的实验项目，深化学生的理论知识，开拓学生的知识获取渠道，锻炼学生的动手能力[7]。在教学中，需要大量的典型自动化行业系统作为理论讲解支撑点，提升学生创新能力、应用能力和解决问题的能力。

3 课程教学改革

（1）闭环反馈式教学模式

依据物联网控制课程的核心知识点，闭环控制是系统稳定的重要保障。在教学中，也要设计闭环反馈教学环节，才能更好地完善教学方式方法，因材施教。根据课程专业人才培养定位、目标和课程性质，设计了以培养兴趣、训练方法、建立认识等为目的的课程教学大纲。更新后的课程教学大纲内容如表1所示。

表1 物联网控制技术课程大纲

闭环反馈式教学的目的是让教师在备课和教学中能有意识、有目的、综合性地思考教学目标、教学途径，通过分析检测到的教学效果，改进提高课堂教学质量。改变“以教师为中心”的注入式教学方式，把关注点放在学生身上，关注学生是否真正理解，激发学生的学习兴趣，引导学生进行独立思考、自主学习，实现学生思考和创新能力的多元化。通过学生对教学的反馈、教学结果指标的分析，不断调整和改进闭环反馈式教学。闭环反馈式教学模式示意图如图1所示。

图1 闭环反馈式教学示意图

课堂上，除了对知识点、重难点进行细致讲解外，还需要指导学生在课后的时间熟悉行业内典型自动化控制系统的使用情况。学生通过调研了解大型自动化企业发展历史、技术路线、优势产品和不足之处，结合课上的知识点，撰写调研报告或论文，做到有的放矢，自我提升。经过一段时间的接触和学习，可以组织一次知识共享活动，把课堂交给学生，让学生把自己调研过程中的所见所闻所想分享出来。通过自由讨论，增加教师与学生、学生与学生之间的有效互动，加深知识迁移，提高教学质量。

（2）闭环反馈式实验教学模式

实验体系课程是理论课程的重要辅助环节，一方面，实验是理论的源泉，另一方面，实验需要一定的理论作为指导。实验课程由于教学环境和理论课不同，所以在授课过程中不仅需要丰富的教学内容，更要积极采用启发和研讨式教学方法，提升课堂生动性。在实验讲解过程中，实验教师采用一边讲解，一边动手实操的教学方法，实时关注同学们的接受领悟程度，做到每个步骤都清晰，每个环节有落实。同时，通过设置章节思考题，考察学生的举一反三的能力。实验课后学生可以随时给老师留言，交流实验心得。通过实际操作、书写实验报告层层把关，使学生提高对实验环节的重视，同时培养了学生创新实践能力，加深了工程意识的培养。闭环反馈式实验教学模式示意图如图2所示。

图2 闭环反馈式实验教学示意图

（3）革新教学方法，注重学生中心理念的落实

在传统教学基础上灵活加入演示法、研讨法的运用。引入控制系统在实际生活中的应用，在课堂上进行演示，让学生对控制系统获得感性认识。例如学习控制系统的基本概念及数学模型，带领学生参观学科平台，让学生亲身感受到如何采集温湿度等数据，如何对数据通信并制定相应的控制手段等等。教师应把关注点放在学生身上，关注学生是否真正理解，激发学生的学习兴趣。

增加课堂互动，引入投票、动手实践等课堂互动环节。比如设置开放式的问题，组织学生进行投票。请学生设身处地进行思考，以主角身份来解决问题。帮助学生主动学习，建立对知识更深层理解。课堂上设置简单的仿真任务，让学生一边动手实践一边理解学习，使学生能够在任务驱动下通过自身实践达到预期学习目标。同时，使用教学软件辅助教学，如屏幕共享教学、QQ远程答疑等，帮助学生解决问题；使用辅助教学管理平台，节约点名时间、活跃课堂气氛、增进师生互动等。

（4）制定实施多元化考核方案，突出过程化考核记录

为确保学生掌握好相应的理论知识，改进教学方式，根据工程教育认证的理念，课程开展和考核应该围绕“学生中心”及“成果导向”，要注重对学生能力的考核，考核学生对于课程目标的达成。

注重过程化考核记录，平时作业主要以仿真训练型作业为主。课内实验不仅提交实验成果报告，而且提交中间实验进展记录。实验进展记录作为实验成绩评定参考。期末使用项目考核，制定单独期末考核方案。课程考核的过程也是学生课程学习的过程，所以考核中引入学生评价，让学生在参与中学习。加大全过程考核，采用多元化评价方式，全面灵活，极大地调动了学生的积极性，真实反映了学习态度和素质能力，大大提高课堂效率。

（5）学科平台与课程融合

学生在学习物联网控制技术专业课程后，根据自身兴趣利用学科平台进行研究性学习，培养实践和创新能力。学生还可以利用平台储备知识参加比赛，从而带动更多的学生，以赛促学。物联网工程专业学生在指导教师的鼓励和指导下，以此课程为依托，积极参加学科竞赛。物联网工程专业作为国家特色专业，学科平台和课程紧密融合，提高了学生的控制系统硬件调试能力和软件编程能力，为社会培养了大批适应当今需要的复合型应用人才。同时，物联网控制技术课程构造以工程能力和创新能力为核心的教学模式，拓展创新创业训练空间，培养学生工程实践创新能力。

4 改革成效

通过对滁州学院18级物联网工程专业班级进行的问卷调查数据显示，合计81份有效问卷中有97.59%的学生在开始学习课程前对物联网控制技术了解程度不高，甚至基本不了解（如表2）。在课程学习后，学生的专业能力有了较大提升，主要体现在“对物联网控制行业了解程度提升”“对本专业的学习感兴趣”“对树立就业目标是否有提升帮助”等。通过课程学习，专业学习各方面有明显提升的学生超过90%（如表3）。可见，通过教学改革，对于学生宏观掌握物联网控制技术知识和激发专业学习兴趣等方面起到较好效果。同时，通过亲身体验，部分学生也对课堂教学提出了一些建议和意见（如图3），有助于任课教师在后续课程中持续改进、完善。