智慧教育时代下自动控制原理课程教学模式改革与实践

岳菊梅， 闫永义， 张志红， 任 静， 马 淏

（河南科技大学，河南 洛阳 471003）

0 引言

自动控制原理课程不仅是农业电气化专业重要的专业基础课，也是高等院校自动化、通信工程、电子信息工程等工科相关专业本科生重要的专业基础课程，它具有理论性和工程应用性都较强的特点。自动控制原理课程以高等数学、复变函数、电路和模拟电子技术等课程为基础，同时又是后续的电力拖动控制系统、电力系统暂态分析和电气控制技术等专业课程的先修课程，在教学环节中起着承上启下的作用，其教学质量的好坏直接关系到学生对信号、系统等重要概念的理解及后续课程的教学质量。

在智慧教育时代下，结合《河南省“十四五”教育事业发展规划》和《河南教育现代化2035》，以及MOOC 教学理念与模式，探索新的教学方法，最大限度地调动学生的积极性[1-2]。本研究根据河南科技大学农业装备工程学院农业电气化专业培养方案，结合自动控制原理课程理论性和应用性强的特点，在强化自动控制基本概念和理论的基础上，围绕坚持以学生为中心，坚持教研结合、理论与实践相结合理念指导下，对自动控制原理课程进行深入的教学模式改革与实践探索，取得了较好的教学效果，满足了目前人才培养要求。

1 教学改革思路

传统的教师讲、学生听的教学模式，在短短的100 min 或者是90 min 之内，教师向学生传递了大量的信息。要求学生：一是记忆力和理解能力较强，对刚讲过的新内容能够快速记住，并掌握、理解；二是自我约束能力和执行能力较好，能够在暂时无法理解前面所讲的知识点、接受能力比较弱的情况下，坚持把课听下去；三是注意力足够集中，能在整个听课过程中都保持活跃的思维和专注力。这就导致每堂课学生认知准备状态不理想，教学成效不理想。

鉴于这种原因，自动控制原理课程将课堂教学的关注点由教师“教”转向学生“学”，即以学生为中心的教与学。在课程建设思路的指引下，围绕MOOC教学理念和模式，适当加入自己录制的慕课视频和网络上的优质慕课资源，遵循以学生为中心的教与学基本理念，进行课程建设，实施线上线下混合式教学改革。在全新的教学模式中，将教学环节打造成了课前自主学习、翻转课堂和课后总结3 个环节[3-5]。

（1）落实新时代全国高等学校本科教育工作会议要求，自动控制原理课程改革以学生为中心，深入推进课堂教学改革，增加课程的高阶性、创新性和挑战度，推动教学内容的创新和教学手段与方法的变革，提升学生自主学习和独立学习的能力，促进本科教学水平的不断提高。

（2）对于自动控制原理课程的教学要面向全体学生，关注学生的个体差异与需求，充分发挥学生自身的能力和特长，倡导学生主动参与、乐于探究、勇于实践，使所有学生都能达到课程标准所规定的学习目标，培养学生获取新知识的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力，为其主动适应未来社会打下好基础。

（3）教学方式转变，树立以学生为主体的教学观念，创造性地探索新的教学途径，改进教学方法和教学手段，组织丰富多彩的教学实践活动，鼓励并带动学生积极地加入课堂，激发学生自主学习的兴趣。

2 实施方案

2.1 采用线上线下混合式教学方法

2.1.1 线上自主学习

借助智慧教育时代现代技术手段，同时交叉融合先进教育理念，促进信息技术与教育教学深度融合，提高本课程课堂教学效果[6-7]。对于教学难度不大、认知层次不高的内容，可作为线上学习内容，并提前录制10～15 min 小视频，提前通过学习通发布相关线上资源，学生自主学习。自动控制原理课程线上教学改革创新点主要有以下3 方面。

（1）教学理念。树立以学生为中心的意识，通过学习通，实时提醒学生课件、视频上传情况、整体的学习情况，引导学生养成自主学习、主动学习的习惯；同时通过名校的慕课视频和本课程相关的扩展知识视频，激发和吸引学生对本课程的学习兴趣。

（2）教学方法。根据学校提供的学习通在线平台，采用点播和互动等方式进行线上自学。点播：在学习通中放入提前录制好的10～15 min 小视频课件，并设置相关问题，对所学知识进行学习。互动：在学习通留言区进行讨论互动，留言等方式，教师可以实时掌握学生学习情况，并能将互动内容保留下来，供其他学生学习浏览。教学方法以讲解自动控制原理课程第三章线性系统的时域分析中第五节的线性系统稳定性分析中的内容为例，具体如表1 所示。

表1 教学方法与创新Tab.1 Teaching methods and innovations

（3）教学过程。一是提前发布课件。至少提前3 d，通过学习通，将课堂教学课件和与本节课程相关的短视频课件发布到教学网络平台。二是设置问题。在教学课件和短视频课件中，针对需要掌握的知识点，在相应视频内容后设置对应选择题、填空题和思考题等类型习题，加强对知识点的理解和内容的掌握。三是实时掌握进度。学习通可以实时反馈学生自主学习情况和进度，方便在线下课前根据学生自学情况，课堂上有筛选的进行难点分析，并请学生参与讨论，课后对没有及时参与的学生进行督查；同时学习通还能实时统计查看的人数和详细名单，便于教师掌握线上和线下具体情况，提醒学生及时学习相关内容。四是学习通布置线上课堂、章节作业。在学习通发布本节课线上课堂作业和对应章节的练习作业，设置了学生互批功能，极大地激发学生当教师的愿望和兴趣，同时也可以增强学生课下相互讨论、解决问题、分析问题的能力。教学过程如图1 所示。

图1 教学过程Fig.1 Teaching process

2.1.2 线下课堂讲授

在先进教育理念下，通过分层教学方法、讲练结合的教学模式、启发讨论教学和互动式翻转课堂教学，进行课堂教学改革，提高课堂教学效果，使学生通过本课程的学习，也为进一步地学习和研究控制理论创造一定的条件[8-9]。

线下课堂教学总体实施方案，对于重点和难点内容可作为线下课堂教学内容，在课堂教学内容中选择部分关键知识点、教学案例、实验项目和典型题目等，采用小班讨论、生讲生评、研讨辩论、辅导答疑和教师点评等互动式翻转课堂教学，培养学生分析、评价和创造能力。线下课堂主要采用以下教学方式。

（1）分层教学方法。关注学生的个体差异与不同需求，使不同基础的学生都能得到有效的训练和提高，基本掌握该课程的要点、难点。对于那些用语言和文字难以表达、学生难以理解的内容，进行动画模拟、音像播放；对自动控制系统实例等进行实物虚拟显示和实况播放，弥补学生感性认识和实践经验的不足，解决长期以课本为主的课程教学比较抽象难懂的局面。

（2）讲练结合教学模式。如实际系统建模、控制系统时域频域分析及控制系统的校正与综合等内容，在课堂讲解完基本概念与方法后，结合具体实例，让学生独立思考并完成。再根据学生完成的情况，进行有针对性地讲解，提高教学效果。

（3）启发讨论教学、互动式翻转课堂教学[10]。教师针对课前学生的预习情况，在课堂上结合预习中的难点和疑问，提出问题，并加以引导，启发学生去自主思考和分组讨论，针对不同观点展开讨论，选出学生代表对讨论结果进行归纳总结，教师做最后点评。这种讲授过程可培养学生分析问题和解决问题能力。

实践证明，合理利用上述几种教学方法能充分调动学生的学习积极性。表2 以自动控制原理课程第二章线性系统的数学模型中第二节的控制系统的时域数学模型在线下课堂采用的教学方式为例进行说明。通过这种教学方式，使得重点讲解的内容将理论知识丰富和简单化，使学生既学到理论知识也掌握了分析复杂问题的能力，受到学生的普遍欢迎。

表2 线下课堂教学方式Tab.2 Offline classroom teaching methods

2.2 全面梳理课程教学内容和教学思路

按照重要性和教学难度对内容进行分类，按照记忆、理解、应用、分析、评价和创造等不同认知层次制定课程教学目标。

（1）教学内容。根据农业电气化专业学生特点，自动控制原理课程选用胡寿松编写的国家“十二五”普通高等教育本科国家规划教材《自动控制原理基础教程》。本书共9 章内容，结合专业特点和课程学时，在课堂中重点讲授第1～3 章和第5～7 章，其中第4章根轨迹分析、第8 章非线性控制系统分析和第9 章线性系统的状态空间分析作为卓越班学生选讲知识，并在线上平台学习通中上传相关视频，供学生自主学习。

（2）教学思路。教学手段主要采用线上线下混合式教学方式，教学方法如表2 所示，教学过程中挖掘与课程内容知识相关的实例，培养学生具有家国情怀；知识讲授过程中注重培养学生工匠精神和个人素养。

2.3 合理规划知识点

可适当删减一些内容简单、主要培养记忆和理解能力的知识点，增加一些培养分析、评价和创造能力的前沿知识，提升课程的高阶性、创新性和挑战度。

2.4 增加教学互动性

教师在线下课堂教学中利用智慧教学工具，开展随堂测验、随堂练习、随堂问卷和单元测验等活动。

在先进教育理念下，利用智慧教育时代现代技术手段，采用线上线下混合式教学方式，加强课堂教学改革，拓展课程内容深度，注重课程内容与培养目标的支撑关系，引导学生自主学习和创造性学习，切实提升人才培养质量。

2.5 改进教学评价方式

2.5.1 使用多元化学习评价体系

采用线上学习评价、线下过程性评价与终结性评价多种方式相结合评价模式，如图2 所示。既要考查学生记忆、理解和应用等中低认知能力，又要考察学生分析、评价和创造等高级认知素质。

图2 教学评价方式Fig.2 Teaching evaluation methods

2.5.2 课程成绩改革

课程成绩由过程性考核和终结性考核综合评定，过程性考核成绩由原来的20%调整到30%～50%，使成绩评定更为合理。

（1）在线学习评价。主要是针对记忆、理解等初级认知的考核，可根据学生视频观看、随堂测验、完成作业和单元测验等完成情况进行学习评价，成绩占比一般不超过20%。

（2）线下课堂评价。课堂讨论、学生课堂参与程度纳入到过程性考核，对评价和创造等高级认知的考核主要通过学生参与讨论过程和效果进行。鼓励学生参与到习题库、试题库的建设中，和学生一起制定考核方式和评判标准，进而得出全面、准确的评价方式，成绩占比一般不超过30%。

（3）期末考试评价。对应用和分析等中级认知的考核主要通过期末考试进行，成绩占比一般在50%左右。

3 实践效果

上述的一系列教学改革方案，逐步在农业电气化专业2018 级—2020 级学生中实施，经过3 年的实践，取得的实践效果有5 个方面。

（1）学生普遍学习兴趣提高，学习效果明显增强。从以前上课时的被动学习，逐渐转变为提前积极主动探索。

（2）课堂讨论学生的参与程度增加。从原来教师唱独角戏的场面，转变为学生积极参与课堂知识讨论的场景。

（3）参与制作控制系统实例动画、录制课程知识小视频、动手制作控制装置等的学生越来越多。

（4）学生在Matlab 平台下自主独立进行开发与设计试验，融合所学知识，理解控制系统相关概念和设计方法[11]。

（5）在课程改革的基础上，获批自动控制原理课程相关的校级教改项目3 项，即2022 年度校级教改项目智慧教育时代下自动控制原理教学模式改革研究与实践、2022 年度校级一流课程自动控制原理和校级思政样板课自动控制原理。

4 结束语

自动控制原理课程所涉及的新概念和理论推导较多，是农业电气化专业的一门重要的专业基础课，在教学过程中起着承上启下的作用。结合《河南省“十四五”教育事业发展规划》和《河南教育现代化2035》，在智慧教育时代下背景下阐述了自动控制原理课程的教学改革思路；借助先进教学工具探索新的教学实施方案；通过不断的教学改革和创新，自动控制原理课程教学效果明显，符合预期，课堂上学生参与度和满意度高，激发了学生的创新实践能力，受到学生广泛好评。