“自动控制原理”线上线下混合教学探索

2024-01-16王泽莹

科教导刊 2023年34期

黄瑶，王泽莹

（上海理工大学机械工程学院上海 200093）

“自动控制原理”是电气工程及其自动化专业的重要专业基础课程，具有理论性强，知识点多，计算量大等特点[1]。课程内容以经典控制理论为主，主要包括数学模型、时域分析、复域分析、频域分析和系统综合校正等内容，单次课程3 学时，总课时为48 学时。该课程的特点是要用到较多的数学知识[2]，因此，授课过程中经常需要板书推导、演算和详细讲解，这对教师的教学经验和技巧提出了更高的要求，要求教师不仅要有扎实的业务能力，还需投入更多时间与精力做课前准备。

随着信息技术的快速发展，高校教育正在经历变革。大数据、移动终端等技术的广泛应用以及高校名师精品课程的在线共享，推动了在线学习和碎片化学习的兴起[3]。教育不再局限于传统课堂，而是通过互联网将知识传播到全球各地，为学生提供更灵活、个性化的学习体验。然而，随着网络课程数量的激增，其质量问题逐渐凸显，学生需要面对如何选择和评估在线课程的挑战。此背景下，研究者开始关注线上线下混合教学模式，旨在更好地整合传统面对面教学和在线学习，以提供更丰富的学习体验[4]。混合教学的研究涵盖课程设计、教育技术工具的选择和使用以及学习成效的评估等多个方面，力求找到最佳实践，确保线上线下混合教学模式的成功实施，以满足不同学生群体的需求。

文章基于“大数据”“智能制造”背景，探索“自动控制原理”线上线下混合教学模式，改进课程教学方法和考核评估机制，培养学生自主学习的能力，促进新工科理论课程的教学改革实践。

1 “自动控制原理”课程教学现状

自动控制原理课程以往的教学内容主要以教材知识为主，涵盖复杂的数学和工程理论，例如线性微分方程、拉氏变换、频域分析与综合等内容[5]。这些理论构成了控制系统设计和分析的基础，但其概念相对抽象，难以理解，学生学习起来有一定难度。基于课程的理论性和计算性质，学生可能侧重于备考，即通过计算和记忆来应对考试，而忽视了实际应用，缺乏理论与实践相结合，一旦面对真实的控制系统问题，学生会感到手足无措。

传统的“自动控制原理”线下课堂，通常采用“以教为主”的教学方法，教师主导课堂，学生处于被动地位。教师通过板书和讲解进行“灌输式”教学，强调知识的传递，忽略了学生的思辨和批判性思维能力的发展。另外。紧凑的课程内容安排易导致教师与学生缺少互动，长此以往，单一的教学方法和缺乏互动易导致学生学习时感到疲劳和乏味，影响学习效果，学生可能会逐渐失去学习的积极性。

自动控制原理作为偏工程性的专业课程，旨在培养学生解决实际控制系统问题的能力。控制系统设计和问题解决通常需要更多的深思熟虑和创新思维。然而，传统“自动控制原理”的考核方式以期末考试为主，但考试通常无法模拟真实系统中的问题和挑战，更不能全面反映其实践应用能力和创造性思维。故而，传统考核方式限制了学生实际应用能力的培养。

2 基于“一网畅学”平台的混合式教学

混合式教学是将线下课堂授课与在线学习平台和网络课程资源相结合的教学模式，本课程依托一网畅学智慧教学平台，从教学设计、教学方法和考核方式三方面进行线上线下混合教学模式的探索。

2.1 课前——基于关键词设计教学内容

为了更有效地帮助学生理解和掌握课程知识，课前教学内容的设计至关重要。首先，教师应结合机器人工程专业的特点，深入分析课程的重点和关键内容，有针对性地对课程知识进行分类、梳理和归纳，提炼知识点与核心关键词（表1），构建一个网状结构的课程思维导图，帮助学生建立课程结构框架（图1），让学生对课程内容有一个总体认识。然后，根据关键词筛选适用的教学视频或创建微视频资源，确保每个微视频的长度在5 到8 分钟之间。微视频应该围绕一个特定的关键词或概念展开，并对应设置相关的学习任务和问题，以便构建一个完整的微课资源库。最后，教师需要根据视频内容的难易程度，将这些微视频和相应的测试题共享到一网畅学平台中，以便学生在不同学习阶段能轻松访问和使用。这种方式有助于学生更灵活地学习课程，同时也提供了一个有条理的学习资源库，使他们能够更好地准备和掌握自动控制原理课程的知识。

图1 自动控制课程结构

表1 经典控制理论教学内容分析

微课资源库的内容并不是固定不变的。在混合式教学中，教师可根据学生观看微课视频后完成学习任务的程度对其能力进行评估。根据这一评估，重新划分知识点的难易程度，补充可能被忽略的内容，持续更新资源库，以确保满足学生需求，并反映最新的教学进展。这种不断改进的方法有助于提高教学的质量和适应性。

2.2 课中——任务导向改进教学方法

对于工科专业，尤其是机器人工程，应将自动控制原理的理论应用于解决实际工程问题。我们主要采用任务驱动式教学方法，首先教师通过讲授法围绕关键词对关键知识点进行讲解，并辅以典型案例分析。介绍完基本知识点后，围绕知识点给出相关的课程任务，让学生以两人小组的形式讨论学习。小组人员设置不宜太多，以免学生参与度不高。在学生讨论学习后，每次课抽选两到三组成员对任务进行讲解，并由学生进行问答质询，进行翻转课堂讨论式学习，最后由教师进行总结，并强化重难点内容。通过这些教学方法的灵活混合应用，旨在引导学生深入探究和思考科学问题，培养他们主动解决问题、完成任务和自主学习的能力。

电机的控制是机器人运动控制中的基础任务，本课程以直流电机控制作为课程任务主线，将课程内容进行串联学习，具体细分为：

①建立直流电机系统的控制结构框图，分开环和闭环控制；②根据牛顿第二定律和基尔霍夫电压定律推导直流电机的运动控制方程；③分析系统的动态特性和稳态特性；④测试记录电机转速与占空比，用matlab 工具箱辨识系统模型；⑤对比运动控制方程和辨识模型，推导系统的开环传递函数；⑥根据得到的传递函数分析系统的频率特性；⑦分析系统，应该加入何种校正环节能实现电机稳定调速。