基于BOPPPS的控制工程基礎(chǔ)教學(xué)改革與實(shí)踐①

徐紅梅 張帆 李超 原帥

摘 ? 要：針對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，采用BOPPPS教學(xué)模型，將教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)為導(dǎo)言、目標(biāo)、前測(cè)、參與式學(xué)習(xí)、后測(cè)和總結(jié)六個(gè)環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)學(xué)生的中心地位。構(gòu)建知識(shí)學(xué)習(xí)、技能培養(yǎng)和素養(yǎng)培養(yǎng)的綜合培養(yǎng)目標(biāo)，并形成完善的評(píng)價(jià)體系。本文以控制系統(tǒng)的微分方程為例，闡述BOPPPS教學(xué)模型在控制工程基礎(chǔ)教學(xué)工程中的實(shí)際應(yīng)用情況。實(shí)踐證明相比傳統(tǒng)教學(xué)模式BOPPPS教學(xué)模型顯著改善了教學(xué)效果，為高校工程類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞：BOPPPS ?控制工程 ?微分方程 ?教學(xué)模型

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0175-04

Abstract： Aimed at the characteristics and the existing problems of Control Engineering， the BOPPPS model is applied to develop a specific teaching pattern. It lets the learners dominate the learning process through six steps with bridge-in， outcomes， pre-test， participatory learning， post- test and summary. Comprehensive training objectives of knowledge learning， skill training and accomplishment training are reconstructed， and a perfect evaluation system is set up. Taking the mathematical model of the control system as example， this paper proposes a practical and effective teaching model based on the BOPPPS model. The application of the BOPPPS model in the course has significantly improve teaching effectiveness through enhancing the learner's participation，which provide a good reference for teaching reformation of other engineering disciplines.

Key Words： BOPPPS; Control Engineering; Differential equation; Teaching model

“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，該課程主要介紹控制系統(tǒng)的基本概念和時(shí)域以及頻域的分析方法，內(nèi)容較抽象、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，具有一定的深度和難度，但同時(shí)該課程也是培養(yǎng)工程技術(shù)人員的學(xué)科基礎(chǔ)課。

我院“控制工程基礎(chǔ)”課程課時(shí)為32學(xué)時(shí)（包含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），由于學(xué)時(shí)少和內(nèi)容多，很難將所有的內(nèi)容講授完畢，學(xué)生難以理解抽象的控制理論，再加上薄弱的數(shù)學(xué)背景知識(shí)，無(wú)法掌握重難點(diǎn)，所以導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師是教學(xué)的主體。教師灌輸式講授占據(jù)了課堂大部分時(shí)間。教學(xué)內(nèi)容以及如何開(kāi)展教學(xué)基本由教師根據(jù)教學(xué)大綱和自身經(jīng)驗(yàn)決定。教師主要關(guān)注是否按照既定教學(xué)計(jì)劃完成課程講授，卻極少關(guān)心學(xué)生學(xué)習(xí)成效如何、學(xué)生能力和素質(zhì)是否得到提高[2]。

根據(jù)圖1學(xué)習(xí)金字塔的數(shù)據(jù)來(lái)看，采用傳統(tǒng)的講授教學(xué)模式，效果不理想。學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)掌握程度并不深，課程的理論與實(shí)踐相結(jié)合的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

本文針對(duì)“控制工程基礎(chǔ)”課程的內(nèi)容和特點(diǎn)，基于BOPPPS教學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在課堂中的主動(dòng)角色，突出了其參與式學(xué)習(xí)，并借助互聯(lián)網(wǎng)載體，創(chuàng)建課程教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生隨時(shí)隨地的參與虛擬課堂的教學(xué)活動(dòng)中，以此來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和彌補(bǔ)課時(shí)不足的現(xiàn)狀。同時(shí)利用MATLAB提供的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)彌補(bǔ)我院實(shí)驗(yàn)手段的不足，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，為學(xué)生自己設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，達(dá)到教學(xué)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的最優(yōu)化。

1 ?BOPPPS 教學(xué)模型

1.1 BOPPPS發(fā)展現(xiàn)狀

BOPPPS 教學(xué)模型最初由ISW（加拿大教師技能培訓(xùn)工作坊）根據(jù)加拿大不列顛哥倫比亞省對(duì)教師的資格認(rèn)證所創(chuàng)建[3]，最初主要用于教師的技能培訓(xùn)使用，在培訓(xùn)過(guò)程中主要采用以教學(xué)實(shí)踐為主的方式通過(guò)集中強(qiáng)化訓(xùn)練以提高教師教學(xué)技能和教學(xué)的有效性。BOPPPS教學(xué)模型是一個(gè)基于Kolb體驗(yàn)式學(xué)習(xí)模型的教學(xué)框架，以建構(gòu)主義和交際法為理論依據(jù)，以有效教學(xué)設(shè)計(jì)著稱，是一個(gè)強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與和反饋的閉環(huán)教學(xué)過(guò)程模型，BOPPPS有效教學(xué)模式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)2019年5月中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)最新檢索，2011—2013年，國(guó)內(nèi)有關(guān) BOPPPS 的研究文獻(xiàn)僅有6篇。但是2017和2018年相關(guān)文獻(xiàn)分別增加了104篇和216篇，總文獻(xiàn)數(shù)量已達(dá)到574篇。

1.2 BOPPPS的涵義

BOPPPS 理念遵從教育學(xué)和心理學(xué)有關(guān)人類注意力持續(xù)時(shí)間的規(guī)律，鑒于人集中注意力的時(shí)間最多不超過(guò)15min，將課堂教學(xué)分隔為導(dǎo)言（ Bridge-in） 、目標(biāo)（ Objective/Outcome） 、先測(cè)（ Pre-assessment ） 、參 與 式 學(xué) 習(xí) （ Participatory Learning） 、后測(cè)（ Post-assessment） 及總結(jié)（ Summary） 等6個(gè)起承轉(zhuǎn)合的部分[4]。

通過(guò)導(dǎo)言引起學(xué)生的好奇心使其產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)力導(dǎo)入新內(nèi)容的學(xué)習(xí);目標(biāo)階段根據(jù)布魯姆學(xué)習(xí)目標(biāo)分類[5]的認(rèn)知、情感和技能三個(gè)方面明確的指出通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)該達(dá)到的要求和水平;預(yù)評(píng)價(jià)階段主要用來(lái)評(píng)測(cè)學(xué)生現(xiàn)在所知道的和所理解的，用于指導(dǎo)教學(xué)后續(xù)安排，以及提醒學(xué)生自己已經(jīng)學(xué)會(huì)的知識(shí);課堂參與階段主要是采用積極的學(xué)習(xí)策略使學(xué)生深度參與到課堂中來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的過(guò)程;后測(cè)階段主要是確定學(xué)生在經(jīng)過(guò)本次課堂學(xué)習(xí)后與教學(xué)目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的知識(shí)掌握程度;總結(jié)階段主要是給教師和學(xué)生提供一個(gè)共同反思的機(jī)會(huì)，學(xué)生反思自己學(xué)到了什么，教師反思本次授課存在的問(wèn)題或?yàn)橄麓握n程內(nèi)容打下埋伏。

2 ?教改目標(biāo)

（1）基于BOPPPS教學(xué)模式，深入課程改革，逐步培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題等方面的能力，使學(xué)生們能夠真正的做到工學(xué)結(jié)合，全方位發(fā)展。

（2）改革教學(xué)內(nèi)容，形成相對(duì)全面的理論教學(xué)體系，構(gòu)建符合新工科需求的實(shí)踐教學(xué)體系。

（3）將控制工程基礎(chǔ)課程教育與對(duì)專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，并結(jié)合工程項(xiàng)目訓(xùn)練對(duì)學(xué)生的自我更新知識(shí)的能力和團(tuán)隊(duì)交流能力，以及對(duì)掌握、運(yùn)行和調(diào)控能力進(jìn)行整體培養(yǎng)。

（4）充分掌握控制工程理論中的重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)，對(duì)后續(xù)的專業(yè)課有感性的認(rèn)識(shí)，為以后課程的學(xué)習(xí)提供良好的基礎(chǔ)。

（5）通過(guò)控制工程基礎(chǔ)中引入MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，提高并擴(kuò)展學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐的興趣，讓學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)研究的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生自組織、自分工、自實(shí)施等團(tuán)隊(duì)間組織、交流合作的能力得以提升。

3 ?教改思路

基于BOPPPS教學(xué)模式和我院現(xiàn)實(shí)的教學(xué)情況，提出如圖3所示的教改思路，并根據(jù)“控制工程基礎(chǔ)”中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并畫出相應(yīng)的框圖，掌握實(shí)際物理系統(tǒng)的控制原理;掌握時(shí)域分析中系統(tǒng)的響應(yīng)分析指標(biāo)穩(wěn)、快、準(zhǔn);掌握頻域分析中的數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)響應(yīng)并建立Bode 圖的方法;掌握由Bode圖進(jìn)行頻域分析及PID調(diào)節(jié)器使用等。以控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)時(shí)域分析以及控制系統(tǒng)頻域分析三個(gè)方向作為控制工程基礎(chǔ)三級(jí)項(xiàng)目的選題。

4 ?教改研究的具體內(nèi)容

4.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率和授課質(zhì)量

BOPPPS教學(xué)模型強(qiáng)調(diào)促使學(xué)習(xí)者成為教學(xué)的主體，明確學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)目標(biāo)，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，使學(xué)生全方位的參與學(xué)習(xí)而不是僅僅聽(tīng)講，并且教師要及時(shí)的獲得學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋進(jìn)而調(diào)整和指導(dǎo)后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)。

4.2 創(chuàng)建在線課程，彌補(bǔ)課時(shí)量不足

該課程主要突出講解控制系統(tǒng)的基本組成及其概念、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)時(shí)域和頻域分析方法、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其誤差分析、控制系統(tǒng)的綜合與校正。目前課時(shí)安排是32課時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足課程要求。有很多知識(shí)無(wú)法在課上詳細(xì)講解，學(xué)生課下學(xué)習(xí)又會(huì)遇到各種困難。采用在線課程可以有效的補(bǔ)充課時(shí)量不足的問(wèn)題，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時(shí)間。

4.3 MATLAB仿真增加理論與實(shí)踐結(jié)合

由于我院實(shí)驗(yàn)條件的限制，該課程的實(shí)驗(yàn)課借助煙臺(tái)大學(xué)來(lái)完成，課時(shí)較少，只有8個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排不能保證切好切合課程進(jìn)度。另一方面由于某些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論的結(jié)合不緊密，學(xué)生對(duì)于實(shí)踐環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)和重視度不夠，動(dòng)手能力不強(qiáng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

將MATLAB及其提供的Simulink仿真軟件應(yīng)用到課程教學(xué)中，可以改變傳統(tǒng)的單一課堂教學(xué)模式，簡(jiǎn)化公式的推導(dǎo)和概念的敘述，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，有利于學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。利用MATLAB提供的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還具備實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法擁有的許多優(yōu)點(diǎn)，它不受外界復(fù)雜因素的干擾，不會(huì)造成人身傷害，大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，既可以演示復(fù)雜控制系統(tǒng)的未知結(jié)果，又可以改變系統(tǒng)參數(shù)，演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的結(jié)果或趨勢(shì)。因此它既能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的不足，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，為學(xué)生自己設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)，達(dá)到教學(xué)與人才培養(yǎng)目標(biāo)的最優(yōu)化。

4.4 完善教學(xué)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，注重綜合能力的考核

目前課程的成績(jī)一般是由平時(shí)成績(jī)（30%）和考試成績(jī)（70%）來(lái)組成，對(duì)平時(shí)成績(jī)?nèi)狈α炕募?xì)則，沒(méi)有對(duì)創(chuàng)新能力的激勵(lì)和考核，不利于深化人才培養(yǎng)模式改革。在線課程中添加課程思政，引導(dǎo)學(xué)生價(jià)值追求和培養(yǎng)學(xué)術(shù)精神，評(píng)價(jià)體系中可以細(xì)化每一項(xiàng)任務(wù)的完成情況以及相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

5 ?基于BOPPPS模型的教學(xué)設(shè)計(jì)

本文以課程中第二章第一節(jié)控制系統(tǒng)的微分方程為例，闡述BOPPPS教學(xué)模型在控制工程基礎(chǔ)教學(xué)工程中的實(shí)際應(yīng)用情況。微分方程是控制系統(tǒng)的一種基本數(shù)學(xué)模型，是列寫傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)。在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合，因此本節(jié)在整個(gè)課程中具有承上啟下的作用。BOPPPS教學(xué)模型的控制系統(tǒng)的微分方程教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示。

5.1 導(dǎo)言

導(dǎo)言的作用是幫助學(xué)生專注或連接即將要介紹的課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及強(qiáng)烈的求知欲。本文通過(guò)由松下和保時(shí)捷設(shè)計(jì)精誠(chéng)合作，投資金額超1.5億元，歷時(shí)28個(gè)月共同打造的高端洗衣機(jī)ALPHA來(lái)引入，如圖4所示。詢問(wèn)大家是否了解洗衣機(jī)的工作原理，關(guān)于洗衣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)我們還能做什么？?jī)?yōu)化的前提是首先去定量的分析控制系統(tǒng)，而基本方法就是建立數(shù)學(xué)模型再進(jìn)行分析、綜合、校正。進(jìn)而引出數(shù)學(xué)模型的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.2 目標(biāo)

目標(biāo)的設(shè)定要清楚，并且具有可操作性和可度量性，讓學(xué)生清晰的知道每節(jié)課要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)。本節(jié)課中具體可評(píng)測(cè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下。

（1）知識(shí)學(xué)習(xí)。

掌握：列寫控制系統(tǒng)的微分方程。

（2）技能培養(yǎng)。

復(fù)述：數(shù)學(xué)模型的定義。

了解：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型在控制系統(tǒng)研究中的意義。

（3）素養(yǎng)培養(yǎng)。

激發(fā)大家的學(xué)習(xí)興趣以及民族的精神。

5.3 前測(cè)

讓同學(xué)回答齊次和非齊次線性微分方程的描述和求解方法，簡(jiǎn)單回顧前面學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)的三個(gè)性能指標(biāo)，并讓大家思考怎么進(jìn)行量化的評(píng)價(jià)。激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步尋找問(wèn)題的答案并且能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行摸底。

5.4 參與式學(xué)習(xí)

參與式學(xué)習(xí)是BOPPPS教學(xué)模型最重要的一個(gè)模塊，為保證學(xué)生有效的參與，首先用問(wèn)題做引導(dǎo)。如圖5所示，列出一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，知道了輸入和輸出，讓大家思考還能列出哪些方程。如果聯(lián)立所有的方程求解能得到什么。然后再通過(guò)一個(gè)電氣系統(tǒng)-RLC電路如圖6所示提問(wèn)學(xué)生能想到什么物理規(guī)律。最后對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行同步推導(dǎo)并引導(dǎo)學(xué)生思考建模的方法和步驟。

因此在控制工程的數(shù)學(xué)模型章節(jié)中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓每個(gè)人都盡可能活躍地參與到課堂學(xué)習(xí)中來(lái)。

5.5 后測(cè)

后測(cè)主要評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況，與前面設(shè)立的教學(xué)目標(biāo)要相呼應(yīng)。通過(guò)無(wú)源RC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模來(lái)測(cè)試學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，并提示大家注意負(fù)載效應(yīng)。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)建模的意義和對(duì)社會(huì)的促進(jìn)作用的思考達(dá)成能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。后測(cè)的結(jié)果與前面學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的反饋，共同組成教師反思教學(xué)不足和教學(xué)改進(jìn)的直接依據(jù)。

5.6 總結(jié)

通過(guò)圖7簡(jiǎn)要總結(jié)微分方程和數(shù)學(xué)模型的涵義以及列寫微分方程的基本步驟，使學(xué)生整體上把握課程理論體系和學(xué)習(xí)目標(biāo)。

同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生求解微分方程雖然可以描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是計(jì)算比較復(fù)雜，特別是對(duì)高階系統(tǒng)更難，并且無(wú)法從微分方程的解中清晰地找出改進(jìn)系統(tǒng)品質(zhì)的方案。引出下節(jié)課要講的傳遞函數(shù)和框圖，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

6 ?教改實(shí)踐效果

我院在基于BOPPPS教學(xué)模型的控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)改革中取得了良好的效果。以2018—2019第1學(xué)期為例，總數(shù)為71人的大班授課中，學(xué)生上課的積極性明顯提高，課堂氛圍變活躍了，通過(guò)有趣的導(dǎo)言激發(fā)了學(xué)生的求知欲，大家在選擇座位的時(shí)候主動(dòng)往前排坐。BOPPPS教學(xué)模型以學(xué)生為中心，逐步培養(yǎng)其主動(dòng)獲取知識(shí)、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題等方面的能力，使學(xué)生們能夠真正的做到工學(xué)結(jié)合，全方位發(fā)展。同時(shí)將控制工程基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)與對(duì)專業(yè)的整體認(rèn)識(shí)有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，整體培養(yǎng)掌握、運(yùn)行和調(diào)控的能力。

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