PBL和混合式協(xié)同學(xué)習(xí)模式下的《計算機控制技術(shù)》課程改革研究

丁嘉 王華豐

摘要：PBL教學(xué)法是基于現(xiàn)實世界的、以學(xué)生為中心的教育方式，它將課程學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問題掛鉤，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過教師引導(dǎo)、學(xué)生參與來逐步解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的課程知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。作者將建構(gòu)主義理論與PBL融合，在混合式協(xié)同學(xué)習(xí)模式下對課程知識體系和實踐教學(xué)體系進(jìn)行了重構(gòu)，提出完整教學(xué)方案。通過教學(xué)實踐證明，該方案對提高學(xué)生教學(xué)效果有一定價值。

關(guān)鍵詞：計算機控制技術(shù);混合式協(xié)同學(xué)習(xí)模式;PBL

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0132-02

1 引言

21世紀(jì)以來，新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)生產(chǎn)加速融合，大數(shù)據(jù)、人工智能和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)深度融入工農(nóng)業(yè)和社會服務(wù)業(yè)中，計算機系統(tǒng)得到了各行業(yè)前所未有的重視。

《計算機控制技術(shù)》課程是大多數(shù)高校自動化、電氣工程等專業(yè)普遍開設(shè)的一門專業(yè)課。該課程要求學(xué)生在掌握計算機控制系統(tǒng)組成和基本原理的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分析、設(shè)計方法運用于過程控制或運動控制的實際場景中去。該課程理論性和工程性均很突出，內(nèi)容抽象，教學(xué)信息量大，對教師的綜合能力、對學(xué)生的系統(tǒng)思維和軟硬件應(yīng)用能力提出了很高要求。受制于學(xué)時和專業(yè)經(jīng)驗不足等因素，傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生很難全面掌握課程主要內(nèi)容，在面對實際問題時學(xué)生經(jīng)常感覺無從下手，難以綜合運用知識去分析問題和解決問題，最終影響了課程教學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，對學(xué)生后期職業(yè)發(fā)展也造成一定的損害。

課程組在多年企業(yè)相關(guān)項目實踐、畢業(yè)生調(diào)研的基礎(chǔ)上，以專業(yè)人才培養(yǎng)計劃為目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)綜合能力測評的要求，考慮以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，以問題為導(dǎo)向（Problem-Based Learning，以下簡稱“PBL”）的教學(xué)法組織課程教學(xué)內(nèi)容，以期改變課程教學(xué)困境，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 理論基礎(chǔ)

PBL教學(xué)法是基于現(xiàn)實世界的、以學(xué)生為中心的教育方式，它將課程學(xué)習(xí)與更大的任務(wù)或問題掛鉤，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過教師引導(dǎo)、學(xué)生參與來逐步解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的課程知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。

所謂協(xié)同學(xué)習(xí)模式是指在學(xué)習(xí)中通過小組內(nèi)部協(xié)作發(fā)揮集體協(xié)同效應(yīng)，通過小組互相競爭發(fā)揮群體聚合動力，高效率地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

對于計算機控制系統(tǒng)而言，由于其涉及專業(yè)領(lǐng)域?qū)拸V，在工程實踐中通常采用多人協(xié)同工作方式。同時學(xué)生未來系統(tǒng)工程實踐其實就是在不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。而在教學(xué)中使用PBL教學(xué)法和協(xié)同學(xué)習(xí)模式，等于將學(xué)生未來的工作模式提前到大學(xué)中進(jìn)行，這對于幫助學(xué)生建構(gòu)問題分析和處理方法，進(jìn)而提升相關(guān)工程能力都具有積極意義[1]。

3 理論教學(xué)改革

《計算機控制技術(shù)》是一門典型的理論與實踐相結(jié)合的課程，它包含理論和實踐兩大組成部分。在理論教學(xué)中，我們的改革按以下步驟展開：

（1）明確課程定位。對于應(yīng)用型本科而言，課程應(yīng)以解決在計算機控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用過程中遇到的問題為教學(xué)目標(biāo)，在保持一定理論深度的基礎(chǔ)上突出工程實踐性。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)計劃和生源素質(zhì)，選擇合適的理論深度，協(xié)調(diào)控制理論教學(xué)與工程實踐訓(xùn)練的關(guān)系[2]。

（2）知識矩陣的重構(gòu)。傳統(tǒng)的《計算機控制技術(shù)》課程涉及較廣，從理論到實踐，從硬件到軟件，從課堂到工程現(xiàn)場無所不包，與其他專業(yè)課程也多有交集。而其他課程的老師通常都是按各自教學(xué)大綱講授，這樣就很容易造成某些知識點會在不同課程中被反復(fù)提及，重復(fù)率較高，影響了教學(xué)效率。為此在教學(xué)前，課程組與先修課程、并行課程的諸位教師進(jìn)行了充分溝通和協(xié)調(diào)，重構(gòu)了課程知識體系，使相關(guān)課程之間形成統(tǒng)一的知識和能力培訓(xùn)鏈條，知識能力培養(yǎng)層層遞進(jìn)，教學(xué)更為有序，效率大幅度提高。同時知識體系的重構(gòu)有助于教師重新審視課程的知識點，并將工程實踐上的新方法、新器件和新思路融入教學(xué)中，使教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)場應(yīng)用更加貼近。

課程的教學(xué)重點應(yīng)集中在輸入輸出通道硬件設(shè)計、控制算法分析和獲取、控制系統(tǒng)相關(guān)配套技術(shù)（含程序設(shè)計、抗干擾設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）三部分，在這些內(nèi)容上教師需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心組織，并安排足夠的教學(xué)資源。

（3）教學(xué)方法改革。傳統(tǒng)的《計算機控制技術(shù)》采用理論講授的教學(xué)方法，這種方法讓老師能輕易控制教學(xué)進(jìn)度，教學(xué)信息量大，傳授效率較高，但大部分學(xué)生很難跟上教師的節(jié)奏，積極性難以提高，學(xué)習(xí)效果較差。為改善課堂教學(xué)情況，可以從以下方面進(jìn)行改革：

首先，改革教學(xué)手段，將現(xiàn)代化的教學(xué)技術(shù)和工程技術(shù)應(yīng)用課堂教學(xué)。主要內(nèi)容包括以多媒體方式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)立網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，在教學(xué)中使用電子商務(wù)平臺展示控制系統(tǒng)中的各種部件，用視頻展示動作和控制效果等等。這樣直觀的學(xué)習(xí)可以提高學(xué)生的感性認(rèn)識，使教學(xué)更加生動有趣，提高教學(xué)吸引力。

其次，以問題導(dǎo)向展開教學(xué)。該教學(xué)法分成兩個層次，在課程整體上可以設(shè)置一到兩個有代表性的項目貫穿整個教學(xué)過程，而在具體講次中可以某一技術(shù)節(jié)點為目標(biāo)展開教學(xué)。比如電機轉(zhuǎn)速測量與控制項目，在輸入輸出通道模塊教學(xué)時可以安排學(xué)生學(xué)習(xí)光電或者霍爾傳感器使用，組建合適電路將轉(zhuǎn)速信號引出并完成信號調(diào)理;在程序控制模塊可以安排工業(yè)用電機調(diào)速模塊的學(xué)習(xí)和使用;在應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)模塊中實現(xiàn)對信號的測量和計算;而轉(zhuǎn)速控制算法可以使用PID控制，結(jié)合仿真和實測完善調(diào)速算法。這樣的教學(xué)安排有助于學(xué)生建立系統(tǒng)概念，體驗系統(tǒng)模塊化設(shè)計和調(diào)試過程，提高系統(tǒng)分析和問題解決能力，積累設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗。

4 實踐體系改革

《計算機控制技術(shù)》在很多院校中通常都安排有實踐環(huán)節(jié)，但現(xiàn)有的實驗多為驗證性實驗，以插線為主，學(xué)生實質(zhì)工作量較小，同時對于獲得的曲線以及獲取方法大多處于似懂非懂的狀態(tài)。很多實驗設(shè)備過分強調(diào)教學(xué)便利性，與工程現(xiàn)場脫節(jié)嚴(yán)重。為提高學(xué)生的實踐能力，我們對實踐體系進(jìn)行了改革，主要改革內(nèi)容如下：

1）調(diào)整和充實實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容與理論課緊密協(xié)同，以問題為導(dǎo)向的教學(xué)法開展相關(guān)技術(shù)實驗。比如數(shù)字量輸入通道設(shè)計就是以電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的需要為目標(biāo)展開的。同時對每個實驗進(jìn)行審視和測算，在實驗內(nèi)設(shè)置多個實驗?zāi)K，加大課內(nèi)教學(xué)的有效性。同時加大自制實驗器具的工作，使得實驗開展更加順利。

2）以虛實結(jié)合方式開展控制類和設(shè)計性實驗。有些控制類實驗與控制對象關(guān)聯(lián)極大，這類項目適合用實物方式實現(xiàn)。對于仿真與實際偏差不大的實驗，可以增大虛擬實驗的比重，讓學(xué)生借助Matlab和電路仿真設(shè)計軟件進(jìn)行模擬和仿真[3]。

3）適當(dāng)壓縮驗證性實驗項目，提高綜合性、設(shè)計性實踐比例，建立個性化的調(diào)試任務(wù)。

改革后的實驗項目分項表如表1所示。

模塊1：過程控制對象PID控制實驗;

模塊2：常規(guī)PID及專家型PID算法matlab仿真實驗。 5 應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù) 電機轉(zhuǎn)速測量與簡單PWM控制實驗 模塊1：電機轉(zhuǎn)速測量和顯示實驗（結(jié)合程序設(shè)計）;

模塊2：電機轉(zhuǎn)速的簡單PWM控制 6 抗干擾技術(shù)

總線技術(shù)和嵌入式技術(shù) 轉(zhuǎn)速處理與數(shù)據(jù)傳輸實驗 模塊1：轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波和標(biāo)度變換實驗;

模塊2：利用CAN總線模塊，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸。 ]

5 其他改革

1）微信、藍(lán)墨云班課等網(wǎng)絡(luò)平臺的使用

現(xiàn)在很多學(xué)生的學(xué)習(xí)時間較為破碎，在教學(xué)中我們將微信與課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，向?qū)W生推薦多個優(yōu)秀公眾號，及時向?qū)W生推送一些有用的專業(yè)知識。另外，課程簽到、部分討論和作業(yè)也開始轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)化，即學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺上領(lǐng)受任務(wù)，完成后利用網(wǎng)絡(luò)方式提交作業(yè)。教師批改作業(yè)后還可以評論形式與學(xué)生進(jìn)行一對一的溝通。

2）考核方式改革

為檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)情況，我們對《計算機控制技術(shù)》考核方式進(jìn)行了一定變革。從傳統(tǒng)的卷面考核轉(zhuǎn)向多渠道多方位考核方式。現(xiàn)有考核內(nèi)容包括平時成績和期末卷面成績兩部分。其中平時成績除了出勤和課堂表現(xiàn)外，還增加了實驗表現(xiàn)（含設(shè)計性項目）和網(wǎng)絡(luò)課程參與內(nèi)容。期末試卷中除了考察常規(guī)知識點外，還留出20分左右用于考查學(xué)生對實際系統(tǒng)的設(shè)計和分析能力。

6 小結(jié)

通過幾輪的教學(xué)實踐，《計算機控制技術(shù)》理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)都得到了改進(jìn)，各項改革內(nèi)容和教學(xué)方式也逐步穩(wěn)定下來，近兩年的學(xué)生評教均在91.5分以上，學(xué)生也將部分課程內(nèi)容引用于學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計中且取得了良好成效。但我們也要看到現(xiàn)在計算機控制系統(tǒng)工程現(xiàn)場的技術(shù)應(yīng)用還在不斷迭代改進(jìn)，新技術(shù)新產(chǎn)品新方案不斷涌現(xiàn)，這就對任課教師提出了很高的要求，需要不斷學(xué)習(xí)并思考將這些新事物引入教學(xué)，進(jìn)一步縮短課程與工程實踐的距離，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁嘉. 基于翻轉(zhuǎn)課堂的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革與實踐[J].高教學(xué)刊，2016[20]：149-150.

[2] 丁健，孫強，干開峰.工程教育專業(yè)認(rèn)證下的計算機控制技術(shù)課程改革與實踐[J].合肥學(xué)院學(xué)報，2016（1）：135-138.

[3] 張向鋒，文傳博.以應(yīng)用型人才培養(yǎng)的計算機控制技術(shù)課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2016，9（38）：93-94.