基于智慧教學(xué)與智慧測驗(yàn)軟件的課程教學(xué)改革
——以自動(dòng)控制原理課程為例

肖理慶

(淮南師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

0 引言

自動(dòng)控制原理屬于自動(dòng)化類、電氣類、儀器類、能源動(dòng)力類、土木類中建筑電氣與智能化專業(yè)、農(nóng)業(yè)工程類中農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)、航空航天類的專業(yè)課程[1]，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[2-3]。為了使學(xué)生更好的掌握自動(dòng)控制原理這門重要的專業(yè)課程，各高校教師在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)平臺等各方面開展了深入研究，所取得的成果有效提高了課程教學(xué)質(zhì)量[4-7]。為了積極響應(yīng)教育部號召、進(jìn)一步掌握學(xué)情、加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度，本文基于現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行了教學(xué)改革嘗試，以自動(dòng)控制原理課程為例，研發(fā)了形象直觀、簡潔高效的自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件與智慧測驗(yàn)軟件，效果理想，且可推廣至其他課程。

1 大學(xué)課程教學(xué)過程中存在的主要問題分析

目前在大學(xué)課程教學(xué)過程中，存在的主要問題如下：

1.授課教師對學(xué)情掌握情況不理想。與自動(dòng)控制原理課程相同，大學(xué)課程通常涉及面較廣，而不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生對其先修課程同一知識點(diǎn)的掌握情況是不同的。目前授課教師在每次授課前，很難掌握學(xué)生是否具備學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識、方法以及學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容時(shí)學(xué)生可能遇到的困難與阻力等。

2.對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度不夠。目前在大學(xué)課程教學(xué)過程中，授課教師主要通過平時(shí)考勤、課堂表現(xiàn)(主要是回答問題)以及課后作業(yè)來監(jiān)控與考核學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生課前是否認(rèn)真預(yù)習(xí)？預(yù)習(xí)的效果如何？課中是否掌握了授課教師所講授的內(nèi)容？存在的問題主要集中在哪些方面？課后是否針對課中學(xué)習(xí)時(shí)存在的問題有針對性的進(jìn)行了復(fù)習(xí)？這些情況授課教師很難掌握。即使少數(shù)學(xué)生回答授課教師所提出的問題完全正確，不代表全部學(xué)生都掌握了授課教師所講授的內(nèi)容；同樣，少數(shù)學(xué)生回答錯(cuò)誤，也不足以概括學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的全部問題。由于目前普遍存在的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，授課教師很難通過批改作業(yè)獲取準(zhǔn)確的反饋信息。目前很多網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可提供課程的隨堂測驗(yàn)，但測驗(yàn)題目僅限于客觀題，換句話說：雖然通用性很強(qiáng)，但針對性不足。另外，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺所統(tǒng)計(jì)的學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)間的長短在缺乏相關(guān)內(nèi)容測驗(yàn)成績的前提下，意義并不大：在線學(xué)習(xí)時(shí)間長的學(xué)生學(xué)習(xí)效果不一定比在線學(xué)習(xí)時(shí)間短的學(xué)生好。對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度不夠使授課教師很難獲取實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的教學(xué)反饋信息，自認(rèn)為“自己教得不錯(cuò)”、“學(xué)生掌握情況理想”，直至批閱期末考試試卷的那一刻。

3.平時(shí)成績與期末考試卷面成績相差較大。目前在大學(xué)課程教學(xué)過程中，學(xué)生的平時(shí)成績主要取決于平時(shí)考勤、課堂表現(xiàn)以及課后作業(yè)等。在平時(shí)考勤方面，不少出勤學(xué)生可能“身在教室內(nèi)，心在教室外”；在課堂表現(xiàn)方面，由于無法保證讓每一名學(xué)生都回答授課教師所提出的問題，部分授課教師利用手機(jī)學(xué)習(xí)通APP搖一搖，隨機(jī)抽選學(xué)生回答問題，這種方式偶爾使用一下效果不錯(cuò)，可有效活躍課堂氣氛，但不能作為主要方式；在課后作業(yè)方面，通常授課教師對同一專業(yè)學(xué)生所布置的課后作業(yè)是相同的，而作業(yè)抄襲現(xiàn)象普遍存在。最終學(xué)生的平時(shí)成績通常為良好或者優(yōu)秀，與期末考試卷面成績相差較大，甚至出現(xiàn)了背離。

2 基于現(xiàn)代信息技術(shù)的課程教學(xué)改革具體措施

2.1 利用智慧教學(xué)軟件進(jìn)一步掌握學(xué)情

為了幫助授課教師進(jìn)一步掌握學(xué)情，明確學(xué)生是否已具備學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識、方法，了解學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容時(shí)學(xué)生可能遇到的困難，以自動(dòng)控制原理課程為例，筆者基于MATLAB研發(fā)了自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件。

圖1 自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件

自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件主界面如圖1(a)所示，由五部分構(gòu)成：學(xué)生版課程課件、教師版課程課件、動(dòng)態(tài)演示、課程思政以及課外拓展。學(xué)生版課程課件與教師版課程課件是筆者針對學(xué)生學(xué)習(xí)與教師授課分別設(shè)計(jì)的，其中，學(xué)生版課程課件的設(shè)計(jì)原則是能夠反映學(xué)生是否具備學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)知識、方法以及學(xué)習(xí)本次課教學(xué)內(nèi)容時(shí)學(xué)生可能遇到的困難；教師版課程課件的設(shè)計(jì)原則是有利于引導(dǎo)學(xué)生思考并解決不同深度層次的問題。在學(xué)生版課程課件界面與教師版課程課件界面中，點(diǎn)擊不同章節(jié)對應(yīng)的按鈕，便可顯示對應(yīng)的課件，如圖1(b)、圖1(c)所示。

在學(xué)生版課程課件界面中，學(xué)生可以選擇顯示全部課程課件，也可以選擇只顯示不明白的課程課件。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，可在不明白的地方，點(diǎn)擊“不明白”按鈕。如果學(xué)生通過學(xué)習(xí)，之前不明白的內(nèi)容能夠正確理解了，可以點(diǎn)擊“已明白”按鈕，當(dāng)再次選擇只顯示不明白課程課件時(shí)，對應(yīng)課件內(nèi)容將不再顯示。軟件自動(dòng)保存的信息可通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)送至授課教師，從而有利于授課教師進(jìn)一步掌握學(xué)情。

在教師版課程課件界面中，與學(xué)生版課程課件相同，授課教師可以選擇顯示全部課程課件，也可以選擇只顯示學(xué)生不明白課程課件。教師版課程課件界面右上角顯示的數(shù)字是根據(jù)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)送至授課教師的信息統(tǒng)計(jì)得到的難度系數(shù)，難度系數(shù)越高，說明在此頁課件的學(xué)習(xí)過程中，點(diǎn)擊“不明白”按鈕的學(xué)生越多。難度系數(shù)為零的課件，在授課教師選擇只顯示學(xué)生不明白課程課件時(shí)，是不會顯示的。

另外，自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件中的動(dòng)態(tài)演示界面由十部分構(gòu)成，可動(dòng)態(tài)演示曲線的生成以及參數(shù)改變對控制系統(tǒng)性能的影響，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)板書與PPT課件的不足之處；課程思政界面包括我國控制領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的簡單介紹，授課教師在完成課程內(nèi)容教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，可對學(xué)生進(jìn)行思政教育。比如在講授勞斯判據(jù)與奈氏判據(jù)時(shí)，授課教師可向?qū)W生簡單介紹我國科學(xué)家謝緒愷教授及其所提出的謝氏穩(wěn)定判據(jù)；課外拓展界面將自動(dòng)控制原理課程教學(xué)與專業(yè)課程設(shè)計(jì)有效結(jié)合起來。

2.2 利用智慧測驗(yàn)軟件加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度

為了積極響應(yīng)教育部號召、加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度，以自動(dòng)控制原理課程為例，筆者基于MATLAB研發(fā)了形象直觀、簡潔高效的自動(dòng)控制原理智慧測驗(yàn)軟件，包括控制系統(tǒng)概述、拉普拉斯變換與反變換、臨界比例度法等15個(gè)不同的專題測驗(yàn)，涵蓋了自動(dòng)控制原理教學(xué)大綱中要求學(xué)生掌握的全部知識點(diǎn)。下面以勞斯判據(jù)專題測驗(yàn)為例，詳細(xì)描述如何使用自動(dòng)控制原理智慧測驗(yàn)軟件加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度。

首先，要求學(xué)生利用自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件中的學(xué)生版課程課件部分，完成關(guān)于勞斯判據(jù)教學(xué)內(nèi)容的預(yù)習(xí)。課前十分鐘左右，授課教師利用自動(dòng)控制原理智慧測驗(yàn)軟件對學(xué)生進(jìn)行勞斯判據(jù)專題測驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 勞斯判據(jù)專題測驗(yàn)軟件

勞斯判據(jù)專題測驗(yàn)軟件主要包括學(xué)生學(xué)號與測驗(yàn)密碼輸入部分、學(xué)生姓名與照片顯示部分、試題顯示部分、學(xué)生答案輸入部分、測驗(yàn)成績顯示部分以及查看測試反饋結(jié)果部分。學(xué)生在輸入自己的學(xué)號與授課教師公布的測驗(yàn)密碼后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示學(xué)生的姓名與照片，同時(shí)開始答題，如圖2(a)所示。針對每一道題目，輸入認(rèn)為正確的答案，直至完成測驗(yàn)后，點(diǎn)擊“交卷”按鈕，便可顯示測驗(yàn)成績，如圖2(b)所示。測驗(yàn)成績是嚴(yán)格根據(jù)期末考試評分標(biāo)準(zhǔn)按步驟得分的，涉及相位角的計(jì)算，智慧測驗(yàn)軟件設(shè)置允許誤差為1°，其他統(tǒng)一設(shè)置為0.05。

點(diǎn)擊“查看測試反饋結(jié)果”按鈕，便可進(jìn)入查看測試反饋結(jié)果界面，學(xué)生輸入題目編號后，點(diǎn)擊“確定”按鈕，便可顯示對應(yīng)題目的出錯(cuò)信息，如圖2(c)、圖2(d)所示。如果對測驗(yàn)成績不滿意，可再次點(diǎn)擊“確定”按鈕，重新答題。在重新答題時(shí)，題目中的參數(shù)均會隨機(jī)變化，從而有利于杜絕抄襲現(xiàn)象，最終的測驗(yàn)成績將作為學(xué)生本次課前預(yù)習(xí)成績。

在專題測驗(yàn)中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息，包括學(xué)生測驗(yàn)成績、測試反饋結(jié)果都將以學(xué)生學(xué)號命名，并通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)送至授課教師，授課教師根據(jù)測試反饋信息及時(shí)調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)并開始授課。在勞斯判據(jù)專題的實(shí)際教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在包括兩種特殊情況在內(nèi)的勞斯表計(jì)算方面沒有問題，問題集中在勞斯表出現(xiàn)全零行時(shí)，學(xué)生判斷控制系統(tǒng)在s右半平面特征根的個(gè)數(shù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，根據(jù)此反饋信息，授課教師及時(shí)調(diào)整勞斯判據(jù)專題的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)為：勞斯表出現(xiàn)全零行時(shí)控制系統(tǒng)特征根在s平面分布情況說明。

下課前十分鐘左右，利用智慧測驗(yàn)軟件再次測試，最終的測驗(yàn)成績將作為學(xué)生本次課中學(xué)習(xí)成績。課后作業(yè)部分也通過智慧測驗(yàn)軟件完成，由于測驗(yàn)密碼與時(shí)間有關(guān)，因此，授課教師可以要求學(xué)生在規(guī)定的不同時(shí)間內(nèi)多次完成不同的課后作業(yè)，給學(xué)生合理“增負(fù)”。比如學(xué)習(xí)奈氏判據(jù)時(shí)，可要求學(xué)生課后作業(yè)需完成勞斯判據(jù)、根軌跡分析法、奈奎斯特曲線三個(gè)不同的專題測驗(yàn)，對比學(xué)習(xí)三種不同的判斷控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法；另外，同一專題測驗(yàn)可以反復(fù)測試作為課后作業(yè)，以提高學(xué)生的計(jì)算能力，最終的測驗(yàn)成績將作為學(xué)生本次課后復(fù)習(xí)成績。

在學(xué)生平時(shí)成績評定中，筆者降低了平時(shí)考勤與紙質(zhì)作業(yè)成績所占比重，加大了測驗(yàn)成績所占的比重，進(jìn)而加大了測驗(yàn)成績在課程總成績中的比重，而且隨著智慧測驗(yàn)軟件功能的日趨完善，紙質(zhì)作業(yè)將逐步取消。由于智慧測驗(yàn)軟件自動(dòng)給出測驗(yàn)成績與測驗(yàn)反饋結(jié)果，從而將授課教師從作業(yè)批改中解放出來。另外，在軟件的研發(fā)過程中，由于需要進(jìn)一步凝練自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容，在提高授課教師現(xiàn)代信息技術(shù)水平的同時(shí)，有效提高了授課教師自身教學(xué)水平，而學(xué)生在使用軟件的過程中，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提高了現(xiàn)代信息技術(shù)水平。

3 教學(xué)改革推廣效果

圖3 控制系統(tǒng)能控性判斷專題測驗(yàn)軟件

為了將上述教學(xué)改革措施推廣至現(xiàn)代控制理論的課程教學(xué)過程中，筆者研發(fā)了現(xiàn)代控制理論智慧教學(xué)軟件與智慧測驗(yàn)軟件，其中智慧測驗(yàn)軟件包括控制系統(tǒng)能控性判斷、控制系統(tǒng)能觀性判斷、李雅普諾夫第一法、李雅普諾夫第二法等12個(gè)不同的專題測驗(yàn)，涵蓋了現(xiàn)代控制理論教學(xué)大綱中要求學(xué)生掌握的全部知識點(diǎn)，如圖3所示。

在2018-2019學(xué)年第二學(xué)期，未采取上述教學(xué)改革措施班級的課程平時(shí)成績平均高于卷面成績18.2949分，e為22.6755%，其中e的計(jì)算公式如式(1)所示；采取上述教學(xué)改革措施班級的現(xiàn)代控制理論課程平時(shí)成績平均高于卷面成績6.9623分，e為3.5988%。

(1)

式中：n為學(xué)生數(shù)目；score1與score2分別為卷面成績與平時(shí)成績。當(dāng)課程平時(shí)成績與卷面成績相差不超過1分、e不超過0.2000%時(shí)，可考慮改變考核方式。

4 結(jié)語

為提高大學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，以自動(dòng)控制原理課程為例，筆者研發(fā)了基于現(xiàn)代信息技術(shù)的自動(dòng)控制原理智慧教學(xué)軟件與自動(dòng)控制原理智慧測驗(yàn)軟件，并將其應(yīng)用于課程教學(xué)過程中。利用智慧軟件教學(xué)有利于授課教師進(jìn)一步掌握學(xué)情，加強(qiáng)了對學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控與考核力度，而且可嘗試推廣其他課程。