基于SPOC的自動控制理論課程教學(xué)模式改革研究

游文霞 李文武 王凌云

摘要：自動控制理論課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程。針對該課程教學(xué)內(nèi)容多與教學(xué)學(xué)時少的問題，以及學(xué)生較難利用本課程原理解決實際控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的現(xiàn)狀，提出利用小規(guī)模限制性在線課程（SPOC）來進(jìn)行控制理論課程教學(xué)模式改革。首先建立了基于SPOC的線上線下混合式自動控制理論教學(xué)模式的整體框架，通過增加課外線上學(xué)習(xí)時間解決了教學(xué)學(xué)時少的問題。接著說明課程改革的具體實施方案，在實施翻轉(zhuǎn)課堂中增強(qiáng)了學(xué)生解決實際控制復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：SPOC;混合式教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;自動控制理論課程

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0155-02

一、自動控制理論課程教學(xué)模式現(xiàn)狀

自動控制理論課程是三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強(qiáng)的課程。通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握自動控制的基本理論和基本分析方法，能應(yīng)用控制理論對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，能對系統(tǒng)進(jìn)行校正和提出改善系統(tǒng)性能的途徑和方法。學(xué)習(xí)本課程要求學(xué)生較好地掌握高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換和電路等課程;同時該課程的學(xué)習(xí)效果又直接對電氣工程及其自動化專業(yè)的電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)自動化、配電網(wǎng)分析等課程產(chǎn)生直接影響。

本課程的教學(xué)目標(biāo)包括：（1）能結(jié)合工程問題，理解自動控制的基本概念和實際自動控制系統(tǒng)的工作原理;（2）能運用相關(guān)理論知識建立自動控制系統(tǒng)特別是電氣工程領(lǐng)域?qū)ο蟮奈⒎址匠棠Ｐ?、傳遞函數(shù)模型以及狀態(tài)空間模型并正確求解;（3）能對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行時域分析、根軌跡分析、頻域分析及狀態(tài)空間分析，并從多方面對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行評價;（4）能按要求性能指標(biāo)，應(yīng)用頻域法、根軌跡法和狀態(tài)空間法設(shè)計控制系統(tǒng);（5）能針對一個實際的控制工程問題，使用MATLAB軟件進(jìn)行模型建立、性能分析和控制器設(shè)計。

本課程長期以來采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即以教師課堂講授為主，輔助學(xué)生課外復(fù)習(xí)做作業(yè)。從近幾年該課程的考試通過率、課程達(dá)成度指標(biāo)等數(shù)據(jù)，以及學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽等實踐環(huán)節(jié)來看，此種傳統(tǒng)教學(xué)模式存在兩個主要問題。一是教學(xué)內(nèi)容多與教學(xué)學(xué)時少之間存在矛盾。專業(yè)人才培養(yǎng)方案中要求掌握較多的自動控制理論來解決復(fù)雜的工程問題，使得自動控制理論課程知識點多，在有限的課堂學(xué)時下教學(xué)進(jìn)度較快，學(xué)生難以跟上。二是該課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生不會有效利用該課程的基本原理解決控制系統(tǒng)復(fù)雜工程實際問題。

本文針對自動控制理論傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題，利用基于SPOC的線上線下混合式教學(xué)模式改革自動控制理論教學(xué)，全文內(nèi)容安排如下：第二部分介紹SPOC，第三部分建立基于SPOC的線上線下混合式自動控制理論教學(xué)模式整體框架，第四部分說明課程改革具體實施方案。

二、SPOC

MOOC（Massive Open Online Course，大規(guī)模開放性在線課程，常譯為慕課）是目前國內(nèi)外大力發(fā)展的在線教育形式，為不同層次、不同類型的受教育者提供個性化、多樣化、高質(zhì)量的教育服務(wù)，促進(jìn)學(xué)習(xí)者主動學(xué)習(xí)、釋放潛能、全面發(fā)展。MOOC是信息技術(shù)、智能技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，必將引起教育理念、教學(xué)內(nèi)容、教育教學(xué)模式與方法的深刻變革。自2012年MOOC元年之后，MOOC平臺建設(shè)日益升溫。Coursera、Udacity、edX三大課程提供商的興起，給更多學(xué)生提供了系統(tǒng)學(xué)習(xí)的可能。我國也大力發(fā)展MOOC平臺，以中國大學(xué)MOOC為代表的平臺運營日益成熟，大量在校生和畢業(yè)生利用MOOC平臺提供的課程開展在線學(xué)習(xí)。

但是在利用MOOC進(jìn)行教學(xué)過程中，仍存在一些問題。沒有先修條件、沒有規(guī)模限制和缺乏師生互動是MOOC的主要局限。由于不設(shè)先修條件，學(xué)生的知識基礎(chǔ)參差不齊，不僅損害了學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，也影響了教師教學(xué)的積極性[1]。沒有規(guī)模限制和缺乏師生互動使得MOOC教學(xué)很難適應(yīng)不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、不同學(xué)習(xí)習(xí)慣的學(xué)生。

SPOC是將MOOC教學(xué)資源如微視頻、學(xué)習(xí)資料、訓(xùn)練與測驗、機(jī)器自動評分、站內(nèi)論壇等應(yīng)用到小規(guī)模的實體校園的一種課程教育模式，實質(zhì)是將優(yōu)質(zhì)MOOC課程資源與課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，借以翻轉(zhuǎn)教學(xué)流程，變革教學(xué)結(jié)構(gòu)，提升教學(xué)質(zhì)量，既能充分發(fā)揮MOOC的優(yōu)勢，又能有效地彌補(bǔ)MOOC的短板與傳統(tǒng)教學(xué)的不足[2]。SPOC在MOOC的基礎(chǔ)上增加了實體課堂教師面授教學(xué)的環(huán)節(jié)，整個教學(xué)過程中為學(xué)生提供了更多與教師溝通的渠道和機(jī)會，可以有針對性地為學(xué)生提供契合其學(xué)習(xí)特點并量身定制的課程。

三、自動控制理論課程教學(xué)模式改革的整體框架

自動控制理論課程作為三峽大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)位課，目前在大三上學(xué)期安排56個學(xué)時完成教學(xué)任務(wù)，共3.5個學(xué)分。

開展課程教學(xué)，需要在各MOOC平臺上遴選需要的課程資源，包括講課視頻、講義、習(xí)題等;繼而在此基礎(chǔ)上開展基于SPOC的混合式教學(xué)過程?；旌鲜浇虒W(xué)過程采用線上線下相結(jié)合的形式，即首先利用在線課堂實現(xiàn)課前學(xué)習(xí)，然后在實體課堂上開展研討，并在課后利用在線課堂練習(xí)鞏固知識點，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂。課程的評價將結(jié)合在線課堂和實體課堂的表現(xiàn)綜合進(jìn)行。

四、自動控制理論課程教學(xué)模式改革實施方案

為開展本文提出的基于SPOC的課程教學(xué)模式改革，針對三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)的電氣英才班學(xué)生開展試點，具體實施方案如下。

1.自動控制理論課程的MOOC教學(xué)資源準(zhǔn)備。在開課之前，分析學(xué)生的前導(dǎo)課程學(xué)習(xí)情況、本課程的教學(xué)大綱以及學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，進(jìn)而確定MOOC教學(xué)資源。本課程的在線學(xué)習(xí)資源擬結(jié)合三峽大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，采用引進(jìn)模式。通過國內(nèi)中國大學(xué)MOOC、清華學(xué)堂在線、好大學(xué)這三大MOOC平臺，檢索對應(yīng)的課程資源，確定采用中國大學(xué)MOOC平臺上的自動控制原理這門國家精品MOOC課程作為學(xué)習(xí)資源。

2.基于SPOC的自動控制理論課程混合式教學(xué)過程。本課程在中國大學(xué)MOOC平臺上采用異步方式拷貝課程資源到三峽大學(xué)開設(shè)自動控制理論課程的SPOC空間中去，所有學(xué)生和課程組老師均加入這個SPOC課程?；旌鲜浇虒W(xué)過程以解決問題為主線，包括課前學(xué)習(xí)、課堂研討和課后練習(xí)三個環(huán)節(jié)。

課前學(xué)習(xí)的主要任務(wù)是引發(fā)問題。課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)在線上課堂實施。首先在開課之初先向?qū)W生介紹課程內(nèi)容和教學(xué)方式，然后要求學(xué)生在中國大學(xué)MOOC平臺注冊。課堂研討在傳統(tǒng)的實體課堂中展開，在三峽大學(xué)智慧教室中進(jìn)行，采取分組討論方式，教學(xué)過程主要分三個階段。首先教師根據(jù)SPOC平臺記錄的學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生的疑問進(jìn)行分析，對重難點加以解釋。然后教師根據(jù)不同學(xué)生表現(xiàn)出來的信息，提供一些難度較高但不相同的習(xí)題，供學(xué)生進(jìn)行知識點遷移訓(xùn)練，實現(xiàn)真正意義上的因材施教。

課后練習(xí)環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是問題深化。課后練習(xí)環(huán)節(jié)在線上課堂實施，是對前期活動的鞏固、升華，并為下一階段的教學(xué)做準(zhǔn)備。

五、總結(jié)與展望

基于SPOC的自動控制理論課程教學(xué)模式，可解決該課程教學(xué)內(nèi)容多與教學(xué)學(xué)時少的矛盾，提高學(xué)生利用本課程原理解決實際控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力。由于實體課堂教學(xué)不再詳細(xì)講解知識點，因此倒逼學(xué)生自主在線上學(xué)習(xí)，并針對具體問題綜合利用所學(xué)知識點解決工程復(fù)雜問題。本課程的教學(xué)模式改革可以推廣到其他課程并對其他工科課程建設(shè)起到示范作用。

未來還需要對課程評價開展進(jìn)一步研究，從課程的評價主體、評價內(nèi)容、評價方式和評價功能方面進(jìn)行全方位的教學(xué)改革，建立多元教學(xué)評價體系，避免由單一考試考核導(dǎo)致的學(xué)生突擊學(xué)習(xí)現(xiàn)象，實現(xiàn)以評促教，以評促學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]康葉欽.在線教育的“后MOOC時代”——SPOC解析[J].清華大學(xué)教育研究，2014，35（1）：85-93.

[2]曾明星，李桂平，周清平，等.從MOOC到SPOC：一種深度學(xué)習(xí)模式建構(gòu)[J].電化教育，2015，（11）：28-34.