“自動控制原理”閉環(huán)型混合式教學(xué)的探索與實踐

高強 劉俊杰 楊森 谷海青

摘要自動控制原理課程是自動化類專業(yè)的一門理論與實踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是整個專業(yè)體系和學(xué)生培養(yǎng)計劃中的具有承上啟下作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在新時代和新工科“智能互聯(lián)網(wǎng)+”教育改革背景下，開展自動控制原理課程的線上線下混合式教學(xué)設(shè)計，打造在線課程與校內(nèi)課堂教學(xué)相融合的混合式“金課”，對滿足產(chǎn)業(yè)升級的人才培養(yǎng)需求具有重要意義。本文以自動控制原理課程為例，開展線上線下混合式教學(xué)活動的設(shè)計與實踐。通過線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引、線上學(xué)習(xí)、線下教學(xué)以及線下討論四個階段的按序有機融合，形成一個線上線下融合、內(nèi)容豐富的閉環(huán)型混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)，旨在提高自控原理課程教學(xué)質(zhì)量和自動化專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)成效，教學(xué)實踐驗證了閉環(huán)型混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞 自動控制原理 線上線下混合式教學(xué) 翻轉(zhuǎn)課堂 教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.049

Exploration and Practice of Principle of Automatic Control Course with Closed-loop Hybrid Teaching Mode

GAO Qiang[1][2]， LIU Junjie[1][3]， YANG Sen[1][3]， GU Haiqing[1][3]

（[1]The School of Electrical andElectronic Engineering， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384；

[2]Maritime College， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384；

[3]TianjinKeyLaboratoryforControlTheory&ApplicationsinComplicatedIndustrySystems，Tianjin300384）

AbstractPrincipleofautomaticcontrol course is afundamentalmajorcourse thatlays equalemphasis onboththeoryand practice for automation majors， which is a key link in the whole professional system and student training plan. Under the background of the new engineering and "Intelligent Internet +" education reform， it is of great significance to carry out the online and offline blended teaching design of principle of automatic control course and create a hybrid "golden course" that integratesonlinecourseswithin-schoolteaching，whichcanmeetthetalenttrainingneedsofindustrialupgrading.Thispaper takestheprincipleofautomaticcontrolcourseasanexampletocarryoutthedesignandpracticeofonlineandofflineblended teaching activities. Through the sequential organic integration of online learning guidance， online learning， offline teaching andofflinediscussion，aclosed-loopblendedlearningsystemwithrichcontentandintegrationofonlineandofflineisformed， aimingtoimprovetheteachingqualityofprincipleofautomaticcontrolandthelearningeffectofautomationmajorstudents. The teaching practice verifies the effectiveness of closed-loop blended learning system and teaching design.

Keywordsprincipleofautomaticcontrol；blendedteaching modeofonline andoffline；flippedclassroom； teaching reform

為踐行習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想，推動社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，國務(wù)院相繼推出“一帶一路”“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略規(guī)劃，以求加快構(gòu)建中國制造新優(yōu)勢，這對工程領(lǐng)域的人才素質(zhì)培養(yǎng)提出了更高要求。2017年，教育部發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，強調(diào)新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展。因此，如何通過改革傳統(tǒng)工科專業(yè)課程的教學(xué)培養(yǎng)模式，使之更好地符合產(chǎn)業(yè)升級對人才的要求是當(dāng)前高等教育不可忽略的重要環(huán)節(jié)。自動控制技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各類工程學(xué)科以及各類非工程學(xué)科?！白詣涌刂圃怼闭n程是自動化類專業(yè)的一門理論與實踐并重的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是電氣類、電子信息類、計算機類、儀表類專業(yè)的重要課程，是整個專業(yè)體系和學(xué)生培養(yǎng)計劃中的具有承上啟下作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[1]線上教育是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代化信息技術(shù)進行教與學(xué)互動的新型教育方式。[2]2020年春季新冠疫情以來，各高校秉承教育部“停課不停學(xué)、停課不停教”的理念要求，組織了大規(guī)模的線上課程教學(xué)，是疫情特殊時期的應(yīng)急教學(xué)手段，同時也是新時代“智能互聯(lián)網(wǎng)+”教育改革的一次探索實踐。[3]混合式教學(xué)將線上與線下教學(xué)進行有機融合，形成口頭交流與文本交流、同步教學(xué)與異步教學(xué)、直接與通過媒介交流的獨特融合體，迅速成為一種新興教學(xué)模式的代表。[4]因此，在國家大力倡導(dǎo)基于國家精品在線開放課程應(yīng)用的線上線下混合式優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)背景下，結(jié)合新工科背景和后疫情時代特殊時期特色，如何通過將線上與線下教學(xué)方式進行有機結(jié)合，探索自動控制原理課程的混合式教學(xué)模式，具有重要的教育和現(xiàn)實意義。

1自動控制原理課程建設(shè)存在問題

“自動控制原理”課程是自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也是工程控制類專業(yè)研究生入學(xué)考試科目，在自動化專業(yè)本科生的教育體系中占有不可替代的地位。[5]然而，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，目前學(xué)校的“自動控制原理”課程教學(xué)主要存在如下問題：

高素質(zhì)綜合應(yīng)用人才與有限的學(xué)時之間的矛盾。與傳統(tǒng)工科人才相比，在“新工科”概念下，對人才培養(yǎng)的要求變更為培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新能力和實踐能力的高素質(zhì)綜合型應(yīng)用人才。“自動控制原理”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其知識點內(nèi)容涉及面很廣，傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)方法和教學(xué)手段較為單一，在有限的學(xué)時下，難以使學(xué)生將自動控制原理同專業(yè)其他課程知識進行有機融合，無法切實提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力。通過合理優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、引入線上自主學(xué)習(xí)并合理分配學(xué)時、有機融入課程群理念，是解決高素質(zhì)綜合應(yīng)用人才與有限的學(xué)時之間矛盾的有力手段。

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)積極性不高。自動控制原理課程內(nèi)容主要涵蓋自動控制系統(tǒng)緒論、線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域分析、根軌跡法、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計與校正，以及非線性系統(tǒng)分析和采樣控制系統(tǒng)等八部分。課程內(nèi)容整體可以劃分為控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)分析、系統(tǒng)控制器設(shè)計三部分內(nèi)容，理論性強，需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。然而，自動控制是一門以線下課堂的方式進行理論講授的課程，目前基本上都是任課教師在進行理論和概念原理的單一輸出，缺乏學(xué)生自主性的學(xué)習(xí)探索，容易引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃，學(xué)習(xí)積極性不高等問題。

網(wǎng)絡(luò)信息化資源利用度不夠。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，原有的教材上的學(xué)習(xí)內(nèi)容難以滿足新工科背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。隨著科技的發(fā)展進步，系統(tǒng)性的網(wǎng)絡(luò)在線資源學(xué)習(xí)平臺如慕課（MOOC）、私播課（SPOC）以及其他在線平臺（LMS）應(yīng)運而生，教育部大力倡導(dǎo)基于在線開放精品課程與校內(nèi)線下課程的有機結(jié)合，這種新型的教學(xué)模式影響著國內(nèi)外高校的課堂教學(xué)改革。此外，先進的數(shù)字化教學(xué)工具能夠?qū)崟r提供教學(xué)數(shù)據(jù)，可有效銜接線上學(xué)習(xí)平臺和線下課堂教學(xué)。如何充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)教學(xué)條件，提高網(wǎng)絡(luò)課程資源及數(shù)字化工具的利用度，不斷完善學(xué)校精品課程的資源建設(shè)，實現(xiàn)線上與線下交互式教學(xué)，是自控原理課程建設(shè)改革尤為重要的環(huán)節(jié)。

高素質(zhì)綜合應(yīng)用人才與有限的學(xué)時之間的矛盾。目前，自動控制原理課程的教學(xué)偏向于數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，考核目標(biāo)以完成作業(yè)和通過試卷考試為主，相應(yīng)的實驗課程僅僅是采用如EWB和MATLAB仿真軟件進行的簡單實驗驗證，缺乏系統(tǒng)性的綜合性工程案例教學(xué)。在現(xiàn)有實驗條件基礎(chǔ)上，如何合理利用線上網(wǎng)絡(luò)資源中的科技前沿案例和自動控制實際應(yīng)用案例，加強學(xué)生對自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)實際的感性認(rèn)識，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，是自動控制原理教學(xué)改革的重要一環(huán)。

2閉環(huán)型混合式教學(xué)設(shè)計

就“自動控制原理”這門專業(yè)課程而言，線上線下混合式教學(xué)設(shè)計應(yīng)與傳統(tǒng)的網(wǎng)上直播教學(xué)和線下教學(xué)區(qū)別開來，通過合理分配線下教學(xué)和線上教學(xué)的時間比例，使學(xué)生的線上自主學(xué)習(xí)與線下教學(xué)進行高效銜接和有機融合，不是簡單地對某一章的部分內(nèi)容采用線上學(xué)習(xí)，一部分內(nèi)容采用線下的方式，更不是簡單地進行章與章之間的接力拼接。作為自動化專業(yè)的核心專業(yè)課程，目前，學(xué)校自動控制原理的教學(xué)上課周數(shù)為17周，每周4學(xué)時，學(xué)期共68學(xué)時，其中線下理論授課時間分配為54學(xué)時，線下課堂練習(xí)及課堂討論為6學(xué)時，實驗教學(xué)為8學(xué)時。根據(jù)自動控制原理課程的內(nèi)容性質(zhì)和特征，在不改變原有線下教學(xué)學(xué)時的前提下，通過引入線上教學(xué)，并基于線上線下混合式教學(xué)理念，自動控制原理課程的教學(xué)學(xué)時分配比例如圖1所示。

本設(shè)計將自動控制原理課程的混合式理論教學(xué)活動按照時間維度劃分為四個階段：線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引、線上學(xué)習(xí)、線下教學(xué)、線下討論。四個階段的具體教學(xué)學(xué)時數(shù)如表1所示。

混合式教學(xué)活動的四個階段具體設(shè)計如圖2所示，四個階段的教學(xué)學(xué)習(xí)活動有機銜接，有序進行，形成一個線上線下融合、內(nèi)容豐富的閉環(huán)型學(xué)習(xí)活動系統(tǒng)，具體如下：

在混合式教學(xué)第一階段，即線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引階段，要求學(xué)生在雨課堂教學(xué)平臺上預(yù)習(xí)教材內(nèi)容，了解所學(xué)章節(jié)的基本結(jié)構(gòu)，明確相應(yīng)的學(xué)習(xí)重點，隨后在平臺上查看教師下發(fā)的線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引，在學(xué)習(xí)導(dǎo)引中給定主題內(nèi)容點的引導(dǎo)下，學(xué)生亦可通過網(wǎng)絡(luò)資源搜索相關(guān)課程內(nèi)容或工程實例，激發(fā)自身的學(xué)習(xí)興趣。

在線上學(xué)習(xí)階段，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)導(dǎo)引觀看PPT課件內(nèi)容、慕課（MOOC）視頻以及相關(guān)課外視頻資料，之后完成線上平臺中布置的作業(yè)題或者小測驗，并就作業(yè)開展線上討論，檢驗線上學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)生尋找知識理解掌握過程中的不足之處，測驗數(shù)據(jù)可便于教師實時了解線上教學(xué)成效；除了課程本身內(nèi)容，線上學(xué)習(xí)亦融入自動控制的科技前沿案例、控制理論的工程應(yīng)用案例，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和科技奉獻認(rèn)知。

混合式線上線下教學(xué)的第三階段為線下教學(xué)階段，與傳統(tǒng)線下教學(xué)相比，此階段加強了學(xué)生與教師間的教學(xué)互動，是傳統(tǒng)線下教學(xué)的再設(shè)計，教師通過理論內(nèi)容授課和重點難點梳理，加強學(xué)生對自動控制理論的理解和章節(jié)整體內(nèi)容框架的掌握；采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的方式，通過學(xué)生講教師評、學(xué)生講學(xué)生評、學(xué)生互問互答以及分組討論的形式開展學(xué)習(xí)活動，使得以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)移。此外，在線下教學(xué)環(huán)節(jié)，采用基于LABVIEW的平衡車和垂直起降系統(tǒng)，以及基于MATLAB的旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)、直流電機控制系統(tǒng)，加強實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，確保課程學(xué)習(xí)的實踐性和探究性。

最后是混合式線上線下教學(xué)的第四階段，通過作業(yè)的講解討論，引導(dǎo)學(xué)生進行課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的查漏補缺，提高學(xué)生對課程內(nèi)容的整合能力和知識體系的構(gòu)建能力，并對本輪混合式教學(xué)學(xué)習(xí)活動進行總結(jié)和反思，為下一輪學(xué)習(xí)活動做準(zhǔn)備，形成學(xué)習(xí)閉環(huán)。

此外，在線上學(xué)習(xí)過程中，有機融入科技故事案例，從思想品德、愛國情懷、科技創(chuàng)新三個方面出發(fā)，主要涵蓋人物（自動控制領(lǐng)域科學(xué)家的貢獻和工作的介紹，激發(fā)愛國熱情和投身科學(xué)研究事業(yè)）、事件（典型技術(shù)對社會發(fā)展的貢獻，激發(fā)學(xué)生努力學(xué)習(xí)）和精神（典型事件如航空航天領(lǐng)域、機器人領(lǐng)域、工業(yè)過程控制及其他領(lǐng)域的典型案例，新的技術(shù)發(fā)展，激發(fā)創(chuàng)新精神）三大塊內(nèi)容，如圖3所示，以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生科技服務(wù)社會的責(zé)任感。

3線上線下混合式教學(xué)實踐

天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院自動化專業(yè)于2019年通過工程專業(yè)認(rèn)證，其核心專業(yè)課程“自動控制原理”為天津市本科專業(yè)線下一流課程，以培養(yǎng)學(xué)生“基礎(chǔ)扎實、知識面寬、工程能力強、有創(chuàng)新意識”為目標(biāo)，重視基本概念、基本理論、基本方法，課程體系符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求。在資源建設(shè)及應(yīng)用情況方面，參編2部教材及主編1部實驗教程，通過錄制課程教學(xué)視頻，建立網(wǎng)絡(luò)課程資源，并采用“雨課堂”等APP，配合紙質(zhì)教材和慕課、學(xué)堂在線平臺等網(wǎng)絡(luò)資源，形成立體化教學(xué)環(huán)境。

線上線下學(xué)習(xí)互動實踐。主講教師及教學(xué)團隊通過搭建章節(jié)知識結(jié)構(gòu)體系，歸納知識重點難點，整理優(yōu)質(zhì)線上網(wǎng)絡(luò)，撰寫線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引，并將線上學(xué)習(xí)導(dǎo)引上傳至雨課堂平臺，學(xué)生通過手機APP隨時在雨課堂上查看學(xué)習(xí)導(dǎo)引，并根據(jù)學(xué)習(xí)導(dǎo)引在線完成線上視頻內(nèi)容學(xué)習(xí)和作業(yè)測試，并以彈幕、留言討論的形式提出問題和評價，教師通過在雨課堂上實時查看學(xué)生完成進度，并及時參與討論。就線上學(xué)習(xí)中的共性問題或難點問題，教師在線下教學(xué)過程中進行專門重點講解，并就下輪線上學(xué)習(xí)內(nèi)容的重點難點進行學(xué)習(xí)前強調(diào)。這種線上線下學(xué)習(xí)的閉環(huán)互動實踐為混合式教學(xué)模式的持續(xù)改進提供了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗支撐。

實驗實踐教學(xué)實施?！白詣涌刂圃怼弊鳛樘旖蚴斜究茖I(yè)“一流課程”，積極思考實驗教學(xué)內(nèi)容在教學(xué)過程的有機貫穿，提高學(xué)生的動手實踐能力。依托MATLAB、LABVIEW、PROTEUS等數(shù)字化仿真工具，多套基于MATLAB的旋轉(zhuǎn)倒立擺、直流電機控制系統(tǒng)，基于LABVIEW的平衡車、平衡球桿、垂直起降系統(tǒng)、自主尋跡小車等先進實驗設(shè)備，持續(xù)建設(shè)多樣化的實驗教學(xué)設(shè)備資源，確保課程學(xué)習(xí)的實踐性和探究性。

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。在線上學(xué)習(xí)和線下教學(xué)的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生進行面對面線下討論，教師布置或?qū)W生自行選擇討論內(nèi)容，由學(xué)生為主進行課程內(nèi)容、課后作業(yè)或線上學(xué)習(xí)遺留問題的互講互評，教師在旁輔助，此類討論型的學(xué)習(xí)活動形式，可大幅調(diào)動學(xué)生的線上學(xué)習(xí)積極性，提高線下教學(xué)學(xué)生的討論參與度，學(xué)生反饋此類翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)型的討論活動效果良好。

4結(jié)論

在學(xué)校雨課堂、學(xué)堂在線等既有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，通過合理利用其他優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源，堅持“立德樹人”的根本任務(wù)，結(jié)合自動控制原理課程的知識特點，融合實驗教學(xué)內(nèi)容，進行線上線下混合式教學(xué)的探索與實踐。設(shè)計的自動控制原理線上線下混合式教學(xué)方案打破了常規(guī)的時空限制，在一定程度上滿足了個性化教學(xué)的需求，達成了線上學(xué)習(xí)與線下教學(xué)同效等質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)，更好地符合產(chǎn)業(yè)升級對人才的要求，此類線上線下混合教學(xué)模式亦可供其他工程類課程借鑒推廣。

*通訊作者：劉俊杰

基金項目：天津市級線下、線上線下混合式、社會實踐一流本科建設(shè)課程（自動控制原理課程建設(shè)）；天津理工大學(xué)基于MOOCs/SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)改革研究項目（KC18-08），天津理工大學(xué)教學(xué)基金項目資助

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