基于云控制的閉環(huán)OBE在線教學模式探索

李怡然， 夏元清

（北京理工大學自動化學院，北京100081）

0 引 言

2020年初，我國新冠肺炎疫情突然爆發(fā)，全國各地中小學、高校為確保師生健康，春季學期不得不延期開學。各高校第一時間作出反應(yīng)，組織教師進行網(wǎng)絡(luò)教學、線上授課。然而，線上授課并不是一蹴而就，而是有長期的實踐積累和廣泛的受眾主體。早在2011年，美國斯坦福大學教授塞巴斯蒂安·史朗把他的人工智能課程放在互聯(lián)網(wǎng)上，吸引了來自190多個不同國家超過16萬學生，拉開了在線開放課程的序幕［1］。2015年4月，教育部頒布了《關(guān)于加強高等學校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》，我國將在線開放課程上升為教育信息化發(fā)展戰(zhàn)略［2］，建設(shè)線上開放教育平臺，進行“翻轉(zhuǎn)課堂”等線上、線下混合式教學?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”模式既深度適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代大學生碎片化的信息吸收方式，并充分發(fā)揮傳統(tǒng)課堂的場景依賴、師生交流互動“沉浸式”教學的優(yōu)勢。通過線上學習知識和線下師生交流的相互促進，達到以學生為中心、持續(xù)改進、產(chǎn)出教育的OBE教學理念深度實踐。然而，在新冠疫情等突發(fā)事件期間，由于學生無法到校學習，混合式教學無法落實線下教學的關(guān)鍵一環(huán)，不得不造成整個教學過程缺乏課堂交流的困境，使教師無法對實際教學效果進行準確評估。同樣，由于空間隔離，大部分依賴硬件設(shè)備的實驗課程難以開展。

隨著國家和各高校都在進一步加大云數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施布局［3］，各地區(qū)、各高校云數(shù)據(jù)中心的落成和人工智能、模式識別技術(shù)的成熟，必將形成“云-網(wǎng)-邊-端”的云計算網(wǎng)絡(luò)模式，可以為在線教學的學生行為分析、學生管控、互聯(lián)網(wǎng)遠程“云”實驗提供平臺和技術(shù)支撐。針對線上授課實踐遇到的實際問題，提出了基于云控制閉環(huán)在線教學模式，該模式充分應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)在線授課與課堂授課學生能力培養(yǎng)的實質(zhì)等效。

1 網(wǎng)絡(luò)教育模式的現(xiàn)狀和問題分析

1.1 信息時代MOOE與混合式教育的發(fā)展

截至2020年，大學生多是“00”后，他們的成長過程伴隨著我國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的黃金10年，大學生思維模式、生活習慣以及學習方法與互聯(lián)網(wǎng)無法剝離。在互聯(lián)網(wǎng)文化氛圍下，碎片化、趣味化、非格式化的信息交互方式，使大學生知識構(gòu)建和能力培養(yǎng)過程具有多向傳播性［4］。這對傳統(tǒng)的授課教育模式既是挑戰(zhàn)又是機遇。

近年來，國家政策和投資行業(yè)對在線教育支持力度空前，也取得了豐厚的成果。從2017年開始，教育部大力推動國家級線上課程，截至2019年7月，共有12 500門MOOC上線，超過2億人次學習者。到2020年，教育部要認定3 000門國家精品在線開放課程，再認定7 000門線下精品課程，合計推出1萬門國家級一流精品課程［5］。2020年3月底，“猿輔導(dǎo)”在線教育完成了新一輪10億美元融資交割［6］，充分體現(xiàn)了信息時代“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的廣闊發(fā)展前景。

1.2 學生管理模式與師生關(guān)系的“云”化升級

在線教育的長足發(fā)展，也促進了學生管理模式和師生關(guān)系的革命性變化。一方面，隨著微信、釘釘?shù)壬缃卉浖膹V泛應(yīng)用，老師獲取學生學習效果的途徑更廣；同時，師生的交流也不限于在教室或者實驗室，通過微信等方式，學生可以隨時隨地向老師提問，學習效果的反饋時間大大縮小。通過組建課程群，教師可以隨時分享學習資料，帶動群內(nèi)討論。學生管理模式和師生關(guān)系從以教師為中心的被動式，升級為以學生為主體的自由討論、資料分享和自我管理。

但是，這種線上交流的方式存在一定的弊端：它放大了具有主觀能動性學生的積極性而隱蔽了被動學習學生的惰性，使教學“死角”更加難以發(fā)現(xiàn)，而這些“不夠積極”的學生才是教師更應(yīng)該關(guān)注的一部分同學。古人曰“有教無類”，如何在“云”化升級后的師生關(guān)系中準確定位并精準扶助這一類“被動”學生，是互聯(lián)網(wǎng)教育模式線上授課的新挑戰(zhàn)。

1.3 基于OBE理念的網(wǎng)絡(luò)教學困境

根據(jù)OBE的理念，教學過程應(yīng)更關(guān)注學生的學習行為、學習效果和能力提升，并據(jù)此進行課程持續(xù)改進。然而，在線授課由于互聯(lián)網(wǎng)天然隔離性，導(dǎo)致教師無法直接觀察學生學習行為并估計學習效果。教師為解決此問題，往往通過精心設(shè)計測試題目來對授課內(nèi)容進行全面考核；學生為完成測試，花費了大量的時間，且很多測試具有重復(fù)和冗余性，這給教師和學生都增添很多負擔。這顯然是一種被動的學習模式和教學方法，學生學習效果反饋不及時，甚至實驗等培養(yǎng)學生能力的關(guān)鍵教學環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)。

此外，對于自動化等深度依賴設(shè)備和物理對象的專業(yè)，實驗實踐類課程是達成培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題能力的重要一環(huán)。盡管在各種仿真平臺框架下，能夠建立基于模型和動畫效果的仿真實驗，但距離實際實驗對學生理解問題和能力提升的培養(yǎng)效果差距顯著。實驗課程無法在網(wǎng)絡(luò)授課中順利進行，是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)授課的另一個困境。

綜上所述，疫情下的在線教學區(qū)別于混合式教學模式，不再是對于課堂教學的有效補充，而是直接用線上教學實質(zhì)等效課堂教學。這種教學模式具有“互聯(lián)網(wǎng)+教育”廣泛傳播、隨時學習、碎片可用的優(yōu)勢之外，對教師教學提出了以下挑戰(zhàn)：① 學生監(jiān)管難度加大，難以進行統(tǒng)一學生管理，“云”化的師生關(guān)系掩蓋部分被動學習學生死角，教師難以對其精準扶助；②缺乏有效教學效果反饋機制，課堂反饋無法避免“大時滯”甚至“開環(huán)”，學生作業(yè)負擔明顯增加；③ 線上仿真實驗平臺無法保障線上實驗課程與線下實驗課程對學生能力培養(yǎng)的實質(zhì)等效。

2 基于云控制的在線教學新土壤

基于OBE的教學理念可以與經(jīng)典反饋控制理論進行一一對應(yīng)：教學的被控對象相當于學生的學習效果，設(shè)定值相當于課程目標，信號處理單元相當于學習狀態(tài)評價系統(tǒng)，控制器相當于教學過程動態(tài)調(diào)整，反饋回路相當于學生學習狀態(tài)反饋，整個過程如圖1所示。

圖1 基于OBE的教學過程與典型控制結(jié)構(gòu)類比圖

線下授課時，學習效果反饋回路能夠通過教師教學經(jīng)驗和其他量化考核方式實時進行反饋，根據(jù)反饋結(jié)果，教師動態(tài)調(diào)整教學進度和教學方法，最終達成課程培養(yǎng)目標?；贠BE理念的線上授課，對于教師而言相當于將學生學習過程和學生能力達成放在遠端，學習的執(zhí)行過程和學習效果由于網(wǎng)絡(luò)的物理隔離不得不產(chǎn)生延遲。教師的教學過程無法及時根據(jù)學生學習狀態(tài)進行實時調(diào)整。在線教學模式在前向和反饋通路上均形成網(wǎng)絡(luò)延遲和不確定性因素影響，如圖2所示。

圖2 基于OBE的在線教學模式課程目標達成閉環(huán)示意圖

新一代通信技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為設(shè)備接入、云端互聯(lián)、海量計算和集中管控提供技術(shù)保障，形成以云-網(wǎng)-邊-端為架構(gòu)的云控制系統(tǒng)（Cloud control system，CCSs）［7］，達到集中監(jiān)管、控制和調(diào)度優(yōu)化的目標，這是在線教學孕育的新土壤和持續(xù)發(fā)展的技術(shù)動力。云控制理論和相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制和智能交通等領(lǐng)域得到深入應(yīng)用并取得一定成效［8-9］。

在教學方面，已有文獻提出基于云的虛擬實驗室，利用云平臺進行資料共享，學生遠程執(zhí)行實驗任務(wù)［10-11］，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和3D建模，實現(xiàn)線上虛擬仿真實驗室［12］，基于圖像處理等技術(shù)對MOOC授課過程中的學生聽課行為進行檢測和自動分析。在此基礎(chǔ)上，若深度整合云控制、圖像識別、人工智能等新技術(shù)，將學生云端管控和設(shè)備管控納入整個閉環(huán)控制流程，可以使在線教學形成云端教學資料共享、云端討論、云化師生關(guān)系、云端實驗和云端在線學習監(jiān)管的學生、設(shè)備閉環(huán)在線教學新模式。通過這樣的在線教學模式，大大減小學習評價時滯和實踐實驗時滯，給教師授課、學生學習雙重減壓，并且通過快速、高效的學習反饋達成師生良性互動，解決學生監(jiān)管難、學習反饋慢、實踐實驗難以進行的線上教學困境?；谠瓶刂频娜藚f(xié)同學生、設(shè)備在環(huán)在線教學部署模式如圖3所示。

圖3 基于云控制的三端協(xié)同學生、設(shè)備閉環(huán)OBE在線教學平臺部署模式

3 基于云控制的學生在環(huán)在線教學模式

現(xiàn)有的在線教學平臺繁多。有線上教學視頻共享平臺，如中國大學MOOC、超星網(wǎng)絡(luò)教學平臺、智慧樹等；有在線直播課程平臺，如釘釘、云班課、騰訊會議、Zoom等；線上教學班級管理平臺，如雨課堂、云班課等［13］。但這些平臺提供的在線教學模式都是開環(huán)的，依賴這些教學平臺，教師只能單向發(fā)布教學資源，并針對學生課后作業(yè)效果或線上交流獲取學生學習效果的反饋。通常，為了彌補面對面授課交流效果，多數(shù)教師會引入“前饋控制”，即增加講課詳解內(nèi)容，加大作業(yè)量。這無疑是對學生和教師精力的雙重浪費。

圖4所示為基于云控制的學生閉環(huán)在線教學模式，其目標解決以下在線教學問題，以達到教學效果實質(zhì)等效。①利用學生端攝像頭實時檢測學生狀態(tài)，應(yīng)用人工智能、模式識別等技術(shù)方法，融合學生姿態(tài)、學習時間、學習環(huán)境嘈雜程度等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，對學生學習狀態(tài)進行評估和預(yù)測。② 根據(jù)對學生學習狀態(tài)的評估結(jié)果，動態(tài)調(diào)整教學過程，對于線上授課方式，可以顯示學生興奮狀態(tài)、疲勞狀態(tài)、走神狀態(tài)學生的百分比，從而提示教師來調(diào)整課程進度和休息時間；對于課程視頻錄制的教學方式，給學生進行狀態(tài)提示或動態(tài)調(diào)整視頻暫停時間，將學生學習的總時長作為學習專注度評判依據(jù)。③根據(jù)學生學習狀態(tài)的評估情況，給出課堂表現(xiàn)綜合得分，計入學生總成績，與線下授課的課堂表現(xiàn)得分實質(zhì)等效。

圖4 基于云控制的學生狀態(tài)閉環(huán)在線教學模式

通過物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)解決云端學習狀態(tài)監(jiān)控反饋，并根據(jù)教學策略和學生學習狀態(tài)調(diào)整教學節(jié)奏，評價學生課堂表現(xiàn)，實現(xiàn)在線教學內(nèi)環(huán)的實時穩(wěn)定。將傳統(tǒng)的課堂作業(yè)和測試作為評價學生工程知識達成的指標，保證學生知識模塊充分理解吸收的中期穩(wěn)定性。該學生在環(huán)在線教學模式，能夠解決學生監(jiān)管難、學習效果反饋慢的實際問題。

4 基于云控制的設(shè)備在環(huán)在線教學模式

在線教學的另一缺陷是由于空間物理隔離，無法進行實驗類教學的實際操作。目前的解決方案是應(yīng)用虛擬仿真平臺，通過數(shù)學模型、動畫仿真的方式進行模擬，由于虛擬實驗平臺本身是人工建模搭建，考慮因素不全面，實驗過程不具備工程問題本身的復(fù)雜性，這顯然是無法與實驗室實踐過程實質(zhì)等效的。

隨著云控制、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G、信息物理系統(tǒng)、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的云控制、網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實際，并取得了良好的應(yīng)用效果［7-15］。將已有的研究成果，應(yīng)用于實驗教學過程，給傳統(tǒng)的實驗設(shè)備增加數(shù)字信號網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、邊緣規(guī)約節(jié)點和視頻監(jiān)控系統(tǒng)［14］，云端部署云控制器架構(gòu)并添加網(wǎng)絡(luò)延遲和不確定性補償則能夠模擬本地控制器的控制效果，配合指導(dǎo)老師在實驗室現(xiàn)場的視頻指導(dǎo)，能夠完成自動化、電氣工程及其自動化等專業(yè)核心控制理論、控制算法相關(guān)的大部分實驗［16-17］?；谠瓶刂频脑诰€教學實驗平臺實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于云控制的設(shè)備在環(huán)實驗平臺

通過在云端服務(wù)器建立數(shù)據(jù)庫、控制算法庫等，借助設(shè)備管理軟件和學生接入管理軟件的協(xié)同管理，彼此相互連接，云端協(xié)同管理。實驗室端頂層為邊緣服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)通信接口，中層為實驗設(shè)備通信和檢測裝置及執(zhí)行器，底層為被控對象。通過被控對象各個狀態(tài)變量的實時檢測經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸提交到云端服務(wù)器，學生設(shè)計控制算法提交到云端，設(shè)備管理軟件和學生實驗接入管理軟件協(xié)同管控學生實驗順序，同時實驗室的視頻監(jiān)控設(shè)備將同步傳輸被控對象控制效果給學生，使學生能夠達到與實驗室操作相同的效果保證學生完成實驗，并獲得相應(yīng)的能力培養(yǎng)，達到與實驗教學的實質(zhì)等效。

基于云控制的設(shè)備在環(huán)實驗平臺，能夠使學生在完成理論學習的基礎(chǔ)上深入進行實驗實踐學習，達成課程目標?；谠瓶刂频脑O(shè)備在環(huán)在線教育模式架構(gòu)如圖6所示。在學生狀態(tài)閉環(huán)的基礎(chǔ)上，通過云控制系統(tǒng)架構(gòu)將實驗設(shè)備放到線上，保證學生線上進行實驗，增加外環(huán)能力養(yǎng)成環(huán)達成培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。通過實驗效果反饋能力達成程度，構(gòu)建學生中心、問題導(dǎo)向、能力培養(yǎng)、持續(xù)改進的在線課堂，進一步推動在線課堂與線下課堂的實質(zhì)等效。

圖6 基于云控制的學生、設(shè)備閉環(huán)OBE在線教學模式

5 結(jié) 語

信息時代，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)深入發(fā)展，學生碎片化、多元化思維模式的養(yǎng)成必將推動“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的革命。2020年初，我國突發(fā)新冠大規(guī)模公共衛(wèi)生安全應(yīng)急響應(yīng)事件，使學生無法到校學習，催化了在線教學模式落地，迫使高校、教師進一步重視線上教學實質(zhì)等效課堂教學的實踐落地?，F(xiàn)階段的在線教學管理方法僅借助于互聯(lián)網(wǎng)平臺的共享功能，并沒有充分利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)升級帶來的根本性在線教學模式的轉(zhuǎn)化。

基于云控制的學生、實驗設(shè)備閉環(huán)在線教學模式改革，從OBE理念出發(fā)，基于云控制系統(tǒng)架構(gòu)，在學生端增加學生狀態(tài)視頻監(jiān)控裝置和姿態(tài)檢測評估器，設(shè)計學生狀態(tài)反饋環(huán)，根據(jù)學生個體學習狀態(tài)動態(tài)調(diào)整課程進度并在線評價學生狀態(tài)，以達到課堂教學實質(zhì)等效。增加基于云控制的實驗設(shè)備環(huán)，學生將設(shè)計的算法上傳到云端，通過在云端部署學生接入管理軟件、實驗設(shè)備管理軟件，將實時上傳的實驗室設(shè)備數(shù)據(jù)進行計算并下達控制指令完成對實驗設(shè)備的控制，幫助學生在家中完成實驗，達成課程目標要求的綜合實踐能力。

基于云控制的學生、實驗設(shè)備在環(huán)在線教學模式，針對傳統(tǒng)在線教學模式的“大延遲”甚至“開環(huán)”問題，通過智能化實時課堂管控和云控制實驗室達到課程的知識能力、綜合實踐能力的雙達成，保障課程目標達成效果，實現(xiàn)學生-教師-實驗室三位一體的云-網(wǎng)-邊-端在線教學，達成學生、實驗設(shè)備閉環(huán)的在線教學模式，實現(xiàn)與課堂教學的實質(zhì)等效。