“自動(dòng)控制原理”混合式教學(xué)改革實(shí)踐

白圣建， 李興瑋， 曹聚亮， 張 輝

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

國(guó)防科技大學(xué)的“自動(dòng)控制原理”課程始設(shè)于“哈軍工”時(shí)期的導(dǎo)彈工程系，是當(dāng)時(shí)學(xué)校面向工程技術(shù)類和指揮類學(xué)員開(kāi)設(shè)的傳統(tǒng)特色課程。主要講授自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，鍛煉分析與解決控制工程問(wèn)題的基本能力，培養(yǎng)以反饋和優(yōu)化為核心的系統(tǒng)觀與思維習(xí)慣。

由于繁多的知識(shí)點(diǎn)和不斷壓縮的學(xué)時(shí)，加之控制理論本身具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，給該課程教與學(xué)帶來(lái)較大困擾[1]。

線上線下混合式教學(xué)作為信息化條件下面向泛在學(xué)習(xí)的一種教學(xué)組織形式，能夠有效拓展課堂學(xué)習(xí)的時(shí)空邊界，給傳統(tǒng)教學(xué)帶來(lái)很大活力[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)高校優(yōu)質(zhì)MOOC的蓬勃發(fā)展，這種教學(xué)模式逐漸得到推廣應(yīng)用[3～4]。但在泛在學(xué)習(xí)環(huán)境下，單純采用MOOC課程開(kāi)展混合式教學(xué)難以滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，需要以多種類型的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源為支撐。本文結(jié)合省級(jí)精品MOOC和線上線下混合式一流課程建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)手段更新、考核方式改革和混合式教學(xué)實(shí)施等方面，介紹一些方法舉措。

1 面向泛在學(xué)習(xí)，建設(shè)多樣化教學(xué)資源

在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育模式下，泛在學(xué)習(xí)打破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空界限，教室不再是學(xué)習(xí)知識(shí)的唯一場(chǎng)所，紙質(zhì)教材也不再是課程知識(shí)的單一載體[4]。尤其是對(duì)于成長(zhǎng)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的“00后”學(xué)生，他們的知識(shí)獲取方式更加多元化、交流方式更加網(wǎng)絡(luò)化、學(xué)習(xí)需求更加多樣化和個(gè)性化。課程組面向?qū)W生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)的內(nèi)在需求，建成了包括精品MOOC課程、微視頻、教學(xué)案例、電子文本資源在內(nèi)的多樣化教學(xué)資源。

1.1 視頻資源

視頻資源是學(xué)生最為喜聞樂(lè)見(jiàn)的教學(xué)資源。課程組在精品資源共享課的基礎(chǔ)上，將教學(xué)內(nèi)容切分重塑，于2017年在“學(xué)堂在線”上線了“自動(dòng)控制原理”MOOC課程，并配備了大量自測(cè)習(xí)題。其特點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)講解直奔主題、短小精悍，便于學(xué)習(xí)者快速掌握課程的知識(shí)點(diǎn)。但在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)MOOC課程尚不足以滿足不同專業(yè)(控制類與非控制類)、不同類別(指揮類與非指揮類)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。近年來(lái)，我們接續(xù)錄制了大量Matlab教學(xué)微課、典型習(xí)題講解微視頻、倒立擺實(shí)驗(yàn)裝置演示視頻等，發(fā)布在Bilibili網(wǎng)站[5]或雨課堂網(wǎng)盤(pán)，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

新冠疫情期間，這些教學(xué)資源為開(kāi)展線上直播教學(xué)、線上專題研討、線上翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等提供了有力支撐[6]。為保障學(xué)生返校后開(kāi)展非集中式課程實(shí)驗(yàn)，我們還事前錄制了課程實(shí)驗(yàn)講解微視頻，發(fā)布在Bilibili網(wǎng)站，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)與課上回放參考，有力保障了疫情下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開(kāi)設(shè)，也為今后繼續(xù)開(kāi)展線上線下混合式課程實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 案例資源

類型多樣的視頻資源為學(xué)生在課外開(kāi)展自主學(xué)習(xí)提供了條件，面向不同專業(yè)學(xué)生定制的教學(xué)案例則為課堂教學(xué)注入新鮮活力。如果把課程知識(shí)點(diǎn)構(gòu)成的框架視為骨骼，那么好的教學(xué)案例可視為將其聯(lián)結(jié)起來(lái)的血肉。特別是那些來(lái)源于科研成果的教學(xué)案例，是有效融合學(xué)科知識(shí)、工程實(shí)踐和課程內(nèi)容的絕佳載體。

課程依托承研重大科研項(xiàng)目的技術(shù)積淀，積極推進(jìn)科研成果進(jìn)課堂，將優(yōu)勢(shì)科研資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)素材，面向飛行器設(shè)計(jì)、導(dǎo)彈工程等專業(yè)學(xué)生，結(jié)合某型制導(dǎo)武器研制任務(wù)，建設(shè)了導(dǎo)彈飛行控制教學(xué)案例；面向機(jī)器人工程、機(jī)械工程等專業(yè)學(xué)生，結(jié)合RoboCup機(jī)器人競(jìng)賽等活動(dòng)，建設(shè)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)案例；面向炮兵工程、仿真工程等專業(yè)學(xué)生，結(jié)合兩套實(shí)驗(yàn)裝置，建設(shè)了火炮隨動(dòng)控制系統(tǒng)和倒立擺控制系統(tǒng)教學(xué)案例。這些教學(xué)案例都貫穿了“圍繞一個(gè)中心，一縱三橫交錯(cuò)”的設(shè)計(jì)思路，一個(gè)中心是指單輸入單輸出(SISO)線性系統(tǒng)，一縱是指自動(dòng)控制系統(tǒng)建模、分析及設(shè)計(jì)的主線，三橫是指自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性這些性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。教學(xué)案例與課程的核心知識(shí)點(diǎn)緊密耦合、相互支撐。融入了帶有專業(yè)背景的教學(xué)案例后，課程知識(shí)的主干依然如故，然而內(nèi)容更生動(dòng)、知識(shí)更飽滿，工程實(shí)踐性更強(qiáng)。

1.3 電子文本資源

我校開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理”課程以經(jīng)典控制理論為主，還包括計(jì)算機(jī)控制和現(xiàn)代控制理論的部分內(nèi)容，課程知識(shí)點(diǎn)繁多，很容易使學(xué)生陷入局部，難以把握整體。為此，課程組經(jīng)過(guò)多輪次迭代，分層次制作了課程知識(shí)點(diǎn)思維導(dǎo)圖。以圖為綱[7]，繁簡(jiǎn)相宜、圖文并茂，貫穿起課程全貌，是學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的“導(dǎo)航器”，深受學(xué)生歡迎。

我們將每堂課的主要內(nèi)容梳理出來(lái)，以填空題或選擇題的形式制作成隨堂筆記，在課前以卡片的形式發(fā)放給學(xué)生，用于課上記錄，以提高課堂學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，這也有助于學(xué)生課后復(fù)習(xí)。此外，課程組還將Matlab程序腳本、控制領(lǐng)域經(jīng)典文獻(xiàn)、案例素材等大量文本資源分享在百度網(wǎng)盤(pán)。這些多維度網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源為學(xué)生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)提供了有力支撐。

2 瞄準(zhǔn)痛點(diǎn)難點(diǎn)，更新信息化教學(xué)手段

教學(xué)手段是師生間信息傳遞的工具或媒介，大致可分為兩種類型，其一具有專屬性，利于破解課程自身的難點(diǎn)或教學(xué)過(guò)程中的痛點(diǎn)，例如基于專業(yè)軟件的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；其二具有普適性，能夠改善或變革教學(xué)模式，例如目前正廣泛推開(kāi)使用的信息化教學(xué)手段，讓教學(xué)過(guò)程留下“數(shù)字痕跡”，為動(dòng)態(tài)優(yōu)化課程教學(xué)提供數(shù)據(jù)支持。

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容較為抽象的特點(diǎn)，我們引入Matlab、Scilab等專業(yè)軟件，使抽象的計(jì)算與設(shè)計(jì)過(guò)程圖形化以便于學(xué)生理解；并且還將熟練使用這類軟件的控制系統(tǒng)工具箱作為一項(xiàng)基本技能，要求學(xué)生結(jié)合線上微課和程序腳本完成自學(xué)和操練，為開(kāi)展課程實(shí)驗(yàn)、專題研討和將來(lái)的控制工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)(特別是大班授課)過(guò)程中學(xué)情信息掌握不及時(shí)、不全面，師生交互方式單一的特點(diǎn)，我們將雨課堂應(yīng)用于每年的10余個(gè)教學(xué)班次。教師可以借助雨課堂開(kāi)展隨機(jī)點(diǎn)名、互動(dòng)答題、彈幕交流等豐富的教學(xué)活動(dòng)，還能夠獲取每一名學(xué)生在課前、課中和課后的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)優(yōu)化教學(xué)方法、適時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。并且，還能夠通過(guò)手機(jī)雨課件向?qū)W生有針對(duì)性地推送多樣化教學(xué)資源，進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)。

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)過(guò)程中黑板板書(shū)較多，學(xué)生無(wú)法留存回看的痛點(diǎn)。課程組引入與雨課堂兼容的光感應(yīng)黑板，使黑板板書(shū)過(guò)程自動(dòng)生成視頻，無(wú)縫嵌入雨課堂教學(xué)記錄中。學(xué)生可以在移動(dòng)終端隨時(shí)隨地觀看教學(xué)課件、板書(shū)視頻等整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

3 突出過(guò)程評(píng)價(jià)，改革形成性考核方式

考試前突擊復(fù)習(xí)是大學(xué)生們常用的備考形式，容易造成平時(shí)不努力、考前“開(kāi)夜車”的情況；死記硬背的知識(shí)考后就忘掉，很難內(nèi)化于心，這顯然不符合認(rèn)知規(guī)律和教學(xué)初衷。我校開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理”課程，不但包括經(jīng)典控制理論，還包括現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的部分內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)繁多，平時(shí)不努力就很難取得優(yōu)異成績(jī)，這也是造成考核通過(guò)率低的重要原因，需要引導(dǎo)學(xué)生將功夫用在日常。此外，“自動(dòng)控制原理”課程雖然提供了大量的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)資源，但學(xué)生線上自學(xué)，特別是對(duì)非MOOC教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)，如果缺少有效監(jiān)督，僅靠學(xué)生的自主性仍難以保證學(xué)習(xí)質(zhì)量。為此，課程組不斷推動(dòng)形成性考核改革，對(duì)學(xué)習(xí)全過(guò)程進(jìn)行評(píng)測(cè)。

我們綜合考慮線上與線下、課上與課外、師評(píng)與互評(píng)，將基于手機(jī)雨課件和MOOC課程的課前預(yù)習(xí)答題、基于雨課堂的課堂互動(dòng)表現(xiàn)與隨堂測(cè)試、基于手機(jī)雨課件的課后作業(yè)評(píng)價(jià)、分組專題研討評(píng)價(jià)結(jié)果、隨堂筆記、課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)等作為平時(shí)成績(jī)，將其在總成績(jī)中的占比設(shè)置為不低于50%(主講教師參考學(xué)生建議自主設(shè)定比重)，以引導(dǎo)學(xué)生把功夫用在平常，扎實(shí)掌握課程的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

4 借助智慧教學(xué)工具，開(kāi)展混合式教學(xué)實(shí)踐

該課程線上線下混合式教學(xué)的整體思路是，利用雨課堂智慧教學(xué)工具整合豐富的數(shù)字化教學(xué)資源，開(kāi)展“課前引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)、課中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、課后引導(dǎo)學(xué)生研習(xí)”的教學(xué)活動(dòng)，如表1所示。

表1 三階段任務(wù)

教學(xué)實(shí)施過(guò)程分為課前、課中和課后三個(gè)階段,總體實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)過(guò)程三階段

課前，采用手機(jī)雨課件整合包括MOOC課程在內(nèi)的多種類型線上教學(xué)資源(表2)，通過(guò)手機(jī)雨課件送至學(xué)生的移動(dòng)終端。學(xué)生完成預(yù)習(xí)任務(wù)后，教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)評(píng)測(cè)和反饋信息，評(píng)估學(xué)生的預(yù)習(xí)效果和知識(shí)儲(chǔ)備，有針對(duì)性地優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。(白圣建等文)

表2 “自動(dòng)控制原理”課程線上教學(xué)資源

課中，教師針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生開(kāi)展案例式教學(xué)，通過(guò)“課堂隨機(jī)點(diǎn)名”、“實(shí)時(shí)投票答題”、“彈幕交流互動(dòng)”等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂互動(dòng)，并適時(shí)開(kāi)展專題研討或翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。例如，在開(kāi)展專題研討時(shí)，教師在課前通過(guò)手機(jī)雨課件向?qū)W生發(fā)送實(shí)際工程案例的研究任務(wù)，課上的研討過(guò)程由各組學(xué)生自己組織，教師進(jìn)行必要的引導(dǎo)。

課后，教師通過(guò)雨課堂、微信等工具為學(xué)生解疑答惑，在線批改課后作業(yè)，分析學(xué)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)，并有針對(duì)性地向不同學(xué)生推送教輔資料。

實(shí)踐證明，基于雨課堂的“自動(dòng)控制原理”混合式教學(xué)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過(guò)程中資源、學(xué)習(xí)和活動(dòng)的有效融合，暢通了師生信息反饋通道，將教與學(xué)緊密聯(lián)系在一起，有效提升了課堂教學(xué)質(zhì)量。三年來(lái)，學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性顯著提升，對(duì)該教學(xué)模式的支持率高于85%，課程考核優(yōu)秀率保持在20%以上，超出傳統(tǒng)教學(xué)的考核優(yōu)秀率約10%，課程考核不通過(guò)率也有明顯下降。

5 結(jié)語(yǔ)

2020年突如其來(lái)的新型冠狀病毒疫情迫使諸多高校的課堂教學(xué)搬到了網(wǎng)上，高校教師也因應(yīng)教學(xué)需要開(kāi)展了網(wǎng)絡(luò)直播。雖然是應(yīng)急之舉，但疫情下的線上教學(xué)客觀上提升了我國(guó)高校教師的信息化教學(xué)素養(yǎng)，必將推動(dòng)信息化條件下的課程教學(xué)改革。線上線下混合式教學(xué)將會(huì)成為高校課堂教學(xué)的新常態(tài)。

通過(guò)近年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)識(shí)到，線上線下混合式教學(xué)不但要關(guān)注如何“教”，更要關(guān)注如何如何“建”，尤其是建設(shè)面向?qū)W生開(kāi)展泛在學(xué)習(xí)的個(gè)性化優(yōu)質(zhì)微課資源，它不同于面向社會(huì)學(xué)習(xí)者的MOOC課程，其形式更靈活、內(nèi)容更多樣，尤其突出定制化，這是吸引學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。