“自動(dòng)控制原理”線上線下混合教學(xué)模式研究

張 倩，張德祥，李國(guó)麗

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

“自動(dòng)控制原理”課程，是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，為自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析和綜合提供基本理論支持與方法研究。作為電氣工程、自動(dòng)化、測(cè)控等專(zhuān)業(yè)在控制理論方面入門(mén)性質(zhì)的專(zhuān)業(yè)核心課程，它前承“電路分析”“數(shù)字電子技術(shù)”“模擬電子技術(shù)”等基礎(chǔ)課程，后為“現(xiàn)代控制理論”“計(jì)算機(jī)控制”“過(guò)程控制”等專(zhuān)業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。因此在教學(xué)內(nèi)容[1]、教學(xué)方法[2]、教學(xué)形式[3]、工程應(yīng)用[4]、思政教育[5]等方面均有前沿而深入的研究。目前該課程在教學(xué)形式方面的改革多集中在理論課程方面，如：將“MOOC+SPOC”模式與“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)相結(jié)合，進(jìn)行混合教學(xué)模式的探索，讓學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)的理論知識(shí)[6]。但相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革受場(chǎng)地、設(shè)備限制，存在一定困難。本文在網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容梳理、實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)、混合式考核方式等方面進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)本課程的教學(xué)，可使學(xué)生獲得扎實(shí)的自動(dòng)控制原理知識(shí)，系統(tǒng)地掌握控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理及分析設(shè)計(jì)方法，為識(shí)別、表達(dá)、分析電氣工程中的實(shí)際復(fù)雜工程問(wèn)題并提出有效控制方案奠定基礎(chǔ)。

1 學(xué)情分析及教學(xué)內(nèi)容

“自動(dòng)控制原理”課程一方面教學(xué)范圍廣、知識(shí)點(diǎn)多、公式計(jì)算量大，另一方面與實(shí)際系統(tǒng)有緊密聯(lián)系[7]。根據(jù)我院已有的2012～2018級(jí)達(dá)成度、學(xué)評(píng)學(xué)、學(xué)評(píng)教數(shù)據(jù)分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍存在三類(lèi)困難：①時(shí)域系統(tǒng)分析計(jì)算的準(zhǔn)確性、快速性；②頻域概念的理解和曲線繪制；③與實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)合以及原有知識(shí)體系的貫穿。

從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，將工程應(yīng)用中的建模、分析、設(shè)計(jì)問(wèn)題以框圖的形式分解為實(shí)際系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)框圖、傳遞函數(shù)模型、系統(tǒng)時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析、系統(tǒng)校正等內(nèi)容，以達(dá)到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的指標(biāo)要求，如圖1所示。分別在圖中標(biāo)注對(duì)應(yīng)經(jīng)典控制理論中第一章～六章內(nèi)容。

圖1 “自動(dòng)控制原理”教學(xué)內(nèi)容分析(經(jīng)典控制理論)

該教學(xué)內(nèi)容圖將繁雜的知識(shí)點(diǎn)以工程問(wèn)題的解決為思路，有邏輯的串聯(lián)起來(lái)，使學(xué)生了解各章節(jié)內(nèi)容在實(shí)際應(yīng)用中扮演的角色，增加學(xué)習(xí)的興趣，提高應(yīng)用的能力。

2 基于MOOC的線上線下理論教學(xué)

近兩年來(lái)，MOOC 在全國(guó)范圍內(nèi)崛起，給知識(shí)傳播以及高等教育帶來(lái)了巨大的變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，我國(guó)高等學(xué)校也越來(lái)越多地采用網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和知識(shí)傳播。MOOC 教學(xué)模式的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀教育資源的公開(kāi)化，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，MOOC 教學(xué)模式更側(cè)重于模塊化教學(xué)，對(duì)重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行提煉。

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將MOOC 教學(xué)模式引入到專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，以此作為學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)資源。將“自動(dòng)控制原理”的理論教學(xué)內(nèi)容分解為32個(gè)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)每節(jié)課15分鐘的教學(xué)模塊進(jìn)行講授，從而做到重點(diǎn)突出，有的放矢。在MOOC 教學(xué)模式下，學(xué)生可以根據(jù)自身情況有選擇地進(jìn)行學(xué)習(xí)，更有利于學(xué)習(xí)者掌握知識(shí)內(nèi)容。知識(shí)點(diǎn)分解對(duì)應(yīng)的章節(jié)內(nèi)容如表1所示。

表1 MOOC課程知識(shí)點(diǎn)表

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)制作的MOOC課程已在安徽省網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上線，如圖2(a)、圖2(b)所示，網(wǎng)址為http://www.ehuixue.cn/index/Orgclist/coursecid=33153與線下教學(xué)相比，MOOC課程的內(nèi)容較為精煉，課件也是針對(duì)15分鐘教學(xué)時(shí)間專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、制作，把課程中主要知識(shí)點(diǎn)呈現(xiàn)給學(xué)生。操作流程如下：

(a)課程封面

(1)在教師講授新課前，會(huì)推送學(xué)習(xí)資源，包括視頻、課件等。

(2)要求學(xué)生以MOOC課程資源預(yù)習(xí)，并以提問(wèn)的形式進(jìn)行監(jiān)督、考核。

(3)課后會(huì)在課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上編寫(xiě)作業(yè)題、試題，作業(yè)線上提交和批改，覆蓋所有知識(shí)點(diǎn)。

(4)定期組織線上單元測(cè)試，并提供題庫(kù)供學(xué)生期末復(fù)習(xí)，提高同學(xué)們的計(jì)算能力。這些為學(xué)生線上學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)環(huán)境和資源，與線下課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合，達(dá)到更佳的學(xué)習(xí)效果。

同理心對(duì)于做好辦公室工作尤其重要，在日常工作中，要有意識(shí)地安排一些活動(dòng)，形成一種氛圍去培養(yǎng)辦公室工作人員的同理心，這有利于我們做好辦公室的工作。但同時(shí)，也要正確認(rèn)識(shí)同理心，在合理利用同理心做好工作的同時(shí)，也要合理規(guī)避同理心帶來(lái)的負(fù)面影響，加強(qiáng)制度的約束力和執(zhí)行力。確保同理心能在合適的范圍得到充分的利用，服務(wù)于我們的辦公室工作。

3 應(yīng)用口袋儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)疫情期間暴露的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)困難的問(wèn)題，改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)施，引入口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備，與原有唐都試驗(yàn)箱、Matlab仿真軟件相結(jié)合，形成線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

口袋實(shí)驗(yàn)室的理念最初由斯坦福大學(xué)的Clifton Roozeboom 博士提出。他利用超高密度集成工藝技術(shù)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的功能集成在一塊如火柴盒大小的線路板上[8]。目前，電氣工程和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的口袋實(shí)驗(yàn)室多應(yīng)用于“電子技術(shù)”“單片機(jī)”等課程[9]。本文在“自動(dòng)控制原理”課程中引入口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)、高階系統(tǒng)穩(wěn)定分析、頻率特性曲線等六個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，形成線上線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

本實(shí)驗(yàn)選用硬木課堂EPI-m102型口袋儀器，外圍尺寸約20 cm*2 cm*6 cm，內(nèi)部核心實(shí)驗(yàn)班如圖3所示，與筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)等上位機(jī)以USB線連接。

圖3 硬木課堂EPI-m102型口袋儀器

可在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)前發(fā)給學(xué)生，學(xué)生無(wú)需到指定實(shí)驗(yàn)室，可在宿舍、圖書(shū)館、自習(xí)室或家中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)。圖4為學(xué)生在寢室，應(yīng)用口袋儀器進(jìn)行的一階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。圖5為上位機(jī)界面截圖。

圖4 應(yīng)用口袋儀器的一階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖5 口袋儀器上位機(jī)界面截圖

4 線上線下混合式教學(xué)考核方式

經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)線上線下的改革，形成了“自動(dòng)控制原理”的一套完善的教學(xué)閉環(huán)——“MOOC平臺(tái)預(yù)習(xí)(線上)→導(dǎo)入新課(線上/下)→講授新課(線下)→習(xí)題分析(線上/下)→Matlab仿真(線上)→口袋實(shí)驗(yàn)(線上)/試驗(yàn)箱(線下)驗(yàn)證→布置作業(yè)(線上)→章節(jié)總結(jié)(線下)→課程設(shè)計(jì)(線上/下)→MOOC平臺(tái)復(fù)習(xí)(線上)”。

原理論課程考核方案為總評(píng)成績(jī)(100%)= 平時(shí)成績(jī)(30%)+期末考試成績(jī)(70%)。其中平時(shí)成績(jī)的統(tǒng)計(jì)較為粗糙，一般根據(jù)出勤率和作業(yè)完成情況，給出大致評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。線上線下混合式教學(xué)改革后相應(yīng)的課程評(píng)價(jià)方式也應(yīng)有針對(duì)性改進(jìn)，提出更為全面細(xì)致的評(píng)價(jià)方案?？傇u(píng)成績(jī)(100%)= 平時(shí)評(píng)價(jià)成績(jī)(50%)+期末考試評(píng)價(jià)成績(jī)(50%)。其中，平時(shí)評(píng)價(jià)成績(jī)(50%)=平時(shí)常規(guī)考核(課前觀看視頻10%+課上簽到考勤5%+課堂互動(dòng)5%+小測(cè)驗(yàn)10%+作業(yè)20%)。理論課程考核方式兩者的區(qū)別，如圖6(a)、6(b)所示。

(a)原理論課程考核方式

實(shí)驗(yàn)課程考核方式也由原來(lái)單一的操作考核，改進(jìn)為總評(píng)成績(jī)(100%)= Matlab仿真實(shí)驗(yàn)(30%)+線下試驗(yàn)箱操作實(shí)驗(yàn)(40%)+線上口袋儀器操作實(shí)驗(yàn)(30%)，如圖7所示。

圖7 線上線下混合教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程考核方式

5 教學(xué)改革實(shí)施成效

線上線下混合教學(xué)模式在近三年逐漸推進(jìn)，從“自動(dòng)控制原理”理論與實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)生的成績(jī)分布情況，如表2、表3所示?？煽吹綄?shí)行教學(xué)改革后，理論成績(jī)逐年提升。實(shí)驗(yàn)課程改革是在2020～2021年推行，可見(jiàn)該學(xué)年實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布較前兩個(gè)學(xué)年有明顯的優(yōu)化趨勢(shì)。

表2 近三年理論課程分?jǐn)?shù)分布表

表3 近三年實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)分布表

除以上成績(jī)的提高外，近三年，團(tuán)隊(duì)教師指導(dǎo)本科生成效顯著提高：發(fā)表/錄用科研論文8篇，其中SCI 源刊4 篇，CSCD 以及中文核心期刊論文3 篇；指導(dǎo)本科生專(zhuān)利申報(bào)4 項(xiàng)，其中實(shí)審發(fā)明專(zhuān)利1 項(xiàng)，授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)；指導(dǎo)本科生獲各類(lèi)教學(xué)成果獎(jiǎng)6 項(xiàng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了“自動(dòng)控制原理”課程的特征和學(xué)情，設(shè)計(jì)并制作了MOOC線上課程資源，引入口袋儀器設(shè)備，形成理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的線上線下混合教學(xué)體系，并對(duì)考核方案進(jìn)行改進(jìn)。未來(lái)將深化線上教學(xué)改革，推廣MOOC課程資源，收集平臺(tái)教學(xué)數(shù)據(jù)，研究出版基于口袋儀器的線上教學(xué)指導(dǎo)用書(shū)，進(jìn)一步優(yōu)化線上線下混合教學(xué)體系。由課程改革和實(shí)施成效可見(jiàn)，本文提出的教學(xué)改革方法可有效提高學(xué)生理論、實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)，并取得較好的競(jìng)賽、科研成果。