“自動控制原理”課程混合教學(xué)模式研究

喬學(xué)工，李鵬偉，富立琪，李 旭

(太原理工大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，山西 晉中030600)

0 引言

近年來，教育部在新工科建設(shè)上積極推進(jìn)，先后發(fā)表了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等綱領(lǐng)性文件[1]。為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢，加快發(fā)展新工科建設(shè)，探索形成具有中國特色世界水平的工程教育體系，我校啟動了新工科背景下的2019版人才培養(yǎng)方案的制訂工作，提出了對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新的要求，同時也提出了對當(dāng)下教育體制和傳統(tǒng)教學(xué)模式的挑戰(zhàn)，客觀上要求對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改變，建立一種符合要求的學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架，以適應(yīng)當(dāng)今社會對人才培養(yǎng)需求?；旌蠈W(xué)習(xí)模式應(yīng)運而生，為我們構(gòu)建這種全新的學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供了框架思路和整合模式，而深度學(xué)習(xí)理論的提出契合了當(dāng)今知識時代對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的宗旨。

1 深度學(xué)習(xí)理論

1.1 深度學(xué)習(xí)理論提出

美國學(xué)者Ference Marton和Roger Saljo，針對學(xué)生閱讀實驗出現(xiàn)的孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學(xué)習(xí)(surface learning)，同時又借鑒布盧姆認(rèn)知維度層次劃分理論，在1976年首次提出了深度學(xué)習(xí)(deep learning)[2]。認(rèn)為學(xué)習(xí)不僅是個體感知、記憶、思維等認(rèn)知過程，也是根植于社會文化、歷史背景、現(xiàn)實生活的社會建構(gòu)過程。此后，許多研究者開始關(guān)注深度學(xué)習(xí)，近年來，深度學(xué)習(xí)愈來愈受到更廣泛關(guān)注，2006年，加拿大多倫多大學(xué)Hinton 教授和他的學(xué)生Salakhutdinov在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇關(guān)于深度學(xué)習(xí)的文章，開啟了21世紀(jì)深度學(xué)習(xí)在學(xué)術(shù)界的浪潮。

1.2 深度學(xué)習(xí)理論特征

1)注重知識學(xué)習(xí)的批判理解

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)新知識和思想要批判性地學(xué)習(xí)，對任何學(xué)習(xí)材料采用一種批判或懷疑的態(tài)度，批判性地看待新知識并深入思考，并把它們納入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

2)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合

深度學(xué)習(xí)提倡將已知概念與新概念和原理聯(lián)系起來，再進(jìn)行整合，充實到原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而引起對新的知識信息的理解、長期保持及遷移應(yīng)用。

3)著意學(xué)習(xí)過程的建構(gòu)反思

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者主動理解和判斷新知識，運用原有的知識經(jīng)驗對新概念或問題進(jìn)行分析、鑒別、評價，建構(gòu)新知序列，不斷對自我建構(gòu)結(jié)果審視反思。

4)重視學(xué)習(xí)情境的遷移運用

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者深入理解學(xué)習(xí)情境，既可以在相似情境中對關(guān)鍵要素的判斷和把握做到“舉一反三”，也可以在新情境中分析判斷差異并將原則思路遷移運用。

1.3 深度學(xué)習(xí)理論路線

深度學(xué)習(xí)路線DELC(Deeper Learning Cycle)也稱“深度學(xué)習(xí)環(huán)路”，是一種包含腦研究、標(biāo)準(zhǔn)和個體學(xué)習(xí)差異在內(nèi)的教學(xué)模式，幫助學(xué)生加深理解知識并培養(yǎng)批判性思維，而作為教學(xué)實施指導(dǎo)，可幫助教師更好地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)自主探究合作的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。

2 基于DELC的 MOOC 平臺混合教學(xué)模式

2.1 混合學(xué)習(xí)理論

混合學(xué)習(xí)根據(jù)“混合”方式不同可以分為以下幾類：

不同學(xué)習(xí)理論的整合包括建構(gòu)主義、行為主義和認(rèn)知主義；

學(xué)習(xí)環(huán)境的整合包括傳統(tǒng)課堂、在線學(xué)習(xí)；

學(xué)習(xí)方式的整合包括接受學(xué)習(xí)、自主探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)、網(wǎng)上學(xué)習(xí)和網(wǎng)下學(xué)習(xí)、同步學(xué)習(xí)和異步學(xué)習(xí)；

學(xué)習(xí)資源的整合包括傳統(tǒng)媒體資源與網(wǎng)絡(luò)化或數(shù)字化媒體資源；

學(xué)習(xí)參與者的整合包括學(xué)習(xí)者、教師、專家和網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)。

多種形式的整合目的是“取眾家之所長”，通過優(yōu)勢互補實現(xiàn)學(xué)習(xí)者的有效學(xué)習(xí)。

南國農(nóng)先生在總結(jié)我國教育信息化發(fā)展的新階段時，提出“把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來，使兩者優(yōu)勢互補，才能獲得最佳的學(xué)習(xí)效果”。Bonk Curtis J.將混合學(xué)習(xí)定義為“面對面教學(xué)和在線學(xué)習(xí)的結(jié)合”(a Combination of Face-to-face Instruction with Online Learning)?；旌蠈W(xué)習(xí)形式上看起來是傳統(tǒng)的線下教學(xué)和數(shù)字化學(xué)習(xí)的結(jié)合，但這種結(jié)合并不是機(jī)械式疊加，而是教育信息化進(jìn)程中的必然產(chǎn)物?；旌鲜綄W(xué)習(xí)體現(xiàn)了既是以學(xué)生為主體，又是以教師為主導(dǎo)的雙主體教育思想，強(qiáng)調(diào)教和學(xué)高度融合的教學(xué)模式，注重師生之間課堂教學(xué)的有效交流和在在線學(xué)習(xí)中對所學(xué)內(nèi)容的自我建構(gòu)。

2.2 混合教學(xué)模式設(shè)計

深度學(xué)習(xí)路線(DELC)作為建構(gòu)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架的指導(dǎo)理論，將MOOC教學(xué)和傳統(tǒng)線下教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合[3]，促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的，如圖1所示。

圖1 基于DELC的MOOC混合教學(xué)模式

1)深度學(xué)習(xí)路線(DELC)指導(dǎo)MOOC混合教學(xué)模式

在基于深度學(xué)習(xí)理論的混合學(xué)習(xí)框架中，DELC作為開展混合學(xué)習(xí)活動的理論基礎(chǔ)，以“課程目標(biāo)教學(xué)準(zhǔn)備”“預(yù)測評估”“營造環(huán)境”“預(yù)備并激活先期知識并獲取新知識”“深度加工”“學(xué)習(xí)評價”六個方面為主線。

混合式教學(xué)將“以教師為中心”的傳統(tǒng)線下課堂轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處煘橹鲗?dǎo)-學(xué)生為主體相結(jié)合”的教學(xué)模式，對教師教學(xué)提出了既要關(guān)注“如何教”，更要關(guān)注“如何促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)”的要求，因此在線上和線下的教學(xué)環(huán)節(jié)上必須科學(xué)地設(shè)計，并合理分配教學(xué)內(nèi)容。

“自動控制原理”作為電子信息類、測量儀器與控制工程類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性、實踐性和綜合性，該課程的核心知識——系統(tǒng)及反饋的概念、原理、分析方法等內(nèi)容不僅是控制系統(tǒng)的基本知識，也是科學(xué)方法論的重要構(gòu)成[4]。因此該課程的教學(xué)目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握自動控制理論相關(guān)知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生具備分析問題和解決問題的能力。下面以“控制系統(tǒng)穩(wěn)定性”一節(jié)的混合式教學(xué)為例，具體說明如何借助于 MOOC 平臺進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計。

2)教學(xué)準(zhǔn)備

在混合教學(xué)實施前，需要對“自動控制原理”課程完成下面教學(xué)準(zhǔn)備工作。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在MOOC平臺選擇了由北京交通大學(xué)程衛(wèi)東教授團(tuán)隊主講的“自動控制原理”；

根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，制作微課視頻，上傳課件；

編寫作業(yè)題、單元測試題、結(jié)課試題，內(nèi)容基本上覆蓋了所有知識點；

發(fā)布學(xué)習(xí)資源，包括視頻、課件、作業(yè)題、單元測試題，為學(xué)生線上學(xué)習(xí)豐富學(xué)習(xí)資源。

3)線上教學(xué)環(huán)節(jié)

(1)課前布置問題，要求學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)；

(2)學(xué)生在線觀看視頻，完成主要知識點學(xué)習(xí)；

(3)線上組織大家討論、幫助答疑解惑；

(4)要求學(xué)生線上完成作業(yè)及測試，檢驗和鞏固所學(xué)知識。

在混合教學(xué)設(shè)計中關(guān)鍵的就是要科學(xué)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，合理分配線上、線下教學(xué)內(nèi)容。例如，時域分析法中基本知識點“控制系統(tǒng)穩(wěn)定性”學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生線上觀看教學(xué)視頻完成。但是，在學(xué)生線上學(xué)習(xí)之前，預(yù)先要給學(xué)生布置相關(guān)知識點的問題，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，在討論區(qū)還要回答布置的問題(促學(xué)的措施之一)，所以學(xué)習(xí)效率相對較高。學(xué)生獨立完成線上學(xué)習(xí)任務(wù)，這個過程中學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生，充分培養(yǎng)和訓(xùn)練了學(xué)生學(xué)習(xí)能力。此外，通過線上的單元測試可檢驗學(xué)生對知識點掌握的情況，設(shè)置互評環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對知識點的掌握和分析問題能力。對于沒有掌握好的知識點，通過在線答疑得到解決。

4)線下課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

(1)知識點總結(jié)；

(2)綜合例題講解；

(3)擴(kuò)展知識講解，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)；(啟發(fā)、引導(dǎo)創(chuàng)新性思維)

(4)學(xué)生分組討論。

針對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行擴(kuò)展知識講解，不是傳統(tǒng)課堂教學(xué)活動的照搬，而是對穩(wěn)定性進(jìn)行深度解析導(dǎo)入，讓學(xué)生對穩(wěn)定性有更深入的理解。重點解析穩(wěn)定性充分必要條件、Routh判據(jù)的提出過程、前人分析問題、解決問題思維方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思維，最終定位在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力、自學(xué)習(xí)能力和科學(xué)思維分析方法的能力，而不是單純地集中在知識積累上，它是對整個教學(xué)內(nèi)容的升華，亦是對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體措施之一，符合新工科背景下人才培養(yǎng)的要求。

下面針對擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步分析：

(1)由穩(wěn)定的充要條件得到: 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵是找到閉環(huán)特征根。

(2)求閉環(huán)特征根最直接的辦法是求解閉環(huán)特征方程。系統(tǒng)閉環(huán)特征方程如下式所示。

D(s)=a0sn+a1sn-1+…+an-1s+an=0

一百年前計算機(jī)尚未問世，當(dāng)時使得求解高階代數(shù)方程的根并非易事，這時候我們就會發(fā)現(xiàn)問題：如果系統(tǒng)的閉環(huán)特征根得不到，時域分析法將失效。(發(fā)現(xiàn)問題)

(3)那么是否存在可以不求解閉環(huán)特征根就能判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢？(提出問題)

(4)答案是(引出Routh判據(jù))E.J.Routh提出了根據(jù)特征方程系數(shù)來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，即Routh判據(jù)。

(5)當(dāng)年E.J.Routh是如何給出的Routh判據(jù)? Routh判據(jù)又是如何解決了不求解高階系統(tǒng)閉環(huán)特征根，就能判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢(尋求解決問題的方法)？

(6)引導(dǎo)學(xué)生按照前人的思路逐步分析：通過系統(tǒng)閉環(huán)特征方程式，得到勞斯表，利用勞斯判據(jù)，如果勞斯表中第一列元素都大于零，閉環(huán)特征根都位于S平面左半平面，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)在S平面右半平面特征根的個數(shù)等于勞斯表中第一列元素符號變化的次數(shù)，這樣通過勞斯表的方法就可以方便地找到系統(tǒng)所有的閉環(huán)極點在S平面的位置。這正是E.J.Routh的創(chuàng)新性所在，也是他的最大貢獻(xiàn)，這種分析問題和解決問題的方法堪稱創(chuàng)新性的思維，值得現(xiàn)代人借鑒。

(7)進(jìn)一步升華：現(xiàn)在我們擁有了功能強(qiáng)大的計算機(jī)，再難的方程都可以求解，但是前人所給出的這種思維分析方法對我們的研究工作仍然有著重要的借鑒和指導(dǎo)意義，這一點也正是我們重點講給學(xué)生的，也是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性教學(xué)過程中的“高潮點”，好比種下了一粒創(chuàng)新思維的種子，在未來的學(xué)習(xí)和研究工作中它會遇緣而破土發(fā)芽，結(jié)出創(chuàng)新之果。對于本科教學(xué)而言這才是真正意義下的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了“教育的目的不是學(xué)會一堆知識，而是學(xué)會一種思維”。

3 結(jié)語

今年，由于受新型冠狀病毒感染肺炎疫情的影響，學(xué)生無法正常到校，教育部提出“保證疫情防控期間高校教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量”的有關(guān)精神，要求采取政府主導(dǎo)、高校主體、社會參與的方式，共同實施并保障高校在疫情防控期間的在線教學(xué)，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”目標(biāo)，這學(xué)期在“自動控制原理”教學(xué)中，混合學(xué)習(xí)模式作為建構(gòu)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架的指導(dǎo)理論，將DELC 作為具體開展混合學(xué)習(xí)的實踐性指導(dǎo)，將傳統(tǒng)教學(xué)和在線教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時還制定了疫情防控期間在線教學(xué)實施方案，經(jīng)過1個學(xué)期的實踐，發(fā)現(xiàn)采用這種混合學(xué)習(xí)的方法大大提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，成績有了顯著地提高。