基于雨課堂的智慧教學設(shè)計與應(yīng)用
——以“自動控制原理”課程為例

李 峰，羅印升，俞 洋，沃松林，曹晴峰

（1.江蘇理工學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001；2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

隨著新一代信息技術(shù)與教學活動的深度融合，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)已成為智慧教學的一部分。智慧教學是指在教和學的各個環(huán)節(jié)中，充分運用智慧課堂教學技術(shù)，對學習的動態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、加工和分析，根據(jù)獲取的準確學情，制定教學策略，從而實現(xiàn)課前、課中、課后教學的智能化、創(chuàng)新化、高效化、個性化，讓學生獲得知識和能力的提升，真正實現(xiàn)因材施教和分層教學。

雨課堂作為智慧教學平臺[1]，將復雜的信息技術(shù)手段融入PowerPoint和微信，在課外預習與課堂教學間架起溝通的橋梁，為開展智慧教學提供了良好的環(huán)境。教師借助雨課堂教學平臺，能夠豐富教學手段、優(yōu)化教學方法、提升教學效果、把控“課前－課中－課后”的學習過程[2]。

1 智慧教學

1.1 智慧教學的內(nèi)涵與特征

智慧教學是一種追求創(chuàng)新性和智慧性的教學，其“智慧”主要體現(xiàn)在運用智慧課堂教學技術(shù)、構(gòu)建智慧學習環(huán)境以及規(guī)劃智慧教學內(nèi)容、方式和策略，這三個方面既相互區(qū)分又彼此聯(lián)系。智慧教學的核心可以概括為“三觀三動”?！叭^”指教學目的觀、教學過程觀和教學評價觀[3-4]；“三動”指智慧教學展現(xiàn)力生動、互動、主動三個方面的體現(xiàn)[5]。

相比傳統(tǒng)教學，智慧教學在信息技術(shù)與教學融合創(chuàng)新發(fā)展上具有如下特點：（1）教學決策數(shù)據(jù)化。通過對課堂教學中的動態(tài)學習數(shù)據(jù)進行挖掘分析，獲取準確的學情，據(jù)此制定教學策略，以提高課堂教學質(zhì)量和效率。（2）評價反饋即時化。教學過程中，教師為了對學生課堂學習情況進行全面分析，采取動態(tài)學習評價，即將學習診斷與評價貫穿課堂教學的全過程，形成即時化的教學評價體系，具體包括課前預習測評、課中實時檢測評價以及課后作業(yè)檢測評價[6]。（3）交流互動立體化。在智慧教學中，教師和學生可以借助先進的信息技術(shù)手段進行線下信息交流和互動，實現(xiàn)全時空的持續(xù)溝通，有助于學生自主學習效率的可控與提升。（4）資源應(yīng)用智能化。智慧教學平臺為學生提供了豐富多彩的教學資源，學生可借助該平臺自主學習。教師可根據(jù)學生的個性特點和差異，有針對性地推送學習資料[7]，從而實現(xiàn)因材施教和分層教學的目的。

1.2 智慧教學設(shè)計框架

在智慧教學模式下，教學設(shè)計要堅持以學生為中心的教育理念，充分發(fā)揮學生在教學活動中的主體作用，滿足學生智慧化、多元化和個性化的學習需求。課前、課中、課后三個階段的教學活動都要體現(xiàn)智慧教學的設(shè)計理念，以充分激發(fā)學生的主觀能動性，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

本文以“控制系統(tǒng)的數(shù)學模型”這一章節(jié)中“控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與信號流圖”的教學為例，基于雨課堂教學平臺，設(shè)計了智慧教學框架，如圖1所示。

圖1 基于雨課堂的智慧教學框架

2 智慧教學在“自動控制原理”課程教學中的實踐

“自動控制原理”課程是高等學校自動化類專業(yè)、電氣工程及其自動化類以及電子信息類等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程[8]，該課程系統(tǒng)地闡述了自動控制的基本理論與應(yīng)用，包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩方面的內(nèi)容。經(jīng)典控制理論包括數(shù)學模型、時域分析、根軌跡繪制、頻域分析、前饋校正設(shè)計以及離散系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)分析，現(xiàn)代控制理論主要包括線性系統(tǒng)的可控性、可觀性和李雅普諾夫穩(wěn)定性判別以及綜合設(shè)計。對于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，首先要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學表達式，常用的數(shù)學模型有微分方程（差分方程）、傳遞函數(shù)（結(jié)構(gòu)圖）、頻率特性和狀態(tài)空間表達式（狀態(tài)空間模型）。在經(jīng)典控制理論的學習中，微分方程和傳遞函數(shù)應(yīng)用最為廣泛，其中微分方程能夠直觀地反映出系統(tǒng)的動態(tài)過程。然而，當系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，微分方程及其求解都會隨之改變。為了分析參數(shù)的變化對系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，就需要多次重復計算，且微分方程的階次越高計算復雜度也越高。與微分方程有關(guān)的另一種數(shù)學模型，即傳遞函數(shù)，只反映輸入輸出之間的關(guān)系，不反映中間變量的關(guān)系，它能夠間接地分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。

對初次接觸自動控制原理課程的同學來說，在較短課時內(nèi)要掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求解是有一定困難的。因此，教學內(nèi)容提煉和教學模式選擇的重要性就不言而喻。筆者將“自動控制原理”課程中的“傳遞函數(shù)”作為教學案例，應(yīng)用雨課堂開展智慧教學實踐，取得了較好的教學效果。

2.1 教學思路

學生在學習了數(shù)學模型基礎(chǔ)和線性系統(tǒng)微分方程的基礎(chǔ)上，已經(jīng)能夠根據(jù)給定的微分方程或微分方程組消除中間變量，寫出輸入輸出變量的微分方程；對于復雜控制系統(tǒng)，往往采用傳遞函數(shù)研究系統(tǒng)參數(shù)變化或者結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。為了幫助學生更好地理解傳遞函數(shù)，將課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)貫穿于教學過程的始終，每個環(huán)節(jié)都基于教與學的融合，以學定教、智慧發(fā)展，共同構(gòu)成了智慧教學系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的過程。

課前階段，教師擬定系統(tǒng)化的教學設(shè)計方案是主導，學生的預習解惑體現(xiàn)了自主學習或者合作學習的能力。課中階段，采用創(chuàng)設(shè)情景的方式導入教學內(nèi)容，以激發(fā)學生的學習潛能；以多元化的教學方式進行分析和講解，充分利用雨課堂平臺組織學生進行合作交流學習，開展師生之間、生生之間的交流互動，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和能力，從而實現(xiàn)智慧發(fā)展。課后階段，鞏固復習與總結(jié)，多元化評價反饋，個性化輔導。

本次課的主要教學目標為：（1）通過案例呈現(xiàn)、問題分析，使學生理解傳遞函數(shù)的概念以及物理意義；（2）掌握傳遞函數(shù)的建立過程，能夠求解實際系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并理解傳遞函數(shù)的零極點對系統(tǒng)性能的影響；（3）學會運用疊加原理求解多變量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

2.2 教學過程

2.2.1 課前：資源推送、學情分析、教學設(shè)計

良好的課前教學組織是課堂教學有效開展的前提和基礎(chǔ)。智慧教學的課前教學應(yīng)以學情分析為基礎(chǔ)優(yōu)化教學設(shè)計，以學定教。首先，教師根據(jù)教學計劃和教學目標，通過雨課堂平臺將預習資源及時推送給學生。學生可以通過移動設(shè)備反復觀看，不斷學習反思。預習資源包括微課視頻、學習課件、網(wǎng)頁、預習測試題等。其次，要求學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成預習任務(wù)，并通過雨課堂平臺記錄在預習過程中遇到的疑惑和問題；預習結(jié)束后，在規(guī)定的時間內(nèi)完成預習測試題，即時得到測試結(jié)果。再次，教師根據(jù)雨課堂反饋的預習情況進行綜合學情分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計合適的教學方案。

2.2.2 課中：導入新課、推送任務(wù)、深層交互

課中教學是智慧教學的核心和關(guān)鍵，應(yīng)堅持以學生為主體，教師為主導，以師生深度交流互動為關(guān)鍵。雨課堂作為促進師生交流和溝通的有力工具，運用在教學活動中不僅能夠強化課堂交流互動，助力教學目標落實，而且能夠及時獲得學生的反饋信息，提高了課堂的效率和質(zhì)量。

（1）實際案例導入。由視頻帶入智力競賽搶答情境。在搶答過程中，從選手按動搶答按鈕、數(shù)碼管顯示選手編號到蜂鳴器發(fā)出提示音，啟發(fā)學生思考該過程中三者之間的聯(lián)系，從而引出講課內(nèi)容。

（2）問題分析。為了在互動中激發(fā)學生主動思考，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力，這個環(huán)節(jié)主要采用雨課堂作答和小組討論作答兩種方式進行教學。在雨課堂中設(shè)置三種類型的題目：常識推斷性題，有單選題和多選題各1道；知識點檢測題，為填空題2道；合作探究性題，為主觀題1道。合作探究性題由每組學生開展協(xié)作學習，提交成果并展示?；谟暾n堂平臺，學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成題目作答，教師能夠及時得到作答的數(shù)據(jù)分析，從而可以有針對性地對重點和難點內(nèi)容進行精講、點評和總結(jié)。

（3）問題解決。分析智力競賽搶答的實際案例，可將按動搶答按鈕看作是輸入，輸出則是選手編號的顯示?；谶@一案列，將問題引申為兩輸入兩輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的求解，引導學生根據(jù)單輸入單輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，畫出兩輸入兩輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。該問題采用小組合作探究形式，每組通過雨課堂上傳探究結(jié)果，教師進行點評，有利于提高學生的合作學習能力和自主探究創(chuàng)新能力。

圖2 兩種教學模式下學生單元測試成績比較

2.2.3 課后：檢測作業(yè)、多元評價、個性化輔導

課后教學不僅是對所學內(nèi)容的總結(jié)，也是對學習效果的鞏固和提升。根據(jù)課中教學反饋的統(tǒng)計結(jié)果，對學生的學習情況進行全面分析，并通過雨課堂平臺有針對性地布置課后作業(yè)。在學生解答完測試并提交后，客觀題可以通過雨課堂得到及時的自動批閱和反饋，主觀題需要教師進行批改打分。根據(jù)雨課堂的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，教師對學生的課后學習情況有了較全面的了解，可以給出多元評價和層級任務(wù)。對于教學內(nèi)容掌握較好的學生，可以進入復習鞏固環(huán)節(jié)，以達到反思提高的效果；對于教學內(nèi)容掌握不是很好的學生，針對每個學生的實際差異性進行個性化輔導，并通過反復練習和鞏固，直至獲得良好的學習效果。

2.3 教學效果分析

為了驗證基于雨課堂智慧教學方案的有效性，在2019—2020學年第二學期，筆者對所任教的大三年級某專業(yè)76人進行教學實驗。將76名同學平均分成兩組，一組使用雨課堂教學，另一組采取傳統(tǒng)課堂教學。兩種教學模式下學生的單元測試情況如圖2所示。從圖2可以清楚看出：使用雨課堂教學的學生整體成績明顯優(yōu)秀；相比對照組，成績在80分以上的同學多8人，70分以下的少3人。因此，可以認為雨課堂在智慧教學中能夠發(fā)揮積極作用。

在基于雨課堂的智慧教學模式下，課前學生能夠主動預習，課中能夠交流互動，課后能夠按時完成線上作業(yè)，有效激發(fā)了學生的學習興趣。課后的問卷調(diào)查顯示，94%的學生喜歡這種教學方式。

3 結(jié)語

在教育信息化背景下，智慧教學的探索是一個嶄新的課題。本文將雨課堂有機地融入到智慧教學中，堅持以學生為主體，教師為主導，有效把控課前預習、課堂互動以及課后個性化輔導的學習過程，很好地實踐了因材施教、分層教學及綜合素質(zhì)培養(yǎng)的教學思想，更加注重學生自主探究創(chuàng)新能力和合作學習能力的培養(yǎng)，有效提高了學生的學習效果和教學質(zhì)量。