互聯(lián)網(wǎng)+下自動化專業(yè)課程改革的教學(xué)探索

楊興果，肖會芹，孔玲爽

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

當(dāng)今是信息的時代，人類知識總量和信息總量每天以指數(shù)量級快速增加，在2018年互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）發(fā)布的白皮書《Data Age 2025》中，對2025年全球數(shù)據(jù)量總和的預(yù)測高達175萬億GB[1]。面對如此龐大的信息，迫使人們不得不改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)習(xí)慣，能夠獨立思考、篩選、歸納、提煉信息，能從龐大繁雜的信息中提取新知識、新技能。要學(xué)會創(chuàng)新，增強動手能力，學(xué)會思考，提高綜合素質(zhì)，培養(yǎng)寬闊的視野。

在信息和知識快速增長的形勢下，傳統(tǒng)的課堂的授課方式已經(jīng)不適合當(dāng)下環(huán)境對人才培養(yǎng)的需求，高校在人才培養(yǎng)上必須根據(jù)當(dāng)前情況進行適當(dāng)調(diào)整，以便完成新時期教育教學(xué)任務(wù)。此外，從2016年我國正式加入國際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織以來，就倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進的教育理念，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[2]。這一理念也契合當(dāng)今海量網(wǎng)絡(luò)信息知識環(huán)境下，要求培養(yǎng)學(xué)生不僅僅了解書本上的經(jīng)典知識，還要了解當(dāng)下發(fā)生的或即將要發(fā)生的新知識、新技術(shù)，人才培養(yǎng)才能緊跟時代的發(fā)展。因此，教學(xué)的中心任務(wù)就是引導(dǎo)與培養(yǎng)學(xué)生的獨立學(xué)習(xí)能力和思考能力，能夠從紛繁蕪雜的信息與數(shù)據(jù)中獲取解決問題的方法與技能。

1 授課現(xiàn)狀與改革探索

在傳統(tǒng)的自動控制原理教學(xué)中，一方面，教師主要將精力放在了理論的講解上，會在理論分析、公式推導(dǎo)、計算上花費大量的時間，因為授課理論偏多，容易使學(xué)生難以對課程提起興趣，學(xué)習(xí)熱情較低；另一方面，對學(xué)生來說，課程學(xué)習(xí)經(jīng)常是為了完成課后任務(wù)，通過考試而學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的主動性和積極性嚴(yán)重不足；因為學(xué)生個人自由支配的時間較少，學(xué)生們?nèi)狈ψ銐虻臅r間去思考、探索、動手和實踐，對學(xué)習(xí)的東西只知其然而不知其所以然，融會貫通和應(yīng)用能力不足。此外，授課時經(jīng)常需要面面俱到，這就需要教師花費大量的時間和精力做課前準(zhǔn)備，而最終收獲的效果卻有限。

隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展，網(wǎng)上有極為豐富的學(xué)習(xí)、實驗、科研和工程實踐案例資料，學(xué)生要能夠從網(wǎng)上篩選、獲取信息并結(jié)合線下課程學(xué)習(xí)，熟練掌握并運用課程知識，是新時期對高水平應(yīng)用型人才的基本要求。筆者以自動化專業(yè)工程認(rèn)證改革為契機，著手對傳統(tǒng)培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱進行改革。通過加強課程建設(shè)，優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)方法，對接工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對課程教學(xué)大綱進行了修訂，以適應(yīng)新形勢環(huán)境下對人才培養(yǎng)的要求。具體通過自動化專業(yè)原來的三門專業(yè)核心課程“自動控制原理”“現(xiàn)代控制原理”和“計算機控制”改革為例來說明具體改革方法。

“自動控制原理”是為理工科電氣信息類專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，它以拉氏變換理論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，用傳遞函數(shù)來描述數(shù)學(xué)模型，研究單輸入-單輸出，線性、定常、時不變系統(tǒng)，改革前有64課時?！艾F(xiàn)代控制理論”是在經(jīng)典控制理論的延續(xù)和拓展。它以時域法特別是狀態(tài)空間方法為主，研究系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律，并按所要求的各種指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)來改變系統(tǒng)的運動規(guī)律，課程總學(xué)時48課時?！坝嬎銠C控制技術(shù)”課程主要介紹計算機控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的基礎(chǔ)知識。它以數(shù)字系統(tǒng)控制分析及數(shù)字控制器設(shè)計為課程的基本理論支柱。重點介紹基于計算機的數(shù)字控制系統(tǒng)建模與分析、數(shù)字控制器的設(shè)計與實現(xiàn)的基本方法。課程總學(xué)時48課時。三門課程共計160個學(xué)時。

課程大綱改革的目標(biāo)是給學(xué)生們留出充足的獨立學(xué)習(xí)和思考時間，減輕課堂學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)，因此需要在課程設(shè)置中大大壓縮理論內(nèi)容授課課時。改革后，三門課程合成一門新課程，稱作“現(xiàn)代控制工程”，由原來三門課程共計160課時壓縮成現(xiàn)在的64課時。其中理論授課40課時，實踐16課時。雖然課程開設(shè)課時大量壓縮，但是按照教學(xué)大綱要求，需要學(xué)生掌握的知識點與改革前相差無幾。在較短的課時內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)并保證教學(xué)質(zhì)量對學(xué)生和老師來說都是一項挑戰(zhàn)。這就意味著學(xué)生不能拘泥于僅在課堂上學(xué)習(xí)知識和技能，必然要花費很大精力在課前進行預(yù)習(xí)和課后進行復(fù)盤。另一方面，對教師來說，有限的課時內(nèi)不僅要梳理課程的疑難重點，還要激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。這就要求學(xué)生在教學(xué)中的角色由接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的探究者。

2 教與學(xué)多種改革方法與嘗試措施

為了在有限的授課時間內(nèi)，保障教學(xué)質(zhì)量及提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本文采用了多種教學(xué)措施，改變學(xué)生從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2.1 課堂授課采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式提高課堂學(xué)習(xí)效果

通過翻轉(zhuǎn)式課堂教學(xué)改變傳統(tǒng)的授課方式。在“翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式”下，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用優(yōu)質(zhì)的教育資源完成自學(xué)，如慕課、各類網(wǎng)站、各種論壇和各種APP，不再單純地依賴授課老師去教授知識和技能。學(xué)生在課下完成知識的學(xué)習(xí)，課堂上主要是與老師或同學(xué)之間進行互動，包括答疑解惑、知識的運用等，從而達到更好的教育效果。通過翻轉(zhuǎn)課堂，可以培養(yǎng)學(xué)生對信息資料的采集歸納能力隊合作和交流溝通能力，從而逐漸具備分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。

為了保障翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)效果，采取了如下方法：一是，通過布置問題和任務(wù)，讓學(xué)生帶著問題自行通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料預(yù)先學(xué)習(xí)，保證學(xué)生目的性與專注性，而教師在課堂上通過提問，了解學(xué)生在預(yù)習(xí)中遇到的問題和掌握知識的程度再進行教授；二是，為了確保學(xué)生能夠通過自己能力解決課前任務(wù)、提高自學(xué)的積極性和知識獲得感，課前預(yù)留的自學(xué)內(nèi)容和問題通常是簡單的概念和原理或后續(xù)需要用到老知識的回顧；三是，課堂授課除了選用經(jīng)典教材作為參考書目外，還結(jié)合筆者學(xué)校設(shè)立的“包裝自動化與交通工程”特色課程涉及的自動化應(yīng)用案例，以及教師本人科研項目對課程教學(xué)補充和拓展。通過多種方法實現(xiàn)教師對課程的整體性把握，使學(xué)生能加深對課程的理解，同時提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對理論知識的接收能力。

2.2 課堂內(nèi)外采用“自組織學(xué)習(xí)”模式

在課堂內(nèi)外構(gòu)建自組織學(xué)習(xí)模式，即由學(xué)生自由地選擇組成學(xué)習(xí)小組，實現(xiàn)小組學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思考解決問題的能力，同時鍛煉團隊協(xié)作的能力，在“現(xiàn)代控制工程”課程教學(xué)過程采用了自由組合的“自組織學(xué)習(xí)”模式。以3～4個學(xué)生為一組，每個小組設(shè)置完成不同的任務(wù)。每個小組帶著任務(wù)一起協(xié)作完成，利用網(wǎng)絡(luò)資源、實驗室或圖書館等資源，查閱資料、討論、尋找解決問題的方法。

如果在學(xué)習(xí)過程遇到問題，組內(nèi)成員或小組之間可以探討、分析、交流解決問題的方法和經(jīng)驗，在這一過程中實現(xiàn)成績較好的同學(xué)對成績較差同學(xué)的幫扶。例如，布置課后思考題，什么是特征值和特征函數(shù)，它們跟狀態(tài)方程有什么關(guān)系？通過設(shè)置這樣的任務(wù)，小組同學(xué)組織起來針對這些問題進行探討、分析、闡述、相互之間進行啟發(fā)式學(xué)習(xí)，從而使得同學(xué)們之間形成互動互助幫扶效果，充分發(fā)揮群體的積極性，提高個體的學(xué)習(xí)主動性，達到完成特定的學(xué)習(xí)任務(wù)的目的。小組學(xué)習(xí)每個星期進行一次，主要記錄討論的知識要點、個人的心得體會、問題的解決方法等等，這些可以作為平時成績的加分項。實施的結(jié)果表明，采用自組織模式進行學(xué)習(xí)的學(xué)生明顯表現(xiàn)出更高的學(xué)習(xí)熱情，從而獲得更好的學(xué)習(xí)效果。

2.3 采用分享學(xué)習(xí)模式提高學(xué)習(xí)效率

開設(shè)課內(nèi)分享實踐課，使學(xué)生學(xué)會分享式學(xué)習(xí)。學(xué)生在教師指導(dǎo)下，以小組為單位，選擇和確定研究課題任務(wù)，主動地通過網(wǎng)絡(luò)資源搜集資料、獲取知識、分析整理、小組討論、形成學(xué)習(xí)報告、與同學(xué)分享、老師點評。通過這種方式使學(xué)生把學(xué)過的知識講授出來，以此帶動自己深刻理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，實踐證明，分享式學(xué)習(xí)是最高效的學(xué)習(xí)方式[4]。

分享式學(xué)習(xí)的具體組織形式采用學(xué)生自由分組調(diào)研自動化大四畢業(yè)設(shè)計展的參展項目。畢業(yè)設(shè)計展是自動化系近幾年持續(xù)探索深度“引企入教”新模式，由自動化系的大四學(xué)生通過自選隊友、自選課題組成獨立設(shè)計團隊，進行畢業(yè)項目設(shè)計并進行成品展示。畢業(yè)設(shè)計展這兩年的熱門選題有：自動小車尋跡、飛控、平衡車、機器人控制等等，這些基本上都是涉及了自動控制、系統(tǒng)、反饋的理論。通過布置調(diào)研畢業(yè)設(shè)計作品的任務(wù)，引導(dǎo)組織學(xué)生對控制項目實例進行系統(tǒng)調(diào)研，了解系統(tǒng)控制策略、軟件硬件設(shè)計方、控制系統(tǒng)的性能等等，學(xué)會與項目設(shè)計者進行溝通、交流。調(diào)研的結(jié)果最終以筆記、小組討論、上臺演講、動手實踐、制作PPT答辯等等形式進行檢驗。在這一過程中，學(xué)生在知識搜索、發(fā)現(xiàn)、提煉，基礎(chǔ)知識掌握和運用、團隊協(xié)作能力、溝通能力和解決復(fù)雜工程問題等能力得到了綜合鍛煉。

此外，通過舉辦學(xué)習(xí)經(jīng)驗分享反饋，促進自我認(rèn)知及提高學(xué)習(xí)興趣。每次授課開辟出十分左右的時間，讓一位同學(xué)分享自己在這個知識點上的學(xué)習(xí)方法，并在老師的引領(lǐng)下和同學(xué)們一起討論該方法的優(yōu)缺點，思考可改進的方法，讓學(xué)生們都盡可能地參與到學(xué)習(xí)中來，促進學(xué)生形成更好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)氛圍。

2.4 在課內(nèi)實踐中引入科研項目

把科研項目引入到課內(nèi)實踐中來，以科研、工業(yè)項目和網(wǎng)絡(luò)資源為依托，實現(xiàn)課程教學(xué)與實際應(yīng)用相結(jié)合。例如把鍋爐溫度數(shù)字PID控制、機械手?jǐn)?shù)字PID控制等項目引入實踐課，讓學(xué)生自己動手一步一步從如何尋找、查閱相關(guān)資料、選題、建模分析、控制方法的選擇、控制策略的實施與調(diào)整，到實際項目完成與檢驗，幫助學(xué)生建立完整控制項目的實現(xiàn)過程及其注意事項，從而建立起控制系統(tǒng)的完整認(rèn)識。通過這一過程鍛煉學(xué)生從實踐活動中提煉理論知識并相互印證能力，從而提升學(xué)生的專業(yè)能力和學(xué)習(xí)興趣。教師在這一過程中引導(dǎo)學(xué)生體驗知識發(fā)現(xiàn)與提煉、科研經(jīng)歷與創(chuàng)新思維，體會理論知識如何應(yīng)用于科研和工業(yè)項目。同時引導(dǎo)學(xué)生了解企業(yè)的支持與合作、企業(yè)人才培養(yǎng)、技術(shù)攻關(guān)、工藝改善等。實踐證明，此方式可高效地將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，形成理論水平高、實用性強、特色鮮明、豐富生動的日常教學(xué)內(nèi)容。

3 結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)和信息量每天都在迅猛增加，并且信息和知識更新較快，為了了解最新的知識，更好地更快完成課程學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式已不適應(yīng)新的要求。筆者總結(jié)了“自動控制原理”“現(xiàn)代控制理論”和“計算機控制技術(shù)”3門課程合并為一門“控制工程課程”后，在授課課時大大減少的條件下，既要完成教學(xué)任務(wù)又要保障教學(xué)質(zhì)量這一挑戰(zhàn)時，嘗試采用了多種授課方式和多種學(xué)習(xí)組織形式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會利用互聯(lián)網(wǎng)資源尋找、查閱、學(xué)習(xí)相關(guān)知識，學(xué)會溝通、交流和分享學(xué)習(xí)，形成系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)獨立思考的學(xué)習(xí)習(xí)慣，適應(yīng)新形勢下的學(xué)習(xí)方式，為以后學(xué)習(xí)、工作和研究打下好的基礎(chǔ)。