智慧教育時(shí)代下自動(dòng)控制原理課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐

岳菊梅， 閆永義， 張志紅， 任 靜， 馬 淏

（河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

自動(dòng)控制原理課程不僅是農(nóng)業(yè)電氣化專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是高等院校自動(dòng)化、通信工程、電子信息工程等工科相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，它具有理論性和工程應(yīng)用性都較強(qiáng)的特點(diǎn)。自動(dòng)控制原理課程以高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、電路和模擬電子技術(shù)等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和電氣控制技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程的先修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)信號(hào)、系統(tǒng)等重要概念的理解及后續(xù)課程的教學(xué)質(zhì)量。

在智慧教育時(shí)代下，結(jié)合《河南省“十四五”教育事業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《河南教育現(xiàn)代化2035》，以及MOOC 教學(xué)理念與模式，探索新的教學(xué)方法，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性[1-2]。本研究根據(jù)河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院農(nóng)業(yè)電氣化專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案，結(jié)合自動(dòng)控制原理課程理論性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在強(qiáng)化自動(dòng)控制基本概念和理論的基礎(chǔ)上，圍繞堅(jiān)持以學(xué)生為中心，堅(jiān)持教研結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合理念指導(dǎo)下，對(duì)自動(dòng)控制原理課程進(jìn)行深入的教學(xué)模式改革與實(shí)踐探索，取得了較好的教學(xué)效果，滿足了目前人才培養(yǎng)要求。

1 教學(xué)改革思路

傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽(tīng)的教學(xué)模式，在短短的100 min 或者是90 min 之內(nèi)，教師向?qū)W生傳遞了大量的信息。要求學(xué)生：一是記憶力和理解能力較強(qiáng)，對(duì)剛講過(guò)的新內(nèi)容能夠快速記住，并掌握、理解；二是自我約束能力和執(zhí)行能力較好，能夠在暫時(shí)無(wú)法理解前面所講的知識(shí)點(diǎn)、接受能力比較弱的情況下，堅(jiān)持把課聽(tīng)下去；三是注意力足夠集中，能在整個(gè)聽(tīng)課過(guò)程中都保持活躍的思維和專(zhuān)注力。這就導(dǎo)致每堂課學(xué)生認(rèn)知準(zhǔn)備狀態(tài)不理想，教學(xué)成效不理想。

鑒于這種原因，自動(dòng)控制原理課程將課堂教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)由教師“教”轉(zhuǎn)向?qū)W生“學(xué)”，即以學(xué)生為中心的教與學(xué)。在課程建設(shè)思路的指引下，圍繞MOOC教學(xué)理念和模式，適當(dāng)加入自己錄制的慕課視頻和網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)質(zhì)慕課資源，遵循以學(xué)生為中心的教與學(xué)基本理念，進(jìn)行課程建設(shè)，實(shí)施線上線下混合式教學(xué)改革。在全新的教學(xué)模式中，將教學(xué)環(huán)節(jié)打造成了課前自主學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂和課后總結(jié)3 個(gè)環(huán)節(jié)[3-5]。

（1）落實(shí)新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議要求，自動(dòng)控制原理課程改革以學(xué)生為中心，深入推進(jìn)課堂教學(xué)改革，增加課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新和教學(xué)手段與方法的變革，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，促進(jìn)本科教學(xué)水平的不斷提高。

（2）對(duì)于自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)要面向全體學(xué)生，關(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異與需求，充分發(fā)揮學(xué)生自身的能力和特長(zhǎng)，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)踐，使所有學(xué)生都能達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力及交流與合作的能力，為其主動(dòng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)打下好基礎(chǔ)。

（3）教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，樹(shù)立以學(xué)生為主體的教學(xué)觀念，創(chuàng)造性地探索新的教學(xué)途徑，改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，組織豐富多彩的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)并帶動(dòng)學(xué)生積極地加入課堂，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

2 實(shí)施方案

2.1 采用線上線下混合式教學(xué)方法

2.1.1 線上自主學(xué)習(xí)

借助智慧教育時(shí)代現(xiàn)代技術(shù)手段，同時(shí)交叉融合先進(jìn)教育理念，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，提高本課程課堂教學(xué)效果[6-7]。對(duì)于教學(xué)難度不大、認(rèn)知層次不高的內(nèi)容，可作為線上學(xué)習(xí)內(nèi)容，并提前錄制10～15 min 小視頻，提前通過(guò)學(xué)習(xí)通發(fā)布相關(guān)線上資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)。自動(dòng)控制原理課程線上教學(xué)改革創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下3 方面。

（1）教學(xué)理念。樹(shù)立以學(xué)生為中心的意識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)通，實(shí)時(shí)提醒學(xué)生課件、視頻上傳情況、整體的學(xué)習(xí)情況，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣；同時(shí)通過(guò)名校的慕課視頻和本課程相關(guān)的擴(kuò)展知識(shí)視頻，激發(fā)和吸引學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣。

（2）教學(xué)方法。根據(jù)學(xué)校提供的學(xué)習(xí)通在線平臺(tái)，采用點(diǎn)播和互動(dòng)等方式進(jìn)行線上自學(xué)。點(diǎn)播：在學(xué)習(xí)通中放入提前錄制好的10～15 min 小視頻課件，并設(shè)置相關(guān)問(wèn)題，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。互動(dòng)：在學(xué)習(xí)通留言區(qū)進(jìn)行討論互動(dòng)，留言等方式，教師可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并能將互動(dòng)內(nèi)容保留下來(lái)，供其他學(xué)生學(xué)習(xí)瀏覽。教學(xué)方法以講解自動(dòng)控制原理課程第三章線性系統(tǒng)的時(shí)域分析中第五節(jié)的線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的內(nèi)容為例，具體如表1 所示。

表1 教學(xué)方法與創(chuàng)新Tab.1 Teaching methods and innovations

（3）教學(xué)過(guò)程。一是提前發(fā)布課件。至少提前3 d，通過(guò)學(xué)習(xí)通，將課堂教學(xué)課件和與本節(jié)課程相關(guān)的短視頻課件發(fā)布到教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。二是設(shè)置問(wèn)題。在教學(xué)課件和短視頻課件中，針對(duì)需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，在相應(yīng)視頻內(nèi)容后設(shè)置對(duì)應(yīng)選擇題、填空題和思考題等類(lèi)型習(xí)題，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和內(nèi)容的掌握。三是實(shí)時(shí)掌握進(jìn)度。學(xué)習(xí)通可以實(shí)時(shí)反饋學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況和進(jìn)度，方便在線下課前根據(jù)學(xué)生自學(xué)情況，課堂上有篩選的進(jìn)行難點(diǎn)分析，并請(qǐng)學(xué)生參與討論，課后對(duì)沒(méi)有及時(shí)參與的學(xué)生進(jìn)行督查；同時(shí)學(xué)習(xí)通還能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)查看的人數(shù)和詳細(xì)名單，便于教師掌握線上和線下具體情況，提醒學(xué)生及時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。四是學(xué)習(xí)通布置線上課堂、章節(jié)作業(yè)。在學(xué)習(xí)通發(fā)布本節(jié)課線上課堂作業(yè)和對(duì)應(yīng)章節(jié)的練習(xí)作業(yè)，設(shè)置了學(xué)生互批功能，極大地激發(fā)學(xué)生當(dāng)教師的愿望和興趣，同時(shí)也可以增強(qiáng)學(xué)生課下相互討論、解決問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力。教學(xué)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 教學(xué)過(guò)程Fig.1 Teaching process

2.1.2 線下課堂講授

在先進(jìn)教育理念下，通過(guò)分層教學(xué)方法、講練結(jié)合的教學(xué)模式、啟發(fā)討論教學(xué)和互動(dòng)式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，進(jìn)行課堂教學(xué)改革，提高課堂教學(xué)效果，使學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，也為進(jìn)一步地學(xué)習(xí)和研究控制理論創(chuàng)造一定的條件[8-9]。

線下課堂教學(xué)總體實(shí)施方案，對(duì)于重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容可作為線下課堂教學(xué)內(nèi)容，在課堂教學(xué)內(nèi)容中選擇部分關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和典型題目等，采用小班討論、生講生評(píng)、研討辯論、輔導(dǎo)答疑和教師點(diǎn)評(píng)等互動(dòng)式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造能力。線下課堂主要采用以下教學(xué)方式。

（1）分層教學(xué)方法。關(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異與不同需求，使不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能得到有效的訓(xùn)練和提高，基本掌握該課程的要點(diǎn)、難點(diǎn)。對(duì)于那些用語(yǔ)言和文字難以表達(dá)、學(xué)生難以理解的內(nèi)容，進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬、音像播放；對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例等進(jìn)行實(shí)物虛擬顯示和實(shí)況播放，彌補(bǔ)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，解決長(zhǎng)期以課本為主的課程教學(xué)比較抽象難懂的局面。

（2）講練結(jié)合教學(xué)模式。如實(shí)際系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)時(shí)域頻域分析及控制系統(tǒng)的校正與綜合等內(nèi)容，在課堂講解完基本概念與方法后，結(jié)合具體實(shí)例，讓學(xué)生獨(dú)立思考并完成。再根據(jù)學(xué)生完成的情況，進(jìn)行有針對(duì)性地講解，提高教學(xué)效果。

（3）啟發(fā)討論教學(xué)、互動(dòng)式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)[10]。教師針對(duì)課前學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，在課堂上結(jié)合預(yù)習(xí)中的難點(diǎn)和疑問(wèn)，提出問(wèn)題，并加以引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生去自主思考和分組討論，針對(duì)不同觀點(diǎn)展開(kāi)討論，選出學(xué)生代表對(duì)討論結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，教師做最后點(diǎn)評(píng)。這種講授過(guò)程可培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力。

實(shí)踐證明，合理利用上述幾種教學(xué)方法能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。表2 以自動(dòng)控制原理課程第二章線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中第二節(jié)的控制系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型在線下課堂采用的教學(xué)方式為例進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)這種教學(xué)方式，使得重點(diǎn)講解的內(nèi)容將理論知識(shí)豐富和簡(jiǎn)單化，使學(xué)生既學(xué)到理論知識(shí)也掌握了分析復(fù)雜問(wèn)題的能力，受到學(xué)生的普遍歡迎。

表2 線下課堂教學(xué)方式Tab.2 Offline classroom teaching methods

2.2 全面梳理課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)思路

按照重要性和教學(xué)難度對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，按照記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等不同認(rèn)知層次制定課程教學(xué)目標(biāo)。

（1）教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)農(nóng)業(yè)電氣化專(zhuān)業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，自動(dòng)控制原理課程選用胡壽松編寫(xiě)的國(guó)家“十二五”普通高等教育本科國(guó)家規(guī)劃教材《自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)教程》。本書(shū)共9 章內(nèi)容，結(jié)合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和課程學(xué)時(shí)，在課堂中重點(diǎn)講授第1～3 章和第5～7 章，其中第4章根軌跡分析、第8 章非線性控制系統(tǒng)分析和第9 章線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析作為卓越班學(xué)生選講知識(shí)，并在線上平臺(tái)學(xué)習(xí)通中上傳相關(guān)視頻，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

（2）教學(xué)思路。教學(xué)手段主要采用線上線下混合式教學(xué)方式，教學(xué)方法如表2 所示，教學(xué)過(guò)程中挖掘與課程內(nèi)容知識(shí)相關(guān)的實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生具有家國(guó)情懷；知識(shí)講授過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生工匠精神和個(gè)人素養(yǎng)。

2.3 合理規(guī)劃知識(shí)點(diǎn)

可適當(dāng)刪減一些內(nèi)容簡(jiǎn)單、主要培養(yǎng)記憶和理解能力的知識(shí)點(diǎn)，增加一些培養(yǎng)分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造能力的前沿知識(shí)，提升課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

2.4 增加教學(xué)互動(dòng)性

教師在線下課堂教學(xué)中利用智慧教學(xué)工具，開(kāi)展隨堂測(cè)驗(yàn)、隨堂練習(xí)、隨堂問(wèn)卷和單元測(cè)驗(yàn)等活動(dòng)。

在先進(jìn)教育理念下，利用智慧教育時(shí)代現(xiàn)代技術(shù)手段，采用線上線下混合式教學(xué)方式，加強(qiáng)課堂教學(xué)改革，拓展課程內(nèi)容深度，注重課程內(nèi)容與培養(yǎng)目標(biāo)的支撐關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，切實(shí)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.5 改進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)方式

2.5.1 使用多元化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)體系

采用線上學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、線下過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)多種方式相結(jié)合評(píng)價(jià)模式，如圖2 所示。既要考查學(xué)生記憶、理解和應(yīng)用等中低認(rèn)知能力，又要考察學(xué)生分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高級(jí)認(rèn)知素質(zhì)。

圖2 教學(xué)評(píng)價(jià)方式Fig.2 Teaching evaluation methods

2.5.2 課程成績(jī)改革

課程成績(jī)由過(guò)程性考核和終結(jié)性考核綜合評(píng)定，過(guò)程性考核成績(jī)由原來(lái)的20%調(diào)整到30%～50%，使成績(jī)?cè)u(píng)定更為合理。

（1）在線學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。主要是針對(duì)記憶、理解等初級(jí)認(rèn)知的考核，可根據(jù)學(xué)生視頻觀看、隨堂測(cè)驗(yàn)、完成作業(yè)和單元測(cè)驗(yàn)等完成情況進(jìn)行學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，成績(jī)占比一般不超過(guò)20%。

（2）線下課堂評(píng)價(jià)。課堂討論、學(xué)生課堂參與程度納入到過(guò)程性考核，對(duì)評(píng)價(jià)和創(chuàng)造等高級(jí)認(rèn)知的考核主要通過(guò)學(xué)生參與討論過(guò)程和效果進(jìn)行。鼓勵(lì)學(xué)生參與到習(xí)題庫(kù)、試題庫(kù)的建設(shè)中，和學(xué)生一起制定考核方式和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而得出全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)方式，成績(jī)占比一般不超過(guò)30%。

（3）期末考試評(píng)價(jià)。對(duì)應(yīng)用和分析等中級(jí)認(rèn)知的考核主要通過(guò)期末考試進(jìn)行，成績(jī)占比一般在50%左右。

3 實(shí)踐效果

上述的一系列教學(xué)改革方案，逐步在農(nóng)業(yè)電氣化專(zhuān)業(yè)2018 級(jí)—2020 級(jí)學(xué)生中實(shí)施，經(jīng)過(guò)3 年的實(shí)踐，取得的實(shí)踐效果有5 個(gè)方面。

（1）學(xué)生普遍學(xué)習(xí)興趣提高，學(xué)習(xí)效果明顯增強(qiáng)。從以前上課時(shí)的被動(dòng)學(xué)習(xí)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆胺e極主動(dòng)探索。

（2）課堂討論學(xué)生的參與程度增加。從原來(lái)教師唱獨(dú)角戲的場(chǎng)面，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生積極參與課堂知識(shí)討論的場(chǎng)景。

（3）參與制作控制系統(tǒng)實(shí)例動(dòng)畫(huà)、錄制課程知識(shí)小視頻、動(dòng)手制作控制裝置等的學(xué)生越來(lái)越多。

（4）學(xué)生在Matlab 平臺(tái)下自主獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)試驗(yàn)，融合所學(xué)知識(shí)，理解控制系統(tǒng)相關(guān)概念和設(shè)計(jì)方法[11]。

（5）在課程改革的基礎(chǔ)上，獲批自動(dòng)控制原理課程相關(guān)的校級(jí)教改項(xiàng)目3 項(xiàng)，即2022 年度校級(jí)教改項(xiàng)目智慧教育時(shí)代下自動(dòng)控制原理教學(xué)模式改革研究與實(shí)踐、2022 年度校級(jí)一流課程自動(dòng)控制原理和校級(jí)思政樣板課自動(dòng)控制原理。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)控制原理課程所涉及的新概念和理論推導(dǎo)較多，是農(nóng)業(yè)電氣化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)過(guò)程中起著承上啟下的作用。結(jié)合《河南省“十四五”教育事業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《河南教育現(xiàn)代化2035》，在智慧教育時(shí)代下背景下闡述了自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)改革思路；借助先進(jìn)教學(xué)工具探索新的教學(xué)實(shí)施方案；通過(guò)不斷的教學(xué)改革和創(chuàng)新，自動(dòng)控制原理課程教學(xué)效果明顯，符合預(yù)期，課堂上學(xué)生參與度和滿意度高，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，受到學(xué)生廣泛好評(píng)。