基于雙閉環(huán)反饋的自動控制原理課程混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

摘 要：自動控制原理是自動化專業(yè)的核心課程，具有概念抽象和公式繁多的特點(diǎn)，在一流專業(yè)建設(shè)背景下面臨課時壓縮導(dǎo)致學(xué)生難以有效掌握課程內(nèi)容、傳統(tǒng)教學(xué)方式難以有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的問題。該文在混合式教學(xué)模式下，借鑒課程中閉環(huán)反饋思想，提出基于知識學(xué)習(xí)內(nèi)環(huán)和能力培養(yǎng)外環(huán)的教學(xué)框架，根據(jù)反饋結(jié)果構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)體系動態(tài)調(diào)整方案。通過以上措施，在有限學(xué)時下保質(zhì)保量完成教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)和知識學(xué)習(xí)的同步推進(jìn)，可以為相關(guān)課程的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；閉環(huán)反饋；雙閉環(huán)教學(xué)框架；混合式教學(xué)；改革舉措

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0021-04

Abstract： Automatic Control Principle is the core course of automation major， which has the characteristics of abstract concepts and various formulas. Under the background of first-class major construction， it is faced with the problem that the compression of class hours causes students are difficult to effectively grasp the course content， and traditional teaching methods are difficult to effectively cultivate students'learning ability. Adopting the idea of closed-loop feedback in the curriculum， this paper proposes a teaching frameworkunder the blended teaching mode based on the inner loop of knowledge learning and the outer loop of ability training， and constructed a student-centered dynamic adjustment scheme of teaching system according to the feedback results. Through the above measures， the teaching content can be completed with high quality and quantity in the limited learning time， and the synchronous promotion of ability training and knowledge learning can be realized， which can provide reference for the construction of related courses.

Keywords： Automatic Control Principle; closed-loop feedback; double closed-loop teaching framework; blending teaching; reform measures

近年來，在“工業(yè)4.0”和“人工智能+”的技術(shù)趨勢下，迫切需要高等學(xué)校培養(yǎng)出滿足時代要求的復(fù)合型人才。2018年，結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)在智能優(yōu)化與控制、機(jī)器學(xué)習(xí)與智能系統(tǒng)方面的研究積累，在江蘇省品牌專業(yè)“電氣工程及其自動化”（工業(yè)控制、智能機(jī)器人）基礎(chǔ)上，學(xué)?；謴?fù)設(shè)置“自動化”新工科專業(yè)，并獲批2020年度國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。一流本科專業(yè)建設(shè)對于課程內(nèi)容和培養(yǎng)模式提出了新要求[1]，要求堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，要求建立健全自查自糾的質(zhì)量保障機(jī)制并持續(xù)有效實(shí)施，以國家需求和科技變革為導(dǎo)向，改造提升傳統(tǒng)專業(yè)，打造特色優(yōu)勢專業(yè)。

自動控制原理是自動化專業(yè)和電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程，也是自動控制專業(yè)本科生接觸到的第一門學(xué)科基礎(chǔ)課，更是后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，此外還是眾多學(xué)校自動化專業(yè)的考研課程。其內(nèi)容包括自動控制的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時域分析法、根軌跡法、頻域分析法、控制系統(tǒng)的校正以及非線性系統(tǒng)七部分[2-3]。該課程的核心知識——系統(tǒng)的概念、反饋的概念、基于偏差的控制等內(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。通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握反饋控制的思想架構(gòu)，形成“反饋-校正”的思維方式；能夠具備簡單系統(tǒng)建模、分析和校正（控制）的能力，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。因此，該課程的教學(xué)效果事關(guān)自動化相關(guān)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

一流專業(yè)建設(shè)對于課程建設(shè)提出了新要求和新挑戰(zhàn)[4]，本文在深入分析新形勢下面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，引入混合式教學(xué)手段針對性地對專業(yè)傳統(tǒng)課程內(nèi)容進(jìn)行改造提升，詳細(xì)介紹了基于課程中閉環(huán)反饋思想提出的“知識+能力”雙閉環(huán)教學(xué)模式，根據(jù)反饋結(jié)果實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)體系的實(shí)時調(diào)整，在保證教學(xué)質(zhì)量的同時提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力。

一 一流專業(yè)建設(shè)和培養(yǎng)方案調(diào)整帶來的新挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的課程建設(shè)，學(xué)校自動控制原理課程建設(shè)取得極大成效，入選江蘇省一流課程，入圍學(xué)校國家一流課程培育項(xiàng)目。在一流本科建設(shè)和新版培養(yǎng)方案課時壓縮的背景下，本課程也面臨了新的問題，具體包括以下內(nèi)容。

（一） 課程學(xué)時壓縮與課程內(nèi)容繁雜的矛盾

自動控制原理課程具有概念抽象、數(shù)學(xué)內(nèi)容多、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)[5]。在建模過程中需要用到高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、工程數(shù)學(xué)、電路理論和模擬電子等基礎(chǔ)知識，在分析過程中對數(shù)學(xué)計(jì)算、圖形繪制、邏輯推演等方面的能力要求較高，在設(shè)計(jì)過程中對前面所學(xué)的建模、分析、計(jì)算、歸納和圖解等綜合知識的運(yùn)用有較高的要求。由于知識晦澀難懂，與現(xiàn)實(shí)世界難以建立直接聯(lián)系，且不同章節(jié)知識點(diǎn)耦合較深，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，積極性大受打擊。目前自動化專業(yè)最新培養(yǎng)方案課時已經(jīng)壓縮到48學(xué)時，電氣工程專業(yè)該課程理論學(xué)時已經(jīng)壓縮到40學(xué)時。在近年來專業(yè)課學(xué)時一再壓縮的背景下[6-7]，如何在有限課時條件下帶領(lǐng)學(xué)生一起完成課堂內(nèi)容的學(xué)習(xí)是一大挑戰(zhàn)。

（二） 教師知識傳授與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)難以同步

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不僅需要學(xué)生知識的積累，還需要老師對于創(chuàng)新思維進(jìn)行有意的引導(dǎo)和訓(xùn)練。傳統(tǒng)以教師為中心的授課方式，教學(xué)過程較為枯燥，主要以知識點(diǎn)的講解、公式推導(dǎo)、曲線繪制等內(nèi)容為主，學(xué)生接收較為機(jī)械，局限了學(xué)生的創(chuàng)新思維，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7]。與此同時，傳統(tǒng)教學(xué)方式中引入課程思政，容易降低學(xué)生的認(rèn)同感，不易達(dá)到較好的教學(xué)效果。

針對以上問題，為更好實(shí)現(xiàn)一流專業(yè)建設(shè)目標(biāo)，作為專業(yè)核心主干課程的自動控制原理課程還有待針對性地調(diào)整和完善。擬引入自動化專業(yè)中的雙閉環(huán)控制的思想，建立知識學(xué)習(xí)內(nèi)環(huán)和能力培養(yǎng)外環(huán)的雙閉環(huán)教學(xué)體系，借助混合教學(xué)的手段，試圖實(shí)現(xiàn)在有限學(xué)時下保質(zhì)保量完成課程知識傳授，實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)和知識學(xué)習(xí)的同步推進(jìn)。

二 雙閉環(huán)反饋教學(xué)理念的基本內(nèi)涵

針對新形勢下面臨的教學(xué)難點(diǎn)，以混合式教學(xué)為主要抓手，以雙閉環(huán)理念重構(gòu)教學(xué)組織，根據(jù)反饋結(jié)果形成以學(xué)生為中心的教學(xué)體系調(diào)整方案。

（一） 構(gòu)建以知識學(xué)習(xí)為內(nèi)環(huán)、能力培養(yǎng)為外環(huán)的雙閉環(huán)教學(xué)體系

如圖1所示，基于混合式教學(xué)的組織方式，通過雙閉環(huán)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)兼顧能力訓(xùn)練和知識學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。以知識目標(biāo)為內(nèi)環(huán)，通過線上線下混合式教學(xué)，利用隨堂測驗(yàn)、線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)以及線下作業(yè)情況反饋學(xué)生知識掌握程度；根據(jù)學(xué)生案例設(shè)計(jì)、課堂實(shí)驗(yàn)和翻轉(zhuǎn)課堂效果評價(jià)學(xué)生課程要求的理解和分析能力的層次；根據(jù)兩方面的反饋結(jié)果調(diào)整教學(xué)體系。

（二） 形成與以學(xué)生為中心相配套的教學(xué)體系調(diào)整方案

如圖2所示，根據(jù)學(xué)生知識掌握水平和能力評價(jià)結(jié)果反饋的結(jié)果，持續(xù)進(jìn)行教學(xué)反思，豐富線上和線下課程的教學(xué)資源以及思政案例，改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)，豐富教學(xué)方法，完善教學(xué)考核，形成教學(xué)體系的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)對學(xué)生反饋出來的結(jié)果，針對性地調(diào)節(jié)教學(xué)方法，降低甚至消除與期望培養(yǎng)目標(biāo)之間的差距。

三 雙閉環(huán)教學(xué)體系的具體舉措

（一） 更新課堂內(nèi)容，構(gòu)建混合教學(xué)模式，完善知識學(xué)習(xí)內(nèi)環(huán)

在傳統(tǒng)課堂上，教師講授為主，在課時壓縮的背景下難以充分講授課程知識點(diǎn)，此外課堂學(xué)習(xí)時間短，學(xué)生被動接收知識，學(xué)生接收知識效果不夠理想。基于線上慕課的教學(xué)，具有開放性、個性化、時間自由的特點(diǎn)，但是知識深度不容易把握；全線上教學(xué)對于學(xué)生的自我約束能力要求過高，造成部分自制力較差同學(xué)學(xué)習(xí)效果不理想。因此開展混合式教學(xué)，可以充分揚(yáng)長避短，利用線上資源作為課堂教學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入和深化，優(yōu)化課堂教育效果[7-9]。

為此項(xiàng)目組在總學(xué)時受限的情況下，重新梳理了課堂教學(xué)和線下學(xué)習(xí)的內(nèi)容分配，以“系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)校正”為主線，通過課程組教師調(diào)研和研討，重新梳理和完善線上教學(xué)資源和線下教學(xué)課件，明確課外學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目標(biāo)。我們將概念性、拓展性以及部分較為獨(dú)立的小塊知識點(diǎn)安排學(xué)生結(jié)合慕課上的視頻進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，并借助在線測試檢測學(xué)習(xí)效果，在課上通過隨堂測驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的補(bǔ)充。以電氣工程及其自動化專業(yè)40學(xué)時課堂學(xué)時的自動控制原理為例，本課程線上學(xué)習(xí)內(nèi)容安排見表1，主要涉及基本概念、拓展性知識點(diǎn)，以及自成體系的描述函數(shù)、相平面法等知識單元。

通過混合式教學(xué)模式的引入，解決了學(xué)時壓縮而學(xué)習(xí)內(nèi)容不壓縮的困境，同時充分利用線上教學(xué)工具實(shí)時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，便于及時根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況調(diào)整教學(xué)節(jié)奏。MOOC線上教學(xué)工具的引入極大地方便了線上學(xué)習(xí)情況的統(tǒng)計(jì)，以圖3某教學(xué)班的課程教學(xué)后臺數(shù)據(jù)為例，可以方便獲取到學(xué)習(xí)時長、線上線下考核、課堂出勤等數(shù)據(jù)。此外線上慕課視頻也方便了課程思政元素和相關(guān)科研案例的引入。課程以都江堰水利工程、天宮空間站、高速列車工程等古今重大工程案例培養(yǎng)學(xué)生民族自豪感和自信心，以錢學(xué)森、梁思禮等老一輩控制科學(xué)家事跡塑造學(xué)生的愛國情懷，充分挖掘課程思政元素。

（二） 任務(wù)驅(qū)動，完善教學(xué)組織方式，優(yōu)化能力培養(yǎng)外環(huán)

傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生在以教師為中心的模式下容易失去學(xué)習(xí)主動性，不利于訓(xùn)練學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出、解決問題的能力。針對能力培養(yǎng)問題，一方面采用混合式教學(xué)模式，借助慕課的線上資源，通過布置適當(dāng)?shù)恼n前任務(wù)、課后作業(yè)，讓學(xué)生根據(jù)自己的情況學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，并通過線上提問、線上互助學(xué)習(xí)（如圖4所示）等方式，提高自我學(xué)習(xí)的能力。

另一方面，以開展翻轉(zhuǎn)課堂等形式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。對于“控制系統(tǒng)的根軌跡分析法”等某些相對獨(dú)立、完整的MOOC教學(xué)知識點(diǎn)，可以作為基本素材，要求學(xué)生在指定時間完成，并布置一定的任務(wù)，在學(xué)生完成后，由學(xué)生來完成這部分知識要點(diǎn)的總結(jié)，再對學(xué)生的講解加以點(diǎn)評和討論，加深對于內(nèi)容的理解。除了選取Laplace變換、勞斯判據(jù)、Nyquist判據(jù)等獨(dú)立知識點(diǎn)外，還選取第七章非線性系統(tǒng)整章作為線上學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并在課堂中進(jìn)行重點(diǎn)點(diǎn)評和回顧，在有限學(xué)時下保證了教學(xué)效果不下降。

通過翻轉(zhuǎn)課堂、線上自學(xué)和線上討論等方式[10]，極大地提升了學(xué)生參與教學(xué)和主動學(xué)習(xí)的積極性，也通過這種手段實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生自學(xué)能力和組織協(xié)作能力的培養(yǎng)。

（三） 雙閉環(huán)互動，完善考核評價(jià)方式，以能力提升促教學(xué)質(zhì)量

傳統(tǒng)線下教學(xué)，以線下教育成果來評價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，缺乏對于學(xué)生學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)動態(tài)效果的考量。在混合式教學(xué)模式下，通過線上課前預(yù)習(xí)任務(wù)、課后拓展作業(yè)、互動討論、翻轉(zhuǎn)課堂等模式，將在線學(xué)習(xí)、互動和討論中展現(xiàn)出的學(xué)習(xí)能力給予階段性考評，突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的評價(jià)。知識性的學(xué)習(xí)和記憶是階段性的，而學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和提升是長期和永久性的，知識性考試不能完全反映學(xué)習(xí)能力提升，學(xué)習(xí)能力提升會促進(jìn)知識的學(xué)習(xí)。因此項(xiàng)目組完善了混合式教學(xué)考核方式，對于能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的環(huán)節(jié)給予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，實(shí)現(xiàn)知識和能力全面的提升。

課程組構(gòu)建以課程實(shí)驗(yàn)、平時表現(xiàn)（包括線上MOOC課程學(xué)習(xí)、作業(yè)、專題報(bào)告、課堂反饋和出勤等）、期末閉卷考試成績等多方面綜合評定的考核方式，成績評定采用百分制，其中實(shí)驗(yàn)成績占15%，平時成績占25%，期末考試占60%。通過合理調(diào)整考核權(quán)重和比例，實(shí)現(xiàn)對于學(xué)生學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)能力和學(xué)校效果的全面評價(jià)，避免通過卷面成果片面評價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

通過以上措施的配合使用，經(jīng)過兩年多的課堂實(shí)踐，綜合評價(jià)和評教結(jié)果反饋，實(shí)現(xiàn)了在壓縮學(xué)時保證學(xué)生對知識掌握水平不下降的目標(biāo)，進(jìn)一步提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)和協(xié)助學(xué)習(xí)的能力。

四 結(jié)束語

自動控制原理課程具有概念抽象、數(shù)學(xué)概念多、計(jì)算復(fù)雜、內(nèi)容層層遞進(jìn)又相對獨(dú)立的特點(diǎn)。在新的背景下，面臨教師知識傳授與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)難以同步的問題，在新版培養(yǎng)方案下面臨課程學(xué)時壓縮與課程內(nèi)容繁雜的矛盾。針對以上問題，為更好實(shí)現(xiàn)一流專業(yè)建設(shè)目標(biāo)，引入自動化專業(yè)中的雙閉環(huán)控制的思想，建立知識學(xué)習(xí)內(nèi)環(huán)和能力培養(yǎng)外環(huán)的雙閉環(huán)教學(xué)體系，以學(xué)生為中心精心設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)內(nèi)容、評價(jià)方案，借助混合教學(xué)的手段，實(shí)現(xiàn)在有限學(xué)時下保質(zhì)保量完成課程知識傳授，實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)和知識學(xué)習(xí)的同步推進(jìn)。

后續(xù)可以進(jìn)一步探索結(jié)合智慧教學(xué)工具根據(jù)班級的教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)個性化教學(xué)方案；做好與后續(xù)的現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)控制、過程控制等專業(yè)課以及學(xué)科綜合實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐類課程的銜接。

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