基于“雨課堂”的智能控制理論與工程應(yīng)用課程混合式教學(xué)改革

馬靜 緱林峰 彭凱

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以“雨課堂”為核心構(gòu)建智能控制理論與工程應(yīng)用課程的混合式教學(xué)，融入“新工科”理念，借助新式信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過課前導(dǎo)學(xué)、線上自主學(xué)習、課堂重點難點講解、線下線上深度討論、過程性多元化考核等方式，將“教師教授為主”的傳統(tǒng)式教學(xué)模式向以“學(xué)生自主學(xué)習為主的”新型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。同時兼顧專業(yè)課理論性強和專業(yè)發(fā)展特點，教師在教學(xué)過程中通過線上引導(dǎo)和線下督促，提高學(xué)生的學(xué)習能力和學(xué)習效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 雨課堂;智能控制理論與工程應(yīng)用;混合式教學(xué);自主學(xué)習

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）31-0043-03

一、引言

“雨課堂”是一款基于PowerPoint和微信的教學(xué)輔助軟件，將課前預(yù)習、實時課堂、課后復(fù)習全程教學(xué)活動融為一體，使教學(xué)過程從單純的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿弧⒘Ⅲw的教學(xué)活動;同時教師和學(xué)生的全程互動及教學(xué)過程中的各種情況和數(shù)據(jù)都能夠及時反饋到教師手中，便于教師全面掌握教學(xué)過程和效果;將原來不可量化的教學(xué)過程和效果通過背后大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗轉(zhuǎn)換成可以供教師借鑒和吸收的結(jié)果。為教師新的教學(xué)手段，如MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等使用提供基礎(chǔ)，促進“教”與“學(xué)”的過程更加輕松，更加有效。另外，智能控制理論與工程應(yīng)用作為控制專業(yè)、研究生專業(yè)課程，具有概念多、理論性強、計算公式多的特點，內(nèi)容抽象，比較難以理解。在以課堂教學(xué)為主的教學(xué)過程中，由于課堂時間的限制，學(xué)生的理解比較困難;所以該課程需要借助以“雨課堂”為核心的現(xiàn)代化教學(xué)工具，創(chuàng)新學(xué)科和專業(yè)建設(shè)理念與實踐，開發(fā)“人工智能控制+新工科”導(dǎo)向的課程，從人工智能基礎(chǔ)和人工智能共性技術(shù)層面建設(shè)“人工智能+新工科”課程體系，結(jié)合多種教學(xué)手段和方法共同實現(xiàn)教學(xué)目標。

二、課程改革內(nèi)容

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

智能控制理論與工程應(yīng)用是自動化專業(yè)的專業(yè)方向選修課，是經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的新發(fā)展。目的是使學(xué)生能更深入地了解控制理論的發(fā)展前沿。任務(wù)主要是使學(xué)生對智能控制的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、智能控制器的設(shè)計方法和應(yīng)用等有基本的了解。為學(xué)生在今后的學(xué)習和工作中對智能控制的深入研究和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

本課程改變原有的單一教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)“雨課堂”的特點將教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分。

理論教學(xué)主要包括：（1）模糊控制。模糊集合的基本概念，模糊集合及模糊關(guān)系的運算，能夠進行精確量與模糊量的相互轉(zhuǎn)換及精確化計算方法;根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)計模糊控制系統(tǒng)，包括輸入輸出變量的確定、隸屬度函數(shù)的選取、模糊控制規(guī)則的建立及在工程中的應(yīng)用等。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，掌握BP算法及Hopfield網(wǎng)絡(luò)等不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);掌握基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識和控制方法以及工程中的實現(xiàn)。（3）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。（4）遺傳算法等智能算法。（5）專家控制系統(tǒng)。

實驗教學(xué)主要包括：（1）二維模糊控制器設(shè)計和應(yīng)用。（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計。（3）非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識器設(shè)計。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器設(shè)計。（5）模糊神經(jīng)模型參考自適應(yīng)控制器設(shè)計。

（二）授課形式改革

智能控制理論與工程應(yīng)用課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)包括課前預(yù)習、課堂講授及習題課、課外作業(yè)、實驗、機構(gòu)創(chuàng)新課程設(shè)計、考試考查等。這些教學(xué)環(huán)節(jié)將借助“雨課堂”實現(xiàn)，采用“課堂教學(xué)+在線教學(xué)”的混合式教學(xué)方式，具體如下。

課前，預(yù)習內(nèi)容的推送和學(xué)習效果的檢驗。由于“雨課堂”是一款綜合多功能教學(xué)軟件，教師可以借助多種資源構(gòu)成自己的教學(xué)內(nèi)容，所以課前預(yù)習的內(nèi)容可以包括PPT課件、教師講解聲音、MOOC等教學(xué)視頻;教師可以根據(jù)課程特點和個人的教學(xué)習慣定制符合自己教學(xué)風格和教學(xué)節(jié)奏的教學(xué)設(shè)計。用于課前預(yù)習的多素材PPT講義發(fā)送到雨課堂后，可設(shè)置預(yù)習截止時間，學(xué)生可以在規(guī)定時間內(nèi)邊學(xué)邊練，同時學(xué)生的預(yù)習和學(xué)習情況可以直接反饋給教師，教師可以根據(jù)預(yù)習情況決定課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。

課堂上，教師開啟雨課堂后，學(xué)生掃描實時生成的二維碼進入課堂（相當于簽到），授課PPT課件會同時出現(xiàn)在教室投影和學(xué)生手機中，既能按正常PPT形式播放，又能讓學(xué)生在每頁PPT下選擇“收藏”和“不懂”按鈕，幫助學(xué)生收藏難點，同時將不懂的內(nèi)容反饋給教師，教師可以據(jù)此調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和速度。另外，雨課堂中也有試題發(fā)布功能，能將試題在課堂上發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生在手機上作答，答題情況、答案等會及時通知教師和學(xué)生，兩者都能及時獲得學(xué)習效果檢測結(jié)果。為了增加課程的趣味性，雨課堂中還有彈幕、紅包、分組等功能。

課后，通過雨課堂學(xué)生可以看到所有課堂的教學(xué)內(nèi)容，復(fù)習方便;另外，教師也可以通過雨課堂獲得所有的授課信息，并推送其他復(fù)習內(nèi)容，反饋復(fù)習結(jié)果，便于教師把握教學(xué)效果。

所以，課前、課上、課后的雨課堂應(yīng)用可以實現(xiàn)教師對教學(xué)過程的全面掌握，能夠完成課前預(yù)習、課堂互動教學(xué)、課后復(fù)習等工作，并通過量化和分析教學(xué)數(shù)據(jù)獲得教學(xué)規(guī)律和方法的總結(jié)。

三、課程混合式教學(xué)改革思路

以“雨課堂”軟件為基礎(chǔ)構(gòu)建智能控制理論與工程應(yīng)用課程的多功能、混合式教學(xué)資源，進行教學(xué)手段、方法和模式的改革，課程混合教學(xué)總體框架設(shè)計如圖1所示。

智能控制理論與工程應(yīng)用作為一門理論性較強的課程，需要充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習的積極性，作為學(xué)習的主體，學(xué)生要能將理論知識與實踐有機結(jié)合，掌握實際系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計問題。通過師生互動和多形式的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情。學(xué)生要根據(jù)教師布置的任務(wù)及推送的相關(guān)資料進行自學(xué)，并隨時與教師進行交流，完成教師發(fā)布的練習或作業(yè)。

針對智能控制理論與工程應(yīng)用不同章節(jié)設(shè)計不同的教學(xué)方法和手段，充分利用“雨課堂”達到教學(xué)內(nèi)容和手段的完美結(jié)合。如學(xué)生通過課前自學(xué)應(yīng)基本掌握智能控制相關(guān)概念知識，課堂學(xué)習主要是對知識進行深化，學(xué)生通過參與教學(xué)活動，展示自己的學(xué)習程度，對學(xué)習中遇到的疑難問題及時向教師反饋，積極參與討論，深化學(xué)習。課堂上教師主要講授智能控制中的重點、難點以及課前練習中錯誤率較高的問題（模糊數(shù)學(xué)到模糊控制原

理的轉(zhuǎn)換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的原理等），并結(jié)合實例講解、小組討論、學(xué)生匯報、答疑等多種形式進行深入探討，通過實時答題、簡單測評等方式掌握和監(jiān)督學(xué)生對難點的學(xué)習情況。

因此，在智能控制理論與工程應(yīng)用的混合式教學(xué)過程中既強調(diào)學(xué)生的“主體”作用，也重視教師的“主導(dǎo)”作用，通過兩者結(jié)合實現(xiàn)最佳的教學(xué)效果。混合式教學(xué)思路如圖2所示（見文末圖）。

以第一章智能控制概論為例大致說明教學(xué)過程的設(shè)計思路，如下表所示。

四、課程改革后的優(yōu)勢和可能遇到的問題

以“雨課堂”為核心的混合式教學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論與工程應(yīng)用課程的優(yōu)勢主要在于：

（1）對課程內(nèi)容重新規(guī)劃，不僅是教師自身資源，還有浩瀚的網(wǎng)絡(luò)資源，大大擴充了課程容量;理論、實例、實驗的結(jié)合，課堂、PPT課件、MOOC視頻等多渠道加深學(xué)生對知識的理解和掌握。

（2）傳統(tǒng)課堂中信息的傳遞方向是以單向為主，教師無法及時掌控課堂上的教學(xué)效果。雨課堂軟件抓住了學(xué)生利用手機微信社交的特點，對學(xué)生有相當?shù)奈Α?/p>

（3）雨課堂把課件推送到學(xué)生的手機上，方便學(xué)生學(xué)習和復(fù)習相關(guān)內(nèi)容。既避免了以前學(xué)生在網(wǎng)站下載相關(guān)內(nèi)容的繁瑣，也解決了坐在后面的學(xué)生可能看不清楚課件的問題。

（4）采用雨課堂授課后，軟件自動生成課堂小結(jié)，也可以實現(xiàn)自動點名統(tǒng)計。

（5）在上課時，教師根據(jù)知識點設(shè)置試卷，當堂作答，促進學(xué)生集中注意力;同時彈幕功能也便于學(xué)生和教師及學(xué)生之間的互動。

（6）以“雨課堂”為基礎(chǔ)的混合式教學(xué)便于教師在課堂調(diào)節(jié)講課進度，以適應(yīng)不同學(xué)生的需求;故對學(xué)生類型和人數(shù)沒有過多要求，對小班和大班都可以適用。教學(xué)初期可以以小班為試點，逐漸推廣、完善。

當然這種基于新型現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)技術(shù)在實施過程中由于條件的限制，可能會遇到的主要問題是：

（1）網(wǎng)絡(luò)順暢是保證課程順利進行的基礎(chǔ);教師需做好雙重準備。

（2）學(xué)生需要在課下花費很多的時間自己學(xué)習，如果多門課都采用這樣的教學(xué)方式，學(xué)生自我學(xué)習壓力比較大;可通過逐步試點，讓教師和學(xué)生都逐步找到合適的比例和方法。

五、總結(jié)

借助“雨課堂”進行智能控制理論與工程應(yīng)用課程混合式教學(xué)改革，是以研究生的綜合能力培養(yǎng)為目標，全面提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）以“雨課堂”為基礎(chǔ)，多教學(xué)手段和方法相融合

利用“雨課堂”這一智慧教學(xué)工具能夠服務(wù)課前、課上、課后的每一個環(huán)節(jié)，讓師生連接更加緊密。教師在教學(xué)過程中受約束程度降低，可以有更多的時間、精力和條件來更好地組織教學(xué)活動，使教與學(xué)的過程更為生動、輕松。

（二）充分利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體環(huán)境，實現(xiàn)課時“立體提升”

課堂上的計算機、投影等多媒體加上在線學(xué)習平臺和學(xué)習資源等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在保證課堂基本課時量的同時，不分時段和場所地擴充網(wǎng)絡(luò)課時量。讓學(xué)生根據(jù)自己的能力和興趣不斷學(xué)習。既完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，又突破教學(xué)大綱對課時量的嚴格限制。

（三）采用適用于“雨課堂”的多種教學(xué)模式，形成教學(xué)的“雙主”模式

以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的“雙主”模式的形成，使學(xué)習過程的中心從教師轉(zhuǎn)移到學(xué)生。在這個過程中，教師和學(xué)生都要注意自己的角色轉(zhuǎn)換。

（四）打造全方位的交流環(huán)境，動態(tài)調(diào)整教學(xué)資源

混合式教學(xué)是傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)在線環(huán)境的高度融合，打造全方位的交流環(huán)境，教師可以根據(jù)不同的客觀條件變化，動態(tài)合理地選擇教學(xué)資源和教學(xué)方式，優(yōu)化教學(xué)過程，提高學(xué)習效率，促進學(xué)生學(xué)習。

參考文獻：

[1]李德毅，馬楠.智能時代新工科：人工智能推動教育改革的實踐[J].高等工程教育研究，2017（5）.

[2]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017（2）：26-35.

編輯 馮永霞