基于學堂云的線性系統理論信息化教學與實踐

陳勇 劉棕成 李洪波 董文瀚 劉遠飛

摘? 要： 為了始終貫徹“學為主體、教為主導”的研究性教學思想和教學理念，基于學堂在線國家精品課程資源開展了線性系統理論課程混合式教學模式改革與實踐，利用校園無線教學網絡和信息化云教室平臺，將教學過程設計為“課前自主學習”、“課上解疑答惑”和“課后拓展研究”三個階段，分層次遞階地開展課堂授課，綜合運用信息化資源和手段有效提升了教學效果。

關鍵詞： 線性系統理論; 學堂云; 云教室; 混合式教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2019）09-64-03

The informationized teaching and practice of linear system theory based on

Xuetang cloud

Chen Yong， Liu Zongcheng， Li Hongbo， Dong Wenhan， Liu Yuanfei

（College of Aeronautics Engineering， Air Force Engineering University， Xian， Shanxi 710038， China）

Abstract： To carry out the research teaching thought and concept of "learning is the main body， teaching is the dominant”， the linear system theory course is reformed and practiced by blended teaching based on the national excellent courses on Xuetang cloud. By applying the campus wireless teaching network and information cloud classroom， the teaching is designed to self-regulated learning before class， answer question in class and extensive research after class. Through teaching hierarchically and utilizing information resources， the teaching effect is improved prominently.

Key words： linear system theory; Xuetang cloud; cloud classroom; blended teaching

0 引言

“線性系統理論”是控制科學與工程、航空宇航科學與技術、兵器科學與技術、電氣工程等多個學科的碩士研究生核心學位課程，在研究生從控制理論向實際工程過渡過程中發揮了重要的橋梁作用。通過課程學習，使學生充分學習掌握線性系統理論的基本內容，領會其在線性系統建模、定性和定量分析、綜合的重要基礎地位，提高研究生運用現代控制理論知識分析、研究、解決實際問題的能力，為下一階段的研究生學習和工作打下堅實的基礎。

如何圍繞研究生的理論知識學習、能力素質教育，始終貫徹“學為主體、教為主導”的研究性教學思想和教學理念，在保持傳統教學中教師起到的引導、啟發和監控作用的同時，充分發揮當前信息化在線教學的特色及優勢，是線性系統理論教學和實踐中值得深入探索的重要問題。

為解決研究生學習時間碎片化、課堂教學效率低的問題，本教學組于2018年引入清華大學學堂在線《線性系統理論》國家精品資源課程，結合開發的云教室[1]，一方面學員可利用校園無限網開展教學課件、多媒體資料的在線學習，另一方面創新了信息化先進教學模式和教學方法，相比傳統教學方式而言教學效果非常顯著。

1 學堂云和云教室

隨著全國普通高校信息化教學浪潮的逐步推進，軍事院校也在同步開展信息化教學實踐[2-4]。但是，與地方高校不同的是，軍事院校的教學環境相對封閉、教學內容相對私密、教學范圍涉及面窄，信息化教學建設存在很大的特殊性和限制性。首先，軍校實驗室、教室、宿舍、辦公場所等均禁止接入國際互聯網，很難在校外開展在線學習，極大地約束了學員的學習時間;其次，局域網建設受密級限制，無法接入ipad等供學員學習，只能在規定的場所開展在線學習;最后，學員在校的學習，主要以大班授課為主，自主學習的時間比較少。

我院積極推進軍校信息化教學模式改革，既不照搬地方高校的MOOC教學模式[5]，又要探索出適合軍校發展特色和實際崗位需求的教學模式。為此，引進“銳捷云課堂系統”建設了云教室，可實現發送文件、屏幕廣播、學生演示、鎖屏等師生互動，具有電子點名、分組教學、隨堂測試、語音廣播、語音對講等教學功能，極大地拓展了學員學習的空間，提升了學員的學習效率。2016年，我院與陜西師范大學教師發展中心合作舉辦了“教學信息資源建設暨教學模式創新”專題研修班;2017年，依托軍網引進了iMOOC教學平臺，構建具有軍校特色的SPOC（Small Private Online Course）教學環境;2018年，結合該平臺對核心專業課程開展了信息化教學模式改革，線性系統理論是重點建設的試點課程之一。通過引入學堂在線國家級精品資源課程，搭建了小規模的私有在線課程教育云服務，極大地提升了學員的學習主動性和積極性，提高了混合式教學成效。

2 課程信息化教學與實踐

2016年，大學對《線性系統理論》立項建設精品課程，經過近兩年的建設，課程的信息化教學資源得到了極大的豐富，教學環境得到了很大的改善，教學方式也開展了深入的改革。目前，課程的教學工作已經取得了初步的成效。

2.1 課程內容分析

《線性系統理論》作為控制學科的專業基礎課，主要學習線性多變量系統的時間域控制理論，研究生系統地掌握線性系統的建模、分析和設計方法，提高研究生的邏輯思維和推理能力，培養研究生應用基礎理論解決工程實際問題的能力和科技創新能力。為此，以線性系統理論課程第六章第一部分內容—狀態反饋極點配置為例，詳細介紹信息化教學與實踐。

課程第六章重點介紹“線性反饋系統的時間域綜合”，主要解決如何運用所學知識進行控制系統分析與設計的問題。主要內容的思維導圖如圖1所示。

從圖1可以看到，狀態反饋是線性反饋系統的時間域綜合的重要基礎，在動態解耦、靜態解耦、全維狀態觀測器、降維狀態觀測器等綜合設計中都將基于狀態反饋才能實現，也充分體現了狀態反饋在系統綜合中的重要地位。為此，以狀態反饋為例，說明《線性系統理論》的信息化教學與實踐過程。在實現知識目標的同時，考慮如何通過教學過程培養學員自主學習、表達溝通、協作學習、分析解決問題、實際動手、創新等能力素質目標。

2.2 教學組織實施

基于云教室環境，將狀態反饋極點配置的授課過程設計為依托學堂云平臺的“課前自主學習”、“課上解疑答惑”和“課后總結凝練”三個階段。

2.2.1 課前自主學習

通過iMOOC平臺，發布自主學習任務單，本次課的課前任務主要包括：

⑴ 登錄學堂云平臺，學習微課—MIMO系統狀態反饋的基本概念;

⑵ 登錄學堂云平臺，學習微課—SISO系統極點配置的基本原理;

⑶ 分兩組，分別按照待定系數法和系數構造法，探討研究極點配置的步驟。

完成以上自主學習任務后，學員可在討論區提出預習課程的疑問，討論相關問題。

2.2.2 學生遇到學習上的主要問題

⑴ 自動控制原理中主要采用輸出反饋，而此處采用狀態反饋，它與輸出反饋之間的區別在哪里？是否具有等價性？

⑵ 待定系數法和系數構造法這兩種極點配置方法構造出來的閉環系統是一樣的，為什么？

⑶ MIMO系統的極點任意配置，其充分必要條件是什么？如何推導？

教員根據學員的疑問，了解學習情況，并結合教學重/難點內容進行總結、歸納，在課上解答學員的疑難問題，并對相關重/難點知識進行升華。

2.2.3 課上解疑答惑

課上內容的主要組織思路如圖2所示。

首先，通過復習、回顧等方式，解答什么是MIMO系統的輸出反饋、狀態反饋問題，使學員明白基本概念，其內在區別可隨課堂進行逐步解答。

其次，給出倒立擺的工程實例，建立倒立擺的數學模型：

[A=01? ?0000-1000? ?0100 110，B=? ?0? ?1? ?0-1]

可得到倒立擺系統的極點為0， 0， [±11]，顯然系統不穩定，如何保證其穩定性呢？從而引出極點配置的概念，通過狀態反饋分析如何進行極點配置，分別介紹待定系數法和系數構造法兩種極點配置方法，實現倒立擺系統的閉環極點任意配置。

然后，討論線性系統能夠通過狀態反饋進行極點任意配置的充分必要條件是什么？并結合可控可觀測性結構分解的相關知識，得到線性系統狀態反饋極點任意配置的充分必要條件是給定極點組需包含系統的不可控模態。

最后提出疑問：狀態反饋極點任意配置對系統的可觀測性有要求嗎？會不會影響系統的可觀測性呢？需課后通過仿真計算完成結論驗證。

2.2.4 課后拓展研究

課后，學員完成以下兩個拓展任務，對相關知識點進行總結凝練。

⑴ 在Matlab虛擬仿真環境中，自主搭建倒立擺數學模型，將課上設計的極點配置方法進行數值仿真，驗證狀態反饋進行極點配置的有效性，并在虛擬仿真環境中對比觀察極點配置前后控制系統響應的異同點。

⑵ 搜集狀態反饋極點配置的最新文獻資料，通過國內外頂尖期刊中的論文了解其最新發展概況，總結課內、課外的重要知識點，在學堂云平臺討論區對重要的內容進行研討交流，并總結凝練形成論文資料準備課程匯報。

2.3 教學考核方式

課程采取“閱讀+匯報+論文+閉卷”相結合的方式進行考核[6]。

⑴ 閱讀：結合學堂云平臺數據，考查研究生的文獻閱讀、理解、分析、歸納等能力，占總成績的10%;

⑵ 匯報：結合云教室課程匯報交流情況，按報告質量、報告次數、交流發言來進行評定，占總成績的20%，主要考查研究生學員的文獻閱讀、知識理解和運用、語言表達等能力;

⑶ 論文：主要考查研究生運用課程知識進行學術文章撰寫、分析解決問題等能力，課程論文占總成績的30%;

⑷ 筆試：組織閉卷考試，主要檢查研究生對線性系統理論基本知識、基本理論、基本方法的掌握和運用情況，占總成績的40%。

3 結束語

基于學堂云和云教室開展線性系統理論課程進行教學改革與實踐，在理論授課、研討交流、論文撰寫等方面展現了信息化與創新性對課程教學的重要促進作用，教學質量和教學效果得到了顯著的提高。信息化改善了授課環境，促進了研究生主動學習、主動思考和主動實踐，強化了他們敢于創新、勇攀高峰的研究意識。近兩年，本教學團隊教員考評優良率100%，選修課程的研究生優秀率達到67.2%。實踐表明，基于學堂云的混合式教學模式在時間與空間上有效融合了理論與實踐，取得了較好的教學效果，對于其他專業基礎課的學習具有一定的借鑒意義。

參考文獻（References）：

[1] 李洪波， 解武杰，董文瀚等. 基于iMOOC平臺和云教室的混合式教學設計與實踐[J]. 計算機時代， 2017.5： 72-73， 78

[2] 李祁. 面向MOOC的軍事院校大學計算機基礎課程教學設計與實施[J]. 計算機教育， 2015.19： 98-101

[3] 朱仁崎， 張學禮， 董振寶. 軍事職業教育MOOC學習體系與設計[J]. 高等教育研究學報， 2017. 40（2）： 59-63

[4] 王瑞敏，曾韻，王立新等.基于SPOC的軍事院校混合式教學模式[J]. 計算機教育， 2016. 2： 26-29

[5] 趙榆琴. 基于“MOOC+SPOC+任務驅動”程序設計教學模式研究[J]. 計算機教育， 2017. 8： 125-128

[6] 陳勇， 李洪波， 董文瀚等. 研究生線性系統理論課程教學設計與實踐[J]. 計算機時代， 2018. 7： 82-85