基于智慧教學與智慧測驗軟件的課程教學改革
——以自動控制原理課程為例

肖理慶

(淮南師范學院 機械與電氣工程學院，安徽 淮南 232038)

0 引言

自動控制原理屬于自動化類、電氣類、儀器類、能源動力類、土木類中建筑電氣與智能化專業、農業工程類中農業電氣化專業、航空航天類的專業課程[1]，應用領域廣泛[2-3]。為了使學生更好的掌握自動控制原理這門重要的專業課程，各高校教師在教學設計、教學平臺等各方面開展了深入研究，所取得的成果有效提高了課程教學質量[4-7]。為了積極響應教育部號召、進一步掌握學情、加強對學生學習過程的監控與考核力度，本文基于現代信息技術進行了教學改革嘗試，以自動控制原理課程為例，研發了形象直觀、簡潔高效的自動控制原理智慧教學軟件與智慧測驗軟件，效果理想，且可推廣至其他課程。

1 大學課程教學過程中存在的主要問題分析

目前在大學課程教學過程中，存在的主要問題如下：

1.授課教師對學情掌握情況不理想。與自動控制原理課程相同，大學課程通常涉及面較廣，而不同專業、不同年級的學生對其先修課程同一知識點的掌握情況是不同的。目前授課教師在每次授課前，很難掌握學生是否具備學習本次課教學內容的基礎知識、方法以及學習本次課教學內容時學生可能遇到的困難與阻力等。

2.對學生學習過程的監控與考核力度不夠。目前在大學課程教學過程中，授課教師主要通過平時考勤、課堂表現(主要是回答問題)以及課后作業來監控與考核學生的學習過程。學生課前是否認真預習？預習的效果如何？課中是否掌握了授課教師所講授的內容？存在的問題主要集中在哪些方面？課后是否針對課中學習時存在的問題有針對性的進行了復習？這些情況授課教師很難掌握。即使少數學生回答授課教師所提出的問題完全正確，不代表全部學生都掌握了授課教師所講授的內容；同樣，少數學生回答錯誤，也不足以概括學生在學習中遇到的全部問題。由于目前普遍存在的作業抄襲現象，授課教師很難通過批改作業獲取準確的反饋信息。目前很多網絡教學平臺可提供課程的隨堂測驗，但測驗題目僅限于客觀題，換句話說：雖然通用性很強，但針對性不足。另外，網絡教學平臺所統計的學生在線學習時間的長短在缺乏相關內容測驗成績的前提下，意義并不大：在線學習時間長的學生學習效果不一定比在線學習時間短的學生好。對學生學習過程的監控與考核力度不夠使授課教師很難獲取實時的、準確的教學反饋信息，自認為“自己教得不錯”、“學生掌握情況理想”，直至批閱期末考試試卷的那一刻。

3.平時成績與期末考試卷面成績相差較大。目前在大學課程教學過程中，學生的平時成績主要取決于平時考勤、課堂表現以及課后作業等。在平時考勤方面，不少出勤學生可能“身在教室內，心在教室外”；在課堂表現方面，由于無法保證讓每一名學生都回答授課教師所提出的問題，部分授課教師利用手機學習通APP搖一搖，隨機抽選學生回答問題，這種方式偶爾使用一下效果不錯，可有效活躍課堂氣氛，但不能作為主要方式；在課后作業方面，通常授課教師對同一專業學生所布置的課后作業是相同的，而作業抄襲現象普遍存在。最終學生的平時成績通常為良好或者優秀，與期末考試卷面成績相差較大，甚至出現了背離。

2 基于現代信息技術的課程教學改革具體措施

2.1 利用智慧教學軟件進一步掌握學情

為了幫助授課教師進一步掌握學情，明確學生是否已具備學習本次課教學內容的基礎知識、方法，了解學習本次課教學內容時學生可能遇到的困難，以自動控制原理課程為例，筆者基于MATLAB研發了自動控制原理智慧教學軟件。

圖1 自動控制原理智慧教學軟件

自動控制原理智慧教學軟件主界面如圖1(a)所示，由五部分構成：學生版課程課件、教師版課程課件、動態演示、課程思政以及課外拓展。學生版課程課件與教師版課程課件是筆者針對學生學習與教師授課分別設計的，其中，學生版課程課件的設計原則是能夠反映學生是否具備學習本次課教學內容的基礎知識、方法以及學習本次課教學內容時學生可能遇到的困難；教師版課程課件的設計原則是有利于引導學生思考并解決不同深度層次的問題。在學生版課程課件界面與教師版課程課件界面中，點擊不同章節對應的按鈕，便可顯示對應的課件，如圖1(b)、圖1(c)所示。

在學生版課程課件界面中，學生可以選擇顯示全部課程課件，也可以選擇只顯示不明白的課程課件。學生在學習過程中，可在不明白的地方，點擊“不明白”按鈕。如果學生通過學習，之前不明白的內容能夠正確理解了，可以點擊“已明白”按鈕，當再次選擇只顯示不明白課程課件時，對應課件內容將不再顯示。軟件自動保存的信息可通過網絡教學平臺發送至授課教師，從而有利于授課教師進一步掌握學情。

在教師版課程課件界面中，與學生版課程課件相同，授課教師可以選擇顯示全部課程課件，也可以選擇只顯示學生不明白課程課件。教師版課程課件界面右上角顯示的數字是根據學生通過網絡教學平臺發送至授課教師的信息統計得到的難度系數，難度系數越高，說明在此頁課件的學習過程中，點擊“不明白”按鈕的學生越多。難度系數為零的課件，在授課教師選擇只顯示學生不明白課程課件時，是不會顯示的。

另外，自動控制原理智慧教學軟件中的動態演示界面由十部分構成，可動態演示曲線的生成以及參數改變對控制系統性能的影響，有效彌補了傳統板書與PPT課件的不足之處；課程思政界面包括我國控制領域專家學者的簡單介紹，授課教師在完成課程內容教學任務的同時，可對學生進行思政教育。比如在講授勞斯判據與奈氏判據時，授課教師可向學生簡單介紹我國科學家謝緒愷教授及其所提出的謝氏穩定判據；課外拓展界面將自動控制原理課程教學與專業課程設計有效結合起來。

2.2 利用智慧測驗軟件加強對學生學習過程的監控與考核力度

為了積極響應教育部號召、加強對學生學習過程的監控與考核力度，以自動控制原理課程為例，筆者基于MATLAB研發了形象直觀、簡潔高效的自動控制原理智慧測驗軟件，包括控制系統概述、拉普拉斯變換與反變換、臨界比例度法等15個不同的專題測驗，涵蓋了自動控制原理教學大綱中要求學生掌握的全部知識點。下面以勞斯判據專題測驗為例，詳細描述如何使用自動控制原理智慧測驗軟件加強對學生學習過程的監控與考核力度。

首先，要求學生利用自動控制原理智慧教學軟件中的學生版課程課件部分，完成關于勞斯判據教學內容的預習。課前十分鐘左右，授課教師利用自動控制原理智慧測驗軟件對學生進行勞斯判據專題測驗，如圖2所示。

圖2 勞斯判據專題測驗軟件

勞斯判據專題測驗軟件主要包括學生學號與測驗密碼輸入部分、學生姓名與照片顯示部分、試題顯示部分、學生答案輸入部分、測驗成績顯示部分以及查看測試反饋結果部分。學生在輸入自己的學號與授課教師公布的測驗密碼后，點擊“確定”按鈕，便可顯示學生的姓名與照片，同時開始答題，如圖2(a)所示。針對每一道題目，輸入認為正確的答案，直至完成測驗后，點擊“交卷”按鈕，便可顯示測驗成績，如圖2(b)所示。測驗成績是嚴格根據期末考試評分標準按步驟得分的，涉及相位角的計算，智慧測驗軟件設置允許誤差為1°，其他統一設置為0.05。

點擊“查看測試反饋結果”按鈕，便可進入查看測試反饋結果界面，學生輸入題目編號后，點擊“確定”按鈕，便可顯示對應題目的出錯信息，如圖2(c)、圖2(d)所示。如果對測驗成績不滿意，可再次點擊“確定”按鈕，重新答題。在重新答題時，題目中的參數均會隨機變化，從而有利于杜絕抄襲現象，最終的測驗成績將作為學生本次課前預習成績。

在專題測驗中所產生的各種數據信息，包括學生測驗成績、測試反饋結果都將以學生學號命名，并通過網絡教學平臺發送至授課教師，授課教師根據測試反饋信息及時調整教學重點與難點并開始授課。在勞斯判據專題的實際教學過程中，筆者發現：學生在包括兩種特殊情況在內的勞斯表計算方面沒有問題，問題集中在勞斯表出現全零行時，學生判斷控制系統在s右半平面特征根的個數時出現錯誤，根據此反饋信息，授課教師及時調整勞斯判據專題的教學重點與難點為：勞斯表出現全零行時控制系統特征根在s平面分布情況說明。

下課前十分鐘左右，利用智慧測驗軟件再次測試，最終的測驗成績將作為學生本次課中學習成績。課后作業部分也通過智慧測驗軟件完成，由于測驗密碼與時間有關，因此，授課教師可以要求學生在規定的不同時間內多次完成不同的課后作業，給學生合理“增負”。比如學習奈氏判據時，可要求學生課后作業需完成勞斯判據、根軌跡分析法、奈奎斯特曲線三個不同的專題測驗，對比學習三種不同的判斷控制系統穩定性的方法；另外，同一專題測驗可以反復測試作為課后作業，以提高學生的計算能力，最終的測驗成績將作為學生本次課后復習成績。

在學生平時成績評定中，筆者降低了平時考勤與紙質作業成績所占比重，加大了測驗成績所占的比重，進而加大了測驗成績在課程總成績中的比重，而且隨著智慧測驗軟件功能的日趨完善，紙質作業將逐步取消。由于智慧測驗軟件自動給出測驗成績與測驗反饋結果，從而將授課教師從作業批改中解放出來。另外，在軟件的研發過程中，由于需要進一步凝練自動控制原理課程的教學內容，在提高授課教師現代信息技術水平的同時，有效提高了授課教師自身教學水平，而學生在使用軟件的過程中，激發了學習興趣，提高了現代信息技術水平。

3 教學改革推廣效果

圖3 控制系統能控性判斷專題測驗軟件

為了將上述教學改革措施推廣至現代控制理論的課程教學過程中，筆者研發了現代控制理論智慧教學軟件與智慧測驗軟件，其中智慧測驗軟件包括控制系統能控性判斷、控制系統能觀性判斷、李雅普諾夫第一法、李雅普諾夫第二法等12個不同的專題測驗，涵蓋了現代控制理論教學大綱中要求學生掌握的全部知識點，如圖3所示。

在2018-2019學年第二學期，未采取上述教學改革措施班級的課程平時成績平均高于卷面成績18.2949分，e為22.6755%，其中e的計算公式如式(1)所示；采取上述教學改革措施班級的現代控制理論課程平時成績平均高于卷面成績6.9623分，e為3.5988%。

(1)

式中：n為學生數目；score1與score2分別為卷面成績與平時成績。當課程平時成績與卷面成績相差不超過1分、e不超過0.2000%時，可考慮改變考核方式。

4 結語

為提高大學課程教學質量，以自動控制原理課程為例，筆者研發了基于現代信息技術的自動控制原理智慧教學軟件與自動控制原理智慧測驗軟件，并將其應用于課程教學過程中。利用智慧軟件教學有利于授課教師進一步掌握學情，加強了對學生整個學習過程的監控與考核力度，而且可嘗試推廣其他課程。