基于雨課堂的系統建模與仿真課程混合教學模式改革

劉雁 寧飛

[摘要]論文在分析了系統建模與仿真課程的內容及特點的基礎上，結合雨課堂的應用領域，提出了課程教學模式的應用方案，分別從學生的參與度、學生的科研能力，以及課程的教學內容、教學方式與考核方式等方面分析了雨課堂應用于系統建模與仿真課程的優化效果。

[關鍵詞]系統建模與仿真;雨課堂;混合教學模式;課程優化

[中圖分類號]G642.421 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2020）05-0053-03

一、系統建模與仿真課程改革的背景

隨著現代教育技術及教育手段的不斷更新和優化，互聯網技術在高等教育改革中發揮了巨大的作用。從2012年開始，面向普通人群的大規模開放在線MOOC（massive open online eotlrses）課程呈井噴式涌現，引起了高等教育工作者的高度重視。但是，隨著這種網絡化學習方式的盛行，學生的學習效果并沒有得到實質性提高，在教學過程中師生互動存在一定困難，學生較難完成知識的深度學習和理解。尤其是對于高校在校學生而言，課堂內的傳統教學更有利于學生學習能力的提高。因此，2013年，?？怂故状翁岢隽薙POC（small pri-vate online COUlee）課程，完美地解決了網絡學習的互動困難，但擴大了傳統課堂知識容量受限的缺陷。隨著SPOC課堂教學方式的發展，高等院校的教學方式也處于不斷的改革探索之中。目前，除了基于MOOC平臺的SPOC翻轉課堂以外，還不斷地發展出了新的基于網絡的教學平臺，如雨課堂、Google Classroom和課堂派等，為現代高等教育注入了新的理念和活力。

為了適應現代高等教育改革以及國內外工程領域發展的需要，我們綜合考慮所教授的研究生課程系統建模與仿真的內容以及學生的理論基礎，引入了清華大學和學堂在線推出的混合式教學平臺雨課堂，利用其網絡在線傳輸功能，完成課前文字資料、視頻的傳輸，課中的實時互動，課后的數據總結等工作。將其作為該課程混合教學模式改革的一項內容，目的是增強課程的教學效果，提高學生的科學思維和自主學習能力，幫助學生加深系統模型概念的認知，使學生能夠選擇合理的方式對系統模型進行仿真分析并應用于工程實踐中。

二、系統建模與仿真課程的內容及特點

系統建模與仿真作為一門研究生公共基礎課，與研究生未來的科研工作緊密相連。課程設置的目的是幫助研究生從宏觀上學習系統的概念、系統模型的特征、系統模型的構建方式以及進行系統模型仿真分析的方法，進而能夠自主設計系統模型，并判斷所設計系統模型的有效性。課程可以幫助學生建立科學的系統建模思維并提供有效而實用的系統建模方法，此類方法現已成功地通過計算機仿真加以實現并用于工程實踐中。希望學生通過課程的學習能夠將工程實踐中的系統和理論模型有機地結合起來，并將理論仿真結果合理地應用于工程實踐中。

這門系統建模與仿真課程主要為非電類專業（以機械和機電類專業為主）研究生開設。為了滿足學生的科學研究和工程實踐需要，內容由淺入深，采用與學科相關的系統模型實例進行分析，幫助學生在學習過程中不斷提高專業興趣，增加科學研究的樂趣，并為日后的研究工作奠定堅實的科學理論基礎和技術基礎。

這門課程主要由以下三部分內容組成：（1）宏觀系統地介紹關于系統、模型以及仿真的相關理論知識;根據系統模型的分類介紹相關的數學變換方法及數學基礎理論;引入一兩種完成系統仿真所需要的工程軟件，如Muhisim、Matlab等。（2）循序漸進、由淺入深地提供相關學科的系統模型，如從開環系統人手，引入閉環系統，并研究不同的閉環控制策略對系統性能的影響，讓學生逐步學會如何實現系統建模、仿真分析及系統設計。（3）根據學生所學學科特點，引入與學科相關的工程系統建模實例，進行課堂討論分析，拓寬學生的研究思路，幫助學生在科學研究中實現有所突破。

三、雨課堂在系統建模與仿真課程改革中的應用

在引入雨課堂之前，系統建模與仿真課程采用的溝通工具主要是電子郵件、QQ以及微信等。其中，電子郵件實時性較差，而QQ以及微信雖然實時性較強，但在課堂互動方面存在一定缺陷，如果信息交流量過多的話，有用的信息可能會被淹沒，教師的主導作用不明顯。因此，采用此類交流平臺主要還是使用其傳遞文件和發布通知的功能，實時的師生交流和教學文件的在線瀏覽存在一定困難。在這種情況下，課程的學習效果會受到一定的影響。而采用雨課堂教學平臺，教師的主導作用明顯，課前、課中和課后師生都可以順暢交流，使用也十分便捷。因此，本課程引入了雨課堂教學平臺，以達到實時傳輸文件及討論交流的目的。

（一）雨課堂的應用特點

雨課堂作為微信中的一個插件，在使用上十分簡單、有效、方便。學生和教師通過掃碼，在微信系統中即可實現實時溝通。雨課堂作為智慧教學平臺，可以提升課堂的教學體驗，使師生之間的互動增加、教學氛圍更為輕松。和傳統課堂以及網絡MOOC課程的單向傳輸授課方式相比，雨課堂適度增加了一些師生互動的元素，例如彈幕、投票、單選題、多選題以及上傳手機課件、試卷與視頻等功能，可以使學生更主動地思考和參與討論。在課堂教學過程中，學生通過手機端隨時可以將聽課意見以及想法反饋給教師，而教師通過監控學生的上課反饋情況，即時查看并統計結果，可以更加有效地調整知識傳授的方式和內容。

（二）雨課堂在系統建模與仿真課程中的應用

系統建模與仿真課程的授課對象是研究生，因此課程內容的設置較為靈活?？梢愿鶕W生的學科以及理論基礎調整需要研究和分析的系統模型。很多相關的研究內容需要在課上和課下及時地與學生交流，而這種交流需要全體選修學生的全程參與。鼓勵學生參與的目的主要有：增加學生科學研究的興趣，激發其研究熱情和向往;拓寬其研究思路，幫助其解決科學研究中遇到的瓶頸問題。

在教學過程中，我們設置了以雨課堂為教學平臺，師生之間完成從課前、課中到課后的多方位溝通的課程教學模式，如圖1所示。

可以看出，在教學實踐過程中，學生不再是被動地接受理論知識，同時也在反饋給教師。而教師首先是在課前傳輸給學生相關的必要的理論預備知識，在課中和課后幫助學生完成系統建模和仿真教學的過程中將收集到的反饋信息經過進一步的加工整理后再傳輸給學生。這一互動過程，不僅僅發生在課堂之上，在課程結束之后還在延續。從這種方式互動中受益的不僅僅是學生，教師也受益匪淺。學生借助平臺的牽引力，或被動或主動地吸收、消化以及將所學到的理論知識應用于系統仿真項目之中，并將系統模型構建的方式、思路以及分析結果反饋給教師。而教師可以結合平臺和現場教學的實時互動結果，及時地掌握學生的學習情況，進而對教學內容和方式進行小幅度的調整和改進，以提升課堂教學和學生學習的效果。

四、雨課堂在系統建模與仿真課程教學模式改革中的應用效果及課程優化

我們從2017年開始將雨課堂平臺應用到系統建模與仿真課程中。經過兩個學年的教學實踐，教學效果明顯，主要從以下幾個方面體現出來。

（一）學生的參與度

采用雨課堂之后，學生對課程的參與度大幅提高。雨課堂與我們日常采用的實時交流平臺的區別在于，它不是單純地完成交流功能，而是充分考慮到教學的需求，尤其是上傳實時項目討論內容、課件和視頻十分便捷，而且雨課堂具有讓主講教師將學生提拔為協同教師的功能。當某個學生作為某個項目的主持或者對某個項目起到主導作用時，即可以從學生的角色轉換為協同教師的角色。此時，教師可以把課堂的主導權轉交給協同教師，以方便協同教師隨時推送自己的課件以及語音講解等相關內容與同學們分享，并進行課題的互動討論。這種方式可以極大地提高學生的參與度。

（二）學生的科研能力

采用雨課堂之后，學生更加主動地參與到項目的思考和研究中，科研思維和能力進步較快。比如我們在介紹連續系統的建模和仿真方法時，首先是推導出系統的數學模型，然后采用Matlab編程或者Simulink構建系統的仿真模型，最后完成系統的仿真分析。由于存在多種方式構建系統的數學模型，如微分方程、傳遞函數、零極點增益和狀態空間模型，系統的仿真模型也存在差異。在研究生的課程教學中，所提出的項目都是開放式的研究項目，教師通常不會限定系統數學模型的類型以及構建方式，學生可以在一定范圍內自由發揮。因此，學生往往會推導出多種形式的模型，如果構建的模型經過仿真論證發現其與教師預設的一致，即可認為正確。但是，也有可能存在教師沒有考慮到的系統模型的仿真結果，這就可能出現不同的結論，這時互動就十分重要。

沒有使用雨課堂平臺之前，學生在有不同想法或者思路的時候，通常會和老師進行單方面的溝通。當然，教師可以與學生分別從數學模型的構建和系統仿真的實現方面進行討論。但是，由于受上課時間和交流條件的限制，一些優秀的設計思路可能會錯過在學生中間的及時共享，其他對項目感興趣的學生也無法深入參與。當“黃金”討論時段（即課內時段）錯過以后，由于相關的文件以及討論觀點沒有以合適的方式傳輸、存儲，學生和教師對于項目分析的敏感度也會有所降低，而且其中細微的缺陷也較難被發現，這樣對提高學生學習能力的幫助就不十分明顯。而引入雨課堂之后，學生無論是在模型構建階段還是在系統仿真階段，一旦有新的思路，即可以借助雨課堂平臺實時傳輸文字、圖形和語音，而對項目感興趣的學生也可以實現同步交流。這種同步互動是不受時間、地點限制的。

現代研究生對于新的、有一定深度的知識具有明顯的好奇心和挑戰欲望，尤其是與其未來事業發展相關的學科知識，他們參與的熱情很高。因此，通常有較多的學生參與到項目的討論之中，而在這一過程中，學生的科研思維和能力都會有較快的進步。

（三）教學內容及方式

系統建模與仿真課程是針對研究生開設的，因而其教學起點較高。學生在學習過程中經常會提出創新類的思路和方法，如果采用傳統的教學方式，教師下課之后往往會忽略甚至忘記相關內容，從而錯過了優化課程教學的機會。但是，雨課堂等在線平臺的產生，可以實時記錄課堂中學生和教師經過思考而產生的新的數學模型、仿真模型和方法，以方便教師在課后進行系統的整理總結，為后續課程的備課提供素材來優化教學內容和教學課件，提高課程的教學效果。

（四）考核機制

課程的考核機制不僅僅是教師需要考慮的事情，學生往往也很關注課程的考核方式，而教師考慮更多的是考核的合理性和公平性。引入雨課堂之前，系統建模與仿真課程的考核方式較為單一，教師主要根據課后的實驗報告和課堂上學生對系統模型的構建和仿真結果以及結果分析給出考核成績。引入雨課堂之后，教師在考核中可以充分考慮學生在課前、課中和課后的活躍度和表現定量地給出考核結果，這樣的考核會更加客觀、合理。

五、總結

經過兩年的教學模式改革實踐，雨課堂平臺在系統建模與仿真課程的教學過程中發揮了很大的作用。在課前，我們預先推送課程學習所需要的預備知識，如Matlab和Simulink的使用方法等，節約了大量的課堂教學時間;在課中，集中精力與學生討論研究系統建模的方法、仿真實現和結論分析;在課后，可以從平臺導出課前和課中的相關數據進行后續項目的深入研究，還可以用于最終的考核。而學生在課前可以利用教師推送的視頻、語音或者文字資料學習相關預備知識;在課堂上可以進行項目研究、設計系統仿真模型并進行仿真分析，還可以與老師和同學利用雨課堂進行在線交流或者線下討論;課后可以進一步完善系統建模及分析工作，也可以進一步完成后期的深入研究討論。

采用雨課堂平臺進行課程教學的每一個環節，學生不再被動地完成理論和實踐知識的學習，而始終作為主要參與者主動地融入整個教學環節之中。在這一過程中，學生可以獲得全新的學習體驗，并最大限度地培養自主學習、創新思維和采用科學方法解決問題的能力。