新冠疫情下《數字控制理論與設計》國際化課程教學改革和探索

摘要：《數字控制理論與設計》是南京航空航天大學自動化專業國際班學生的基礎課程之一。2019年底爆發的新冠疫情嚴重影響了課程的“線下”教學。本文結合實踐教學經歷，分析疫情對國際化課程教學帶來的挑戰，提出“線上+線下”的組合式教學方法。通過教學內容、教學方式和評價體系的調整轉變，有效確保教學質量，最大程度地減小疫情對該國際化課程教學的不利影響。

關鍵詞：國際化課程 在線教學 線上線下融合 數字控制 疫情教學

Teaching Reform and Exploration of <Digital Control Theory and Design> International Course under the Epidemic Situation

ZHAO Zhengen*

（College of Automation Engineering， NUAA， Nanjing， Jiangsu Province， 211106 China）

Abstract： <Digital Control Theory and Design> is one of the basic courses for the international students majoring in Automation Engineering， in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. The outbreak of COVID-19 has been seriously affecting the face-to-face teaching mode of this course. Based on the practical teaching experience， this paper analyzes the challenges brought by the epidemic situation to international curriculum teaching， and puts forward the combined teaching method of "Online + offline". Through the adjustment and transformation of teaching content， teaching methods and evaluation system， we can effectively ensure the teaching quality and minimize the adverse impact of the epidemic on the teaching of the international course.

Key Words： International course; Online teaching; Online and offline integration; Digital control; Teaching under epidemic situation

隨著我國綜合國力和科技實力的增強，高等教育國際化水平不斷提高，每年來華的留學生數量呈現日益增長趨勢，留學生教育已逐漸發展成為我國高等教育的重要組成部分[1]。以南京航空航天大學為例，留學生比例近年來不斷增長，截至2019年7月，共有各級各類留學生1335人，來自全球105個國家，其中本科留學生758人，研究生留學生359人[2]。南京航空航天大學《數字控制理論與設計》國際班課程采用英文教學，主要針對來華留學生。2019年底新型冠狀病毒疫情爆發，嚴重影響該門課程教學的正常開展。受疫情影響，傳統的課堂教學方式和考核形式無法實施，而該門課程理論性強，內容抽象，國際班學生文化知識背景差異大，這對該課程的順利開展提出新的挑戰。

1 疫情下《數字控制理論與設計》國際化課程教學存在的挑戰

由于新冠疫情的爆發，學生之間的差異呈現新的特征：各地區疫情嚴重程度不同、一些學生由于疫情影響無法進行正常的學習和生活; 學生所在地時區不同、最長時差達10余個小時，難以按照學校秋季學期安排的課表進行線上學習;學生所在地的網絡條件不同，一部分學生網絡環境不穩定。這些新情況都給該門課程的課堂教學帶來了挑戰，傳統的課堂教學方式和考核形式無法應對疫情帶來的改變[3]。

1.1 學生教育背景不一

該課程國際班的學生存在文化背景、思維方式、學習態度、學習基礎和語言運用能力等方面的差異[4]。選課學生既包括來華留學生，也包括部分選修該門課程的我國學生（由于疫情，部分該校中外合作項目的我國學生無法按原定計劃出國交流學習）。留學生來源國家廣，遍及各大洲不同地區，教育背景多樣;《數字控制理論與設計》課程屬于自動化、電氣、機械和航空航天等專業基礎課。

1.2 傳統的教學內容無法適應線上教學

該門課程南京航空航天大學國內學生采用的教材為齊瑞云等翻譯的《數字控制系統-設計辨識和實現》。國內自動化專業學生一般在三年級學習該門課程，在此之前，這部分學生已經具備相關知識基礎 （已經選修或必修《自動控制原理》和《復變函數》等課程），因此《數字控制系統-設計辨識和實現》教材不涵蓋《復變函數》的相關知識內容。然而，本校國際留學生本科生培養方案中不包含《復變函數》課程，因此，無法單純采用該教材進行教學。疫情爆發之前，授課教師通常在教案中加入復變函數相關部分基礎知識，引導學生加深對該部分知識的理解。隨著疫情爆發，傳統的課堂教學模式無法適應新的情況，單純依靠教案中的內容無法使得學生很好的掌握該部分內容。

1.3 單一的線上、線下教學無法適應課程需求

一方面，由于疫情爆發，部分留學生無法按時回到我國學習，他們只能在自己的國家接受網上教學。然而，不同國家存在時差，難以協調統一時間進行“線上”教學。另一方面，國內疫情控制已經取得階段性勝利，新學期各高校陸續恢復傳統的課堂教學。2020年下半年，南京航空航天大學已返回校園選修該專業的我國學生更希望接受面對面的“線下”教學模式。《數字控制理論與設計》課程的第一章是離散數學基礎，包括許多理論推導。通常，這些知識最好通過授課教師采用板書方式講述，但部分留學生無法參加“線下”課程。因此，單一的“線上”或“線下”教學方式無法滿足學生的需求[5]。

1.4 傳統的考試評估方式難以實施

《數字控制理論與設計》理論性較強，考核方式以筆試考試為主，主要考查學生對數字控制系統建模、分析和設計三方面內容的掌握情況。以往學生需要在學期結束后參加期末考試并通過，才能取得該課程的學分。然而，由于疫情影響，這一考核方式無法正常實施。另外，由于留學生所在國家疫情嚴重程度和管理政策的差異，留學生的學習情況和心理情況也呈現多樣性的特點，單純以筆試考試的評估方式，無法很好地適應這一新的情況。

2 教學內容改革

2.1 采用英文原版教材和國內教材相結合

雖然國內齊瑞云等翻譯的《數字控制系統-設計辨識和實現》教材具有理論性強、實踐部分多等優點，但適應缺乏控制數學基礎知識的陳述。由M. Sami Fadali等編著Academic Press出版的Digital Control Engineering： Analysis and Design數字控制經典原版教材內容涉及面廣，難度循序漸進，講述通俗易懂，且在教材第二章“Discrete-Time Systems”介紹了差分方程和z-變換的基礎知識，便于引導沒有相關知識背景的學生理解這部分內容。但是，英文教材內容缺乏深度性，也不包括實踐部分。因此，在選擇教學內容時，為了幫助留學生鞏固基礎知識，加強培養他們的實踐能力，筆者結合這兩個版本教材的特點，理論部分刪減英文教材中的最優控制部分內容，實踐部分保留中文教材中的數字控制器設計部分，最大程度貼合留學生這一群體的需求。

2.2 編制合適的教學大綱

為了更好地滿足疫情下課程教學的要求，針對教學內容的調整，作者重新編制《數字控制理論與設計》課程的教學大綱。在教學大綱的編制方面，理論教學部分新增數字控制基礎知識部分教學課時，同時相應縮減數字控制系統穩定性分析等方面的數字控制核心知識點的課時。在原教學計劃中，穩定性分析章節包含勞斯判據、奈奎斯特判據和朱利判據。在新教學計劃中，由于該部分教學課時的縮減，為了最大限度地保證教學效果，重新編排勞斯判據和奈奎斯特判據作為必學內容，朱利判據作為選學內容（因為在實際的控制系統穩定性中，前兩種判據使用更為廣泛）。另外，由于疫情影響，原來的實驗室實驗教學環境無法實現，重點修改了該課程的實驗部分教學大綱：教學大綱改成利用通用的控制系統仿真軟件Matlab實現，學生可以利用自己的筆記本電腦進行實驗，而不需要利用控制實驗箱。

2.3 設計形式多樣的教案

為了適應教學內容和教學大綱的變化，重新準備《數字控制理論與設計》課程教案。在教案內容方面，調整理論教學部分和實驗教學部分。在理論教學方面，新增數字控制基礎知識的課件，重新調整數字控制系統建模、數字控制系統穩定性分析、數字控制系統設計三部分理論內容課件，加強建模—穩定性分析—設計三部分的邏輯關系論述;在實驗教學部分，利用Ocam軟件錄制利用Matlab軟件進行數字控制系統設計的典型案例教學視頻課件，同時配置實驗操作步驟說明課件。為了克服疫情下學生“線上”學習的注意力難以集中的問題，在教案風格上，采用問題式的呈現方式，先給出每個章節主要知識點需要解決的問題，以生動的問題調動學生的積極性和求知欲，再通過知識點內容的闡述，層層遞進地剖析知識點。

3 探索組合式教學方式

疫情不僅對教學構成挑戰，也是推動改革、創新教育理念的契機[6]。單純地采納“線上”或“線下”的教學方式，無法滿足課程需求。建立以學生為中心教學模式[7]，積極推動教與學的互動關系在疫情期間尤為重要。本文探索“線上+線下”組合的教學方式，充分調動網絡資源，增設項目小組學習模式，以最大程度地調動學生積極性，提高教學質量。

3.1 組合式教學方式

疫情期間，國內各大高校通常采用視頻軟件進行直播教學的方式。然而，由于留學生來自不同國家，存在時差和網絡情況不確定的問題，所以無法采用直播方式進行教學。筆者積極調動網絡資源，探索“線上+線下”組合的教學方式。在“線下”教學時采用OCam軟件錄制授課視頻，發布到學校的超星網絡教學平臺，以便不能參加“線下”課程的學生也能感受實時課程情況。課前將重點知識通過網絡平臺發布，以便學生可以隨時下載提前預習。針對網絡情況不確定的問題，筆者授課前準備騰訊會議和ZOOM作為“線上”教學平臺，并提前通過微信群向學生發布直播鏈接。在授課時，根據實際網絡情況進行選擇。為了及時解決學生的疑問，建立班級微信答疑群，以便學生在直播或者錄播學習過程中可以把問題通過文字或者語音的形式發布到微信群。學生反饋的信息也有利于筆者掌握學生不易理解的內容，及時調整授課內容，抓住重點講解，從而提高授課效率。

3.2 適應于組合式教學方式的教學計劃

組合式教學方式要求相應的教學計劃一方面既要根據教學大綱的基本要求，規定學生必須學習和掌握的內容，讓學生掌握課程的基本框架和相關知識脈絡;另一方面又要發揮“線上”教學資源豐富的優勢，增強學生自主學習能力，幫助學生拓展知識面。考慮到《數字控制理論與設計》課程的理論性較強且比較抽象，在以往的“線下”教學時，通常采用和學生面對面交流互動方式講解，以便加深學生對知識點的理解。而網絡課程教學，例如直播教學，尤其是錄播教學，由于教師和學生之間缺乏面對面的交流機制，不利于互動方式的開展。為解決這一問題，借鑒“翻轉課堂”模式（譯自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”），每堂課的教學內容在課前以小項目形式布置給學生，讓學生提前預習項目內容，并分成項目小組。在課程上，除了理論授課時間，剩下的時間由項目小組進行分析討論。充分調動學生主動學習的積極性，讓每個學生都有成為項目組長的機會，每次討論由各小組長組織，并負責匯集討論問題，在網絡微信群分享。在下一節課程開始之前，教師點評上次課程的討論問題，及時解答學生疑問， 并將答疑的視頻和文字上傳網絡微信群以及學校超星網絡教學平臺。

4多層次教學評價體系探索

為應對疫情下《數字控制理論與設計》課程考試考核的難題，筆者探索與疫情下組合教學模式相適應的多層次教學評價體系，包括建立過程考核機制、實行理論考查和課程設計相結合的考核形式，并通過利用網絡平臺數據反饋，對學生學習情況進行評價。

4.1 建立過程考核機制

單一的考試考核無法全面地反映學生的學習水平，尤其在疫情下，這種考試模式很難實現。過程考核機制可以有效克服一次考試的片面性，促進學生對課程知識的融會貫通。在《數字控制理論與設計》的教學實踐中，注入過程監測的評估模式，增加章節考核，把每個章節的學習情況作為學期考核的一部分。這一機制不僅能促進學生及時復習課程學習知識，還能及時反映學生對課程的掌握情況，從而靈活調整教學計劃。為鼓勵學生積極參加課堂討論，將項目組成員的平時表現納入平時成績 （課堂討論采用“線上”課程實時討論和通過微信群等網絡平臺留言方式進行）。

4.2 實行理論考查與課程設計結合

適當減小期末理論考試比重，將《數字控制理論與設計》的數字控制器設計部分從考試中剔除，相關內容通過設置課程設計環節進行考核，兩個環節都給予學生一段時間完成。一方面降低學生期末考試的負擔，另一方面提高學生對課程的理解和應用能力的培養，同時能降低疫情對學生考試的影響。

4.3 統計網絡平臺學習數據

利用網絡學習平臺，統計學生直播學習、錄播視頻學習、答疑討論等環節的學習情況，加強對學生學習過程管理和監測。利用直播平臺的留言和回放功能，統計學生直播學習情況;利用超星網絡教學平臺，統計學生錄播學習情況;利用微信答疑平臺，統計學生對課程知識的理解情況。

4.4 征集學習效果反饋

筆者對“線上+線下”組合式教學方式進行調查，結果顯示總體學習滿意度高。約75%的學生反饋學習效果非常好，約15%的學生評價較好，另外約10%的學生由于當地網絡不穩定，無法及時觀看學習視頻。以上結果與預期相符。由于國外疫情不穩定因素持續存在，應該考慮留學生所在地生活狀況，增加人文關懷，同時探索改進“線上”部分教學模式，保證遠程教學質量，進一步提升組合式教學效果。

5 結語

本文針對疫情下自動化專業國際化課程《數字控制理論與設計》課程教學進行了探索和實踐，在教學方式方面，通過引入組合式教學方法，調整教學計劃，提倡靈活多變的學習模式;在課程評估方面，探索多層次教學評價體系，提高評估的全面性、實時性和有效性。今后將結合留學生和國內學生的需求，進一步探索“線上+線下”組合教學模式，通過教學方式和評價體系的調整轉變，促進教學質量的提升。

參考文獻

[1] 陳宇. 新我國來華留學生教育政策演進研究[D].長春：東北師范大學，2020.

[2] 南京航空航天大學國際教育學院簡介[EB/OL].[2021-05-12]. http：//cie.nuaa.edu.cn/11006/list.htm.

[3] 張琳娜，胡淑婷，羅彥，等.淺談新冠疫情下留學生生理學課程網絡教學[J].教育教學論壇，2020（39）：228-229.

[4]王融，熊智，許睿，等.高等教育國際化背景下來華留學生電路課程教學改革探索[J].科技資訊，2017，15（28）：148-150.

[5] 葛彥，居頌光，張學光.疫情背景下留學生“醫學免疫學課程”教學模式改革的思考[J].我國免疫學雜志，2020，36（18）：2215-2217.

[6]趙繼，謝寅波.疫情倒逼尋找高等教育教學改革突破口[J].我國高等教育，2020（6）：22-24.

[7] 密守軍，劉連喜.在線教學對后疫情時代課堂教學改革的啟示[J].我國信息技術教育，2020（20）：92-93.

作者簡介：趙振根（1989—），男，博士，講師，研究方向為自動控制理論。