基于SPOC的大學《過程控制系統》課程混合式教學模式研究與實踐

左燕，孔亞廣，郭云飛

（杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州）

一 引言

互聯網和人工智能的快速發展推動社會進入“在線”時代，“互聯網+”這一理念從 2012 提出到如今一直廣受各界關注。 “互聯網+教育”在信息化工業革命浪潮變革和應對全球重大突發事件下優勢逐漸凸顯，極大地拓展了高等教育教與學的界限，塑造了教育新生態，對高等教育影響具有深遠的意義[1]。信息技術與教育的融合再次成為學術界討論的熱點，慕課（MOOC）、翻轉課堂、小規模在線課程（SPOC）等基于“互聯網+”的新的學習方式的誕生，為大學教育的發展之路提供了新的方向。

目前MOOC三大平臺為全球1200多萬學生提供在線課程[2]，但是隨著MOOC平臺上課程數量和學生數量增加，MOOC的完成率或學生的保持率問題難以保證[3]。翻轉課堂采用課前學生自主學習和課堂師生互動學習的教學模式。目前大多數翻轉課堂以觀看微視頻作為前置性學習的重要或全部內容，將講授完全翻到了課堂之外[4]。SPOC是小規模在線課程，是對慕課的發展和補充，是線上學習與線下相結合的一種混合式教學模式[5-6]。在進行SPOC教學設計時，網絡教學平臺作為知識傳授的載體，課堂授課是通過不同的教學方法鞏固知識和培養學生能力。

本文開展基于SPOC的線上線下混合式教學模式，從課程優化設計、混合式教學模式探索和實踐、課程評價和反饋優化三個方面對《過程控制系統》的教學過程進行持續優化，通過積極和建設性的過程將知識的傳播轉變為深度學習，培養學生具備解決復雜工業過程控制工程問題的能力。

二 混合式教學模式設計

（1）混合式教學課程優化設計

首先，設置問卷調查，對授課對象、教學和學習環境進行了解，掌握學生基本情況和客觀環境，為后期混合式線上教學的開展打好基礎。其次，基于OBE理念設計課程目標，根據線上教學特點細化線上教學的教學目標。最后，基于課程目標優化授課內容和課時占比，對課程內容進行重組，按內容細化知識點。同時，根據各知識點的特點合理設計具體的線上教學模式和方法。

（2）混合式教學模式探索和實踐

按照線上教學課程設計，以學生為中心進行混合式線上教學的實施，借助網絡教學平臺、網絡直播軟件等多種互聯網技術，通過慕課、微視頻、網絡直播、翻轉課堂、分組討論和在線測試等多元的線上教學模式開展課堂教學實踐。課前給學生布置學習任務單，引導他們自主學習。課中，通過講課、討論、翻轉等不同教學方式組織實體課堂，增強與學生之間的互動，構建良好的教學氛圍。針對不同的知識點設計混合式線上教學模式和方法，提供豐富的混合式線上教學案例。

（3）混合式教學課程評價和反饋

針對混合式的線上教學的各個環節，制定詳細的評價標準，通過平臺發布提前告知學生，提高學生學習積極性。重視對學生能力和素質的考核，變終結性評價為過程性評價，通過對課前預習、課堂參與度、課后作業或測試成績等多元評價指標作為過程性評價指標，并將評價結果通過網絡實時反饋給教師和學生。實時反饋給學生，對其進行正向激勵，同時幫助教師實時優化調整后續的教學活動。

三 混合式教學模式實踐

（1）學情分析和線上教學前期準備

首先，設計問卷，對學生的個人前期學科掌握程度、以往學習經歷、目前網絡環境和線上教學平臺技術使用的熟悉程度進行了解。隨后，教師對調查問卷進行統計分析，考慮教學的質量和效果，兼顧教育的公平，教師擬定線上教學內容和教學模式并將這些信息公布給學生，并提供線教學平臺的使用方法，讓學生快速熟悉在線學習環境。最后，教師介紹課程特點和目標、學生提問，建立良好的溝通氛圍和方式，激發學生的學習動機。

（2）細化線上教學課程目標

《過程控制系統》課程是高等學校工科專業自動化本科專業中培養學生過程控制工程設計能力和創新能力的一門主干技術基礎課。通過傳授過程控制系統的組成、典型過程控制方案等理論知識，并開展相關課程實驗，達到本課程的課程目標（見表1）。

表1 基于OBE的《過程控制系統》課程目標設計

（3）線上教學課程內容優化分解

線上網絡教學不是直接將線下授課內容通過互聯網媒介轉為線上資源和傳播，它需要對授課內容進行分析重整。根據《過程控制系統》課程目標對授課內容和課時比例進行重新優化，按照模塊細化知識點，同時保證內容的連貫性和整個課程的系統性。根據《過程控制系統》課程特點，將其分解為三個模塊和細化的知識點如圖1所示。

圖1 過程控制系統課程體系和內容模塊分解

在網絡化教學平臺按內容模塊分解和知識點分解結構設計課程目錄，根據模塊細化知識點重新制作基于知識點的課件，及其對應的微視頻（15分鐘左右）。在網絡平臺提供電子版教材、課件、教學參考微視頻、文檔等相關資源。同時需要建設測試題庫，用于檢測學生的自學情況和知識鞏固。

（4）合理布局線上教學方法

課堂上，針對不同的知識點開展線上教學活動。根據《過程控制系統》課程特點和不同線上教學優勢，對應知識點分解和線上教學方法見表2。

表2 過程控制系統知識點線上教學模式

教學過程中按照課程設計，采取課堂授課、翻轉課堂、項目教學等多種教學方法。簡單控制系統設計、檢測變送器和執行器、PID控制器與前期《自動化儀表》和《自動控制原理》課程關聯緊密，具有一定的基礎，采用翻轉課堂教學法。過程對象特性建模理論性較強，采用課堂在線授課為主。串級控制系統、前饋控制系統、均勻控制系統、比值控制系統、選擇控制系統、分程控制系統等復雜控制系統結合課堂在線授課和翻轉課堂教學方法。典型單元設備的控制系統設計包括流體輸送設備、化學反應器、傳熱設備、鍋爐設備和精餾塔設備的控制系統設計采用啟發式教學為主的項目式教學為主。

（5）基于混合式線上教學的模式探索和課堂實踐

教學實施設計按照課堂開展的時間順序，分為課前、課中與課后三個階段：① 課前學習是一種自主性的基礎學習，學生根據老師提供的學習任務單，觀看老師錄制的視頻和課件，完成預習測試題自測，讓學生通過自學能夠掌握基礎的概念和知識。讓學生在學習過程中發現問題，提出問題。② 課中學習是一種探索性的深度學習。課堂上，教師講知識點以及重點/難點/易錯題，并對共性問題進行點評和分析。教師在網絡教學平臺上開展在線測試，根據測試的結果進而調整授課的難度和進度，教師采用隨機點名和在線討論等方式提高學生課堂參與度，讓學生進行思考。③ 課后學習是一種反思性的提升學習。教師課后布置作業，學生通過作業鞏固所需的知識，對知識進行總結和內化，形成知識的反饋。

教學中按課程設計（見表2）采取課堂授課、翻轉課堂、項目教學等多種教學方法。以串級控制系統設計為例，設計混合式網上教學方案。方法如表3所示，具體案例如下：

表3 串級控制系統知識點線上教學案例

1）課前教學活動

① 設問和討論：在上一講（簡單控制系統設計）課后作業第3題（加熱混合反應簡單溫度控制系統設計）基礎上，提出一個開放式的問題：如果控制系統對擾動抑制不夠及時有效，應該采用何種方案改進？學生按小組進行討論，形成各自結論并提交方案。

② 知識點課件和錄制視頻：按照串級控制系統的內容分解為串級控制系統的組成、串級控制系統設計、串級控制系統的應用三個知識點，分別制作對應的課件和錄制視頻，并上傳至網絡教學平臺。學生根據教師提供的學習任務單和知識點掌握要求，觀看網絡平臺上的課件和視頻。

③ 自測和反饋：教師在平臺上布置預習測試題（允許重做1次），學生參與測試并自己發現學習中對知識點掌握的不足之處，重新去觀看學習平臺上的視頻和課件，在此基礎上完成預習測試題。

2）課中教學活動

① 討論和分析：對課前預留思考題展開討論，每個小組由一人負責展示講解控制系統的設計，其余成員則協助解答老師或其他同學提出的疑問，最后形成結論。

② 案例分析：提供兩個案例：(a) 火電廠過熱蒸汽溫度-溫度控制設計；(b) 管式加熱爐溫度控制設計。組織案例學習，讓學生從中歸納總結副變量的選擇、串級控制設計的方法，并提出還可以改進的地方，引導學生反思，讓學生掌握三個能力：串級控制系統分析、設計和應用。

③ 要點講解和在線測試：對串級控制系統的重點和難點進行講解，組織在線測試，指出錯誤較多的地方，讓學生分析原因并找出改正方法，對知識進一步鞏固。

④ 提問和答疑：學生提出問題，大家進行在線答疑。

3）課后教學活動

① 重點/難點/易錯題總結：對串級控制系統中重點、難點和測試中出現的易錯題進行歸納總結，對課堂學生提問和答疑總結，形成文字報告，上傳至網絡教學平臺。

② 練習和作業：布置課后作業和測試，進一步鞏固知識點。

③ 反思和內化：布置后一段的學習任務（前饋控制系統設計），讓學生思考并比較分析反饋控制（簡單控制系統和串級控制系統）與前饋控制的優缺點。

（6）基于混合式線上教學的課程評價和反饋

從知識、能力和態度三方面建立在線教學評價機制，針對學生自覺性不夠、參與度不高和觀看視頻等問題，我們將加大形成性評價力度，該評價方式關注學生線上課程學習的態度、方式、學習記錄等，多種評價相結合，并貫穿于整個學習過程。將學生在線測試成績、項目作業成績、在線討論參與度以及線下課后作業、課堂表現等，作為過程性評價成績，結合課程大綱要求，平時成績占30%，實驗成績占10%，期末考試成績占60%，最終形成學生的課程成績。通過實時數據反饋對學生學習起到正向激勵。

網絡教學平臺能夠提供學生觀看視頻的時間、在線測試成績、提交項目作業、在線討論情況，結合線下課堂表現，課后作業情況的數據。對數據進行分析，借助柱狀圖或曲線圖等多種形式的分析結果可以讓老師掌握學生的學習程度、學習效果，調整后續教學課程的進度、難度。對于普遍掌握程度不好的環節，進行再次講解，投入更多學時。通過了解每個知識點學生的掌握情況，對重點/難點/易錯點在授課前集中講解。

根據每個同學的完成質量，有針對性地對學生開展個性化的教學。建立預警機制，把握班級易掛科的學生名單，實施精準扶貧機制。根據每名學生的具體情況（學習態度不端正、學習效率不高等），采取具體的對策，激發學生的學習熱情，提高學習效率。

四 結語

本文探討了基于SPOC模式下《過程控制系統》課程線上線下混合式教學模式和實踐，通過前期教學課程優化設計、混合式教學模式探索和實踐、后期課程評價和反饋優化三個方面對《過程控制系統》的教學過程進行持續改進。混合式教學模式不僅可以提高教學效果，更能提升學生學習的積極性和創新能力，需要針對《過程控制系統》課程進一步開展更多不同模式的混合式教學探索和研究。