基于云控制的閉環OBE在線教學模式探索

李怡然， 夏元清

（北京理工大學自動化學院，北京100081）

0 引 言

2020年初，我國新冠肺炎疫情突然爆發，全國各地中小學、高校為確保師生健康，春季學期不得不延期開學。各高校第一時間作出反應，組織教師進行網絡教學、線上授課。然而，線上授課并不是一蹴而就，而是有長期的實踐積累和廣泛的受眾主體。早在2011年，美國斯坦福大學教授塞巴斯蒂安·史朗把他的人工智能課程放在互聯網上，吸引了來自190多個不同國家超過16萬學生，拉開了在線開放課程的序幕［1］。2015年4月，教育部頒布了《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，我國將在線開放課程上升為教育信息化發展戰略［2］，建設線上開放教育平臺，進行“翻轉課堂”等線上、線下混合式教學。“互聯網+教育”模式既深度適應網絡時代大學生碎片化的信息吸收方式，并充分發揮傳統課堂的場景依賴、師生交流互動“沉浸式”教學的優勢。通過線上學習知識和線下師生交流的相互促進，達到以學生為中心、持續改進、產出教育的OBE教學理念深度實踐。然而，在新冠疫情等突發事件期間，由于學生無法到校學習，混合式教學無法落實線下教學的關鍵一環，不得不造成整個教學過程缺乏課堂交流的困境，使教師無法對實際教學效果進行準確評估。同樣，由于空間隔離，大部分依賴硬件設備的實驗課程難以開展。

隨著國家和各高校都在進一步加大云數據中心的基礎設施布局［3］，各地區、各高校云數據中心的落成和人工智能、模式識別技術的成熟，必將形成“云-網-邊-端”的云計算網絡模式，可以為在線教學的學生行為分析、學生管控、互聯網遠程“云”實驗提供平臺和技術支撐。針對線上授課實踐遇到的實際問題，提出了基于云控制閉環在線教學模式，該模式充分應用云計算、物聯網、人工智能等技術，實現在線授課與課堂授課學生能力培養的實質等效。

1 網絡教育模式的現狀和問題分析

1.1 信息時代MOOE與混合式教育的發展

截至2020年，大學生多是“00”后，他們的成長過程伴隨著我國互聯網發展的黃金10年，大學生思維模式、生活習慣以及學習方法與互聯網無法剝離。在互聯網文化氛圍下，碎片化、趣味化、非格式化的信息交互方式，使大學生知識構建和能力培養過程具有多向傳播性［4］。這對傳統的授課教育模式既是挑戰又是機遇。

近年來，國家政策和投資行業對在線教育支持力度空前，也取得了豐厚的成果。從2017年開始，教育部大力推動國家級線上課程，截至2019年7月，共有12 500門MOOC上線，超過2億人次學習者。到2020年，教育部要認定3 000門國家精品在線開放課程，再認定7 000門線下精品課程，合計推出1萬門國家級一流精品課程［5］。2020年3月底，“猿輔導”在線教育完成了新一輪10億美元融資交割［6］，充分體現了信息時代“互聯網+教育”的廣闊發展前景。

1.2 學生管理模式與師生關系的“云”化升級

在線教育的長足發展，也促進了學生管理模式和師生關系的革命性變化。一方面，隨著微信、釘釘等社交軟件的廣泛應用，老師獲取學生學習效果的途徑更廣；同時，師生的交流也不限于在教室或者實驗室，通過微信等方式，學生可以隨時隨地向老師提問，學習效果的反饋時間大大縮小。通過組建課程群，教師可以隨時分享學習資料，帶動群內討論。學生管理模式和師生關系從以教師為中心的被動式，升級為以學生為主體的自由討論、資料分享和自我管理。

但是，這種線上交流的方式存在一定的弊端：它放大了具有主觀能動性學生的積極性而隱蔽了被動學習學生的惰性，使教學“死角”更加難以發現，而這些“不夠積極”的學生才是教師更應該關注的一部分同學。古人曰“有教無類”，如何在“云”化升級后的師生關系中準確定位并精準扶助這一類“被動”學生，是互聯網教育模式線上授課的新挑戰。

1.3 基于OBE理念的網絡教學困境

根據OBE的理念，教學過程應更關注學生的學習行為、學習效果和能力提升，并據此進行課程持續改進。然而，在線授課由于互聯網天然隔離性，導致教師無法直接觀察學生學習行為并估計學習效果。教師為解決此問題，往往通過精心設計測試題目來對授課內容進行全面考核；學生為完成測試，花費了大量的時間，且很多測試具有重復和冗余性，這給教師和學生都增添很多負擔。這顯然是一種被動的學習模式和教學方法，學生學習效果反饋不及時，甚至實驗等培養學生能力的關鍵教學環節無法實現。

此外，對于自動化等深度依賴設備和物理對象的專業，實驗實踐類課程是達成培養學生解決復雜工程問題能力的重要一環。盡管在各種仿真平臺框架下，能夠建立基于模型和動畫效果的仿真實驗，但距離實際實驗對學生理解問題和能力提升的培養效果差距顯著。實驗課程無法在網絡授課中順利進行，是現階段網絡授課的另一個困境。

綜上所述，疫情下的在線教學區別于混合式教學模式，不再是對于課堂教學的有效補充，而是直接用線上教學實質等效課堂教學。這種教學模式具有“互聯網+教育”廣泛傳播、隨時學習、碎片可用的優勢之外，對教師教學提出了以下挑戰：① 學生監管難度加大，難以進行統一學生管理，“云”化的師生關系掩蓋部分被動學習學生死角，教師難以對其精準扶助；②缺乏有效教學效果反饋機制，課堂反饋無法避免“大時滯”甚至“開環”，學生作業負擔明顯增加；③ 線上仿真實驗平臺無法保障線上實驗課程與線下實驗課程對學生能力培養的實質等效。

2 基于云控制的在線教學新土壤

基于OBE的教學理念可以與經典反饋控制理論進行一一對應：教學的被控對象相當于學生的學習效果，設定值相當于課程目標，信號處理單元相當于學習狀態評價系統，控制器相當于教學過程動態調整，反饋回路相當于學生學習狀態反饋，整個過程如圖1所示。

圖1 基于OBE的教學過程與典型控制結構類比圖

線下授課時，學習效果反饋回路能夠通過教師教學經驗和其他量化考核方式實時進行反饋，根據反饋結果，教師動態調整教學進度和教學方法，最終達成課程培養目標。基于OBE理念的線上授課，對于教師而言相當于將學生學習過程和學生能力達成放在遠端，學習的執行過程和學習效果由于網絡的物理隔離不得不產生延遲。教師的教學過程無法及時根據學生學習狀態進行實時調整。在線教學模式在前向和反饋通路上均形成網絡延遲和不確定性因素影響，如圖2所示。

圖2 基于OBE的在線教學模式課程目標達成閉環示意圖

新一代通信技術、云計算、物聯網技術的快速發展，為設備接入、云端互聯、海量計算和集中管控提供技術保障，形成以云-網-邊-端為架構的云控制系統（Cloud control system，CCSs）［7］，達到集中監管、控制和調度優化的目標，這是在線教學孕育的新土壤和持續發展的技術動力。云控制理論和相關技術已經在工業控制和智能交通等領域得到深入應用并取得一定成效［8-9］。

在教學方面，已有文獻提出基于云的虛擬實驗室，利用云平臺進行資料共享，學生遠程執行實驗任務［10-11］，利用網絡技術和3D建模，實現線上虛擬仿真實驗室［12］，基于圖像處理等技術對MOOC授課過程中的學生聽課行為進行檢測和自動分析。在此基礎上，若深度整合云控制、圖像識別、人工智能等新技術，將學生云端管控和設備管控納入整個閉環控制流程，可以使在線教學形成云端教學資料共享、云端討論、云化師生關系、云端實驗和云端在線學習監管的學生、設備閉環在線教學新模式。通過這樣的在線教學模式，大大減小學習評價時滯和實踐實驗時滯，給教師授課、學生學習雙重減壓，并且通過快速、高效的學習反饋達成師生良性互動，解決學生監管難、學習反饋慢、實踐實驗難以進行的線上教學困境。基于云控制的三端協同學生、設備在環在線教學部署模式如圖3所示。

圖3 基于云控制的三端協同學生、設備閉環OBE在線教學平臺部署模式

3 基于云控制的學生在環在線教學模式

現有的在線教學平臺繁多。有線上教學視頻共享平臺，如中國大學MOOC、超星網絡教學平臺、智慧樹等；有在線直播課程平臺，如釘釘、云班課、騰訊會議、Zoom等；線上教學班級管理平臺，如雨課堂、云班課等［13］。但這些平臺提供的在線教學模式都是開環的，依賴這些教學平臺，教師只能單向發布教學資源，并針對學生課后作業效果或線上交流獲取學生學習效果的反饋。通常，為了彌補面對面授課交流效果，多數教師會引入“前饋控制”，即增加講課詳解內容，加大作業量。這無疑是對學生和教師精力的雙重浪費。

圖4所示為基于云控制的學生閉環在線教學模式，其目標解決以下在線教學問題，以達到教學效果實質等效。①利用學生端攝像頭實時檢測學生狀態，應用人工智能、模式識別等技術方法，融合學生姿態、學習時間、學習環境嘈雜程度等多元異構數據，對學生學習狀態進行評估和預測。② 根據對學生學習狀態的評估結果，動態調整教學過程，對于線上授課方式，可以顯示學生興奮狀態、疲勞狀態、走神狀態學生的百分比，從而提示教師來調整課程進度和休息時間；對于課程視頻錄制的教學方式，給學生進行狀態提示或動態調整視頻暫停時間，將學生學習的總時長作為學習專注度評判依據。③根據學生學習狀態的評估情況，給出課堂表現綜合得分，計入學生總成績，與線下授課的課堂表現得分實質等效。

圖4 基于云控制的學生狀態閉環在線教學模式

通過物聯網和云計算技術解決云端學習狀態監控反饋，并根據教學策略和學生學習狀態調整教學節奏，評價學生課堂表現，實現在線教學內環的實時穩定。將傳統的課堂作業和測試作為評價學生工程知識達成的指標，保證學生知識模塊充分理解吸收的中期穩定性。該學生在環在線教學模式，能夠解決學生監管難、學習效果反饋慢的實際問題。

4 基于云控制的設備在環在線教學模式

在線教學的另一缺陷是由于空間物理隔離，無法進行實驗類教學的實際操作。目前的解決方案是應用虛擬仿真平臺，通過數學模型、動畫仿真的方式進行模擬，由于虛擬實驗平臺本身是人工建模搭建，考慮因素不全面，實驗過程不具備工程問題本身的復雜性，這顯然是無法與實驗室實踐過程實質等效的。

隨著云控制、云計算、物聯網、5G、信息物理系統、數字孿生等技術的發展，工業設備的云控制、網絡化控制已經應用于生產實際，并取得了良好的應用效果［7-15］。將已有的研究成果，應用于實驗教學過程，給傳統的實驗設備增加數字信號網絡傳輸模塊、邊緣規約節點和視頻監控系統［14］，云端部署云控制器架構并添加網絡延遲和不確定性補償則能夠模擬本地控制器的控制效果，配合指導老師在實驗室現場的視頻指導，能夠完成自動化、電氣工程及其自動化等專業核心控制理論、控制算法相關的大部分實驗［16-17］。基于云控制的在線教學實驗平臺實現結構如圖5所示。

圖5 基于云控制的設備在環實驗平臺

通過在云端服務器建立數據庫、控制算法庫等，借助設備管理軟件和學生接入管理軟件的協同管理，彼此相互連接，云端協同管理。實驗室端頂層為邊緣服務器和互聯網通信接口，中層為實驗設備通信和檢測裝置及執行器，底層為被控對象。通過被控對象各個狀態變量的實時檢測經網絡傳輸提交到云端服務器，學生設計控制算法提交到云端，設備管理軟件和學生實驗接入管理軟件協同管控學生實驗順序，同時實驗室的視頻監控設備將同步傳輸被控對象控制效果給學生，使學生能夠達到與實驗室操作相同的效果保證學生完成實驗，并獲得相應的能力培養，達到與實驗教學的實質等效。

基于云控制的設備在環實驗平臺，能夠使學生在完成理論學習的基礎上深入進行實驗實踐學習，達成課程目標。基于云控制的設備在環在線教育模式架構如圖6所示。在學生狀態閉環的基礎上，通過云控制系統架構將實驗設備放到線上，保證學生線上進行實驗，增加外環能力養成環達成培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。通過實驗效果反饋能力達成程度，構建學生中心、問題導向、能力培養、持續改進的在線課堂，進一步推動在線課堂與線下課堂的實質等效。

圖6 基于云控制的學生、設備閉環OBE在線教學模式

5 結 語

信息時代，隨著互聯網、云計算、人工智能等技術深入發展，學生碎片化、多元化思維模式的養成必將推動“互聯網+教育”的革命。2020年初，我國突發新冠大規模公共衛生安全應急響應事件，使學生無法到校學習，催化了在線教學模式落地，迫使高校、教師進一步重視線上教學實質等效課堂教學的實踐落地。現階段的在線教學管理方法僅借助于互聯網平臺的共享功能，并沒有充分利用人工智能、物聯網等技術升級帶來的根本性在線教學模式的轉化。

基于云控制的學生、實驗設備閉環在線教學模式改革，從OBE理念出發，基于云控制系統架構，在學生端增加學生狀態視頻監控裝置和姿態檢測評估器，設計學生狀態反饋環，根據學生個體學習狀態動態調整課程進度并在線評價學生狀態，以達到課堂教學實質等效。增加基于云控制的實驗設備環，學生將設計的算法上傳到云端，通過在云端部署學生接入管理軟件、實驗設備管理軟件，將實時上傳的實驗室設備數據進行計算并下達控制指令完成對實驗設備的控制，幫助學生在家中完成實驗，達成課程目標要求的綜合實踐能力。

基于云控制的學生、實驗設備在環在線教學模式，針對傳統在線教學模式的“大延遲”甚至“開環”問題，通過智能化實時課堂管控和云控制實驗室達到課程的知識能力、綜合實踐能力的雙達成，保障課程目標達成效果，實現學生-教師-實驗室三位一體的云-網-邊-端在線教學，達成學生、實驗設備閉環的在線教學模式，實現與課堂教學的實質等效。