“自動控制原理”混合式教學改革實踐

白圣建， 李興瑋， 曹聚亮， 張 輝

(國防科技大學 智能科學學院，湖南 長沙 410073)

0 引言

國防科技大學的“自動控制原理”課程始設于“哈軍工”時期的導彈工程系，是當時學校面向工程技術類和指揮類學員開設的傳統(tǒng)特色課程。主要講授自動控制理論的基礎知識，鍛煉分析與解決控制工程問題的基本能力，培養(yǎng)以反饋和優(yōu)化為核心的系統(tǒng)觀與思維習慣。

由于繁多的知識點和不斷壓縮的學時，加之控制理論本身具有較強的理論性和抽象性，給該課程教與學帶來較大困擾[1]。

線上線下混合式教學作為信息化條件下面向泛在學習的一種教學組織形式，能夠有效拓展課堂學習的時空邊界，給傳統(tǒng)教學帶來很大活力[2]。近年來，隨著我國高校優(yōu)質(zhì)MOOC的蓬勃發(fā)展，這種教學模式逐漸得到推廣應用[3～4]。但在泛在學習環(huán)境下，單純采用MOOC課程開展混合式教學難以滿足學生的個性化學習需求，需要以多種類型的網(wǎng)絡化教學資源為支撐。本文結合省級精品MOOC和線上線下混合式一流課程建設與教學實踐，從教學資源建設、教學手段更新、考核方式改革和混合式教學實施等方面，介紹一些方法舉措。

1 面向泛在學習，建設多樣化教學資源

在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育模式下，泛在學習打破了傳統(tǒng)課堂教學的時空界限，教室不再是學習知識的唯一場所，紙質(zhì)教材也不再是課程知識的單一載體[4]。尤其是對于成長于網(wǎng)絡時代的“00后”學生，他們的知識獲取方式更加多元化、交流方式更加網(wǎng)絡化、學習需求更加多樣化和個性化。課程組面向學生開展泛在學習的內(nèi)在需求，建成了包括精品MOOC課程、微視頻、教學案例、電子文本資源在內(nèi)的多樣化教學資源。

1.1 視頻資源

視頻資源是學生最為喜聞樂見的教學資源。課程組在精品資源共享課的基礎上，將教學內(nèi)容切分重塑，于2017年在“學堂在線”上線了“自動控制原理”MOOC課程，并配備了大量自測習題。其特點是知識點講解直奔主題、短小精悍，便于學習者快速掌握課程的知識點。但在教學實施過程中，我們發(fā)現(xiàn)MOOC課程尚不足以滿足不同專業(yè)(控制類與非控制類)、不同類別(指揮類與非指揮類)學生的個性化學習需求。近年來，我們接續(xù)錄制了大量Matlab教學微課、典型習題講解微視頻、倒立擺實驗裝置演示視頻等，發(fā)布在Bilibili網(wǎng)站[5]或雨課堂網(wǎng)盤，供學生自主學習。

新冠疫情期間，這些教學資源為開展線上直播教學、線上專題研討、線上翻轉課堂教學等提供了有力支撐[6]。為保障學生返校后開展非集中式課程實驗，我們還事前錄制了課程實驗講解微視頻，發(fā)布在Bilibili網(wǎng)站，供學生課前預習與課上回放參考，有力保障了疫情下實驗教學的順利開設，也為今后繼續(xù)開展線上線下混合式課程實驗奠定了基礎。

1.2 案例資源

類型多樣的視頻資源為學生在課外開展自主學習提供了條件，面向不同專業(yè)學生定制的教學案例則為課堂教學注入新鮮活力。如果把課程知識點構成的框架視為骨骼，那么好的教學案例可視為將其聯(lián)結起來的血肉。特別是那些來源于科研成果的教學案例，是有效融合學科知識、工程實踐和課程內(nèi)容的絕佳載體。

課程依托承研重大科研項目的技術積淀，積極推進科研成果進課堂，將優(yōu)勢科研資源轉化為教學素材，面向飛行器設計、導彈工程等專業(yè)學生，結合某型制導武器研制任務，建設了導彈飛行控制教學案例；面向機器人工程、機械工程等專業(yè)學生，結合RoboCup機器人競賽等活動，建設了機器人運動控制教學案例；面向炮兵工程、仿真工程等專業(yè)學生，結合兩套實驗裝置，建設了火炮隨動控制系統(tǒng)和倒立擺控制系統(tǒng)教學案例。這些教學案例都貫穿了“圍繞一個中心，一縱三橫交錯”的設計思路，一個中心是指單輸入單輸出(SISO)線性系統(tǒng)，一縱是指自動控制系統(tǒng)建模、分析及設計的主線，三橫是指自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性這些性能評價指標。教學案例與課程的核心知識點緊密耦合、相互支撐。融入了帶有專業(yè)背景的教學案例后，課程知識的主干依然如故，然而內(nèi)容更生動、知識更飽滿，工程實踐性更強。

1.3 電子文本資源

我校開設的“自動控制原理”課程以經(jīng)典控制理論為主，還包括計算機控制和現(xiàn)代控制理論的部分內(nèi)容，課程知識點繁多，很容易使學生陷入局部，難以把握整體。為此，課程組經(jīng)過多輪次迭代，分層次制作了課程知識點思維導圖。以圖為綱[7]，繁簡相宜、圖文并茂，貫穿起課程全貌，是學生開展自主學習的“導航器”，深受學生歡迎。

我們將每堂課的主要內(nèi)容梳理出來，以填空題或選擇題的形式制作成隨堂筆記，在課前以卡片的形式發(fā)放給學生，用于課上記錄，以提高課堂學習效率。同時，這也有助于學生課后復習。此外，課程組還將Matlab程序腳本、控制領域經(jīng)典文獻、案例素材等大量文本資源分享在百度網(wǎng)盤。這些多維度網(wǎng)絡化教學資源為學生開展泛在學習提供了有力支撐。

2 瞄準痛點難點，更新信息化教學手段

教學手段是師生間信息傳遞的工具或媒介，大致可分為兩種類型，其一具有專屬性，利于破解課程自身的難點或教學過程中的痛點，例如基于專業(yè)軟件的計算機輔助教學；其二具有普適性，能夠改善或變革教學模式，例如目前正廣泛推開使用的信息化教學手段，讓教學過程留下“數(shù)字痕跡”，為動態(tài)優(yōu)化課程教學提供數(shù)據(jù)支持。

針對“自動控制原理”課程教學內(nèi)容較為抽象的特點，我們引入Matlab、Scilab等專業(yè)軟件，使抽象的計算與設計過程圖形化以便于學生理解；并且還將熟練使用這類軟件的控制系統(tǒng)工具箱作為一項基本技能，要求學生結合線上微課和程序腳本完成自學和操練，為開展課程實驗、專題研討和將來的控制工程實踐奠定基礎。

針對“自動控制原理”課程教學(特別是大班授課)過程中學情信息掌握不及時、不全面，師生交互方式單一的特點，我們將雨課堂應用于每年的10余個教學班次。教師可以借助雨課堂開展隨機點名、互動答題、彈幕交流等豐富的教學活動，還能夠獲取每一名學生在課前、課中和課后的學習數(shù)據(jù)以動態(tài)優(yōu)化教學方法、適時調(diào)整教學進度。并且，還能夠通過手機雨課件向學生有針對性地推送多樣化教學資源，進行個性化輔導。

針對“自動控制原理”課程教學過程中黑板板書較多，學生無法留存回看的痛點。課程組引入與雨課堂兼容的光感應黑板，使黑板板書過程自動生成視頻，無縫嵌入雨課堂教學記錄中。學生可以在移動終端隨時隨地觀看教學課件、板書視頻等整個教學過程。

3 突出過程評價，改革形成性考核方式

考試前突擊復習是大學生們常用的備考形式，容易造成平時不努力、考前“開夜車”的情況；死記硬背的知識考后就忘掉，很難內(nèi)化于心，這顯然不符合認知規(guī)律和教學初衷。我校開設的“自動控制原理”課程，不但包括經(jīng)典控制理論，還包括現(xiàn)代控制理論和計算機控制技術的部分內(nèi)容，知識點繁多，平時不努力就很難取得優(yōu)異成績，這也是造成考核通過率低的重要原因，需要引導學生將功夫用在日常。此外，“自動控制原理”課程雖然提供了大量的網(wǎng)絡化教學資源，但學生線上自學，特別是對非MOOC教學視頻的學習，如果缺少有效監(jiān)督，僅靠學生的自主性仍難以保證學習質(zhì)量。為此，課程組不斷推動形成性考核改革，對學習全過程進行評測。

我們綜合考慮線上與線下、課上與課外、師評與互評，將基于手機雨課件和MOOC課程的課前預習答題、基于雨課堂的課堂互動表現(xiàn)與隨堂測試、基于手機雨課件的課后作業(yè)評價、分組專題研討評價結果、隨堂筆記、課程實驗成績等作為平時成績，將其在總成績中的占比設置為不低于50%(主講教師參考學生建議自主設定比重)，以引導學生把功夫用在平常，扎實掌握課程的每一個知識點。

4 借助智慧教學工具，開展混合式教學實踐

該課程線上線下混合式教學的整體思路是，利用雨課堂智慧教學工具整合豐富的數(shù)字化教學資源，開展“課前引導學生預習、課中引導學生學習、課后引導學生研習”的教學活動，如表1所示。

表1 三階段任務

教學實施過程分為課前、課中和課后三個階段,總體實施流程如圖1所示。

圖1 教學過程三階段

課前，采用手機雨課件整合包括MOOC課程在內(nèi)的多種類型線上教學資源(表2)，通過手機雨課件送至學生的移動終端。學生完成預習任務后，教師根據(jù)學生預習評測和反饋信息，評估學生的預習效果和知識儲備，有針對性地優(yōu)化教學內(nèi)容。(白圣建等文)

表2 “自動控制原理”課程線上教學資源

課中，教師針對不同專業(yè)學生開展案例式教學，通過“課堂隨機點名”、“實時投票答題”、“彈幕交流互動”等環(huán)節(jié)，引導學生積極參與課堂互動，并適時開展專題研討或翻轉課堂教學。例如，在開展專題研討時，教師在課前通過手機雨課件向學生發(fā)送實際工程案例的研究任務，課上的研討過程由各組學生自己組織，教師進行必要的引導。

課后，教師通過雨課堂、微信等工具為學生解疑答惑，在線批改課后作業(yè)，分析學情統(tǒng)計數(shù)據(jù)、改進教學設計，并有針對性地向不同學生推送教輔資料。

實踐證明，基于雨課堂的“自動控制原理”混合式教學實現(xiàn)了教學過程中資源、學習和活動的有效融合，暢通了師生信息反饋通道，將教與學緊密聯(lián)系在一起，有效提升了課堂教學質(zhì)量。三年來，學生開展自主學習的主動性顯著提升，對該教學模式的支持率高于85%，課程考核優(yōu)秀率保持在20%以上，超出傳統(tǒng)教學的考核優(yōu)秀率約10%，課程考核不通過率也有明顯下降。

5 結語

2020年突如其來的新型冠狀病毒疫情迫使諸多高校的課堂教學搬到了網(wǎng)上，高校教師也因應教學需要開展了網(wǎng)絡直播。雖然是應急之舉，但疫情下的線上教學客觀上提升了我國高校教師的信息化教學素養(yǎng)，必將推動信息化條件下的課程教學改革。線上線下混合式教學將會成為高校課堂教學的新常態(tài)。

通過近年來的教學實踐，我們認識到，線上線下混合式教學不但要關注如何“教”，更要關注如何如何“建”，尤其是建設面向學生開展泛在學習的個性化優(yōu)質(zhì)微課資源，它不同于面向社會學習者的MOOC課程，其形式更靈活、內(nèi)容更多樣，尤其突出定制化，這是吸引學生開展自主學習的關鍵。