線上線下混合“計算機控制技術”教學改革

黃江茵

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024)

0 引言

在自動化專業中，“計算機控制技術”是一門核心主干課程[1]。該課程要求學生在掌握系統特性分析的基礎上，針對控制需求設計離散控制器，并在計算機上編程實現。傳統上，該課程的教學是由理論授課環節輔以仿真控制實驗環節構成，但在新冠疫情的影響下，首次采用了全線上教學模式進行授課。雖然采用騰訊會議、雨課堂[2]、慕課相結合等線上教學模式及時彌補了疫情期間無法線下集中授課的不便，但依然存在著不少局限性，如難以保證聽課效率、難以及時了解反饋、難以充分調動學習積極性和綜合評價學習效果等問題。同樣，傳統的純線下教學環節也存在著自身的弊端，如授課方式單一[3]、信息共享薄弱、實踐環節受實驗室條件制約較大等。本文探索了一種針對“計算機控制技術”課程的線上線下混合式授課方式，旨在取長補短，提升教學效果。

1 混合教學模式設計

傳統線下教學模式的優點在于能夠通過板書推導詳細講解核心知識點，可直觀感受到學生的掌握情況并及時調整授課節奏，也能夠通過隨堂小測、提問討論等使學生的注意力集中在課堂之上。但由于授課手段較為陳舊，大量的理論知識容易造成學生的注意力下降，也不利于培養學生主動研究探索的良好習慣。線上教學則能夠對這些不足加以彌補，教師能夠通過線上授課平臺分享大量學習資源，運用平臺自帶的多種類型課堂互動形式活躍課堂氣氛，提升學生的參與度，從而調動學生的學習熱情。為了更好地做到線上線下教學模式融合，取長補短，最大程度完善課程教學，首先應對本課程的核心知識點進行梳理，設計詳細的教學方案。

1.1 線下教學環節設計

按照教學大綱，“計算機控制技術”課程共56學時，其中48個理論學時，8個實驗學時。課程的核心知識點主要包括：Z變換與Z反變換、差分方程與脈沖傳遞函數計算、數字控制器的連續化、離散化設計方法及其編程實現、數字程序插補技術等[4]。各知識點涉及的理論和公式較多，為保證學生充分掌握Z變換相關知識點，為數字控制器的設計奠定良好的基礎，上述知識點均通過線下授課環節進行講解。考慮到后續將通過線上環節加深學生對知識點的掌握，并引入企業控制器設計施行案例，強化訓練學生的控制器程序設計調試能力等，在不改變課程總學時的前提下，將線下線上授課比例調整為各50%，即28學時線下理論授課環節，28學時線上能力提升環節。在28學時的線下授課環節中，教師需要加快授課進度，要求學生做好課前預習和課后復習工作，刪減理論過于老舊的、實踐性較低或者與其他課程重復的知識點，提高授課效率，要求學生在短時間內高效掌握課程所有理論知識，為后續以控制器設計實踐為主的線上教學環節奠定足夠的理論基礎。

1.2 線上教學環節設計

如前文所述，線上教學環節共安排28學時，授課目標為配合線下教學環節，運用平臺軟件全方位衡量學生的學習情況；強化學生的數字控制器設計和編程實現能力，并引導學生通過接觸企業主流控制器設計技術，了解不同企業生產線的應用。根據這個目標，線上授課內容為指定典型工業對象模型，設計多種數字控制器并編寫程序實現，對比控制效果；通過網上調研、視頻共享、分組答辯等形式，了解高新企業的智能生產線系統，討論控制需求和可用技術；邀請校企合作企業導師參與在線課堂，通過視頻方式提出企業亟待解決的控制難題，引導學生設計可行解決方案，并進行線上討論。

2 實施過程與效果分析

線上線下混合式“計算機控制技術”課程授課過程中，主要采取兩種模式交叉遞進的形式進行授課。其中，線下授課與傳統授課方式相比，除了根據前文所述精簡授課內容，加快授課進度外無太大的變動，故本文以下部分著重對線上授課環節進行闡述。

2.1 線上授課模式實施過程

首先，為了保證學生在較短的線下授課環節中高效消化核心知識，每堂線下理論課前，均通過我校網上課程中心教學平臺發布配套PPT、視頻資料，并布置思考題，要求學生通過自學基本掌握上課內容；每堂線下理論課的課后，均開放2小時針對該堂課的在線答疑和討論，并將提問、討論的參與度作為期末總評成績考察的重要組成部分。圖1為在線上課程中心發布的課前學習指導，通過文檔、PPT和視頻資源幫助學生梳理課堂核心知識點；圖2為課后答疑記錄，學生可在該平臺上提出疑問，教師和其余同學均可在線回答，參與討論。

圖1 線上課程中心學習指導

圖2 線上平臺課后答疑記錄

隨后，要求學生在掌握理論知識的基礎上，針對指定工業典型二階、三階系統，分別設計并編程實現數字PID控制器、最少拍控制器和Smith預估控制器，對比分析控制效果，給出改進方案。作為能力提升訓練，要求學生利用課余時間設計一個綜合應用小軟件，可根據系統參數，自動設計上述幾種數字控制器，給出控制器模型，并根據工程經驗或者被控對象模型自動整定參數，給出模擬控制效果。本部分線上環節共分配12個學時，旨在幫助學生鞏固課程核心知識點，熟練掌握根據被控對象模型、控制需求設計不同類型數字控制器的步驟，同時強化訓練學生的編程能力和設計綜合應用軟件的能力。

緊接著，充分利用線上教學模式信息資源豐富、易分享、不受授課場地和實驗室條件制約的優勢，對傳統的僅基于Matlab和簡單被控對象進行的實驗仿真課進行深化和擴展，增設2～3個企業常用主流建模、控制器設計軟件介紹和使用授課環節。配合軟件教學視頻和在線說明文檔等，讓學生通過了解和熟悉這些軟件，深化控制系統的運行概念，梳理知識脈絡。本部分線上環節共分配8個學時。圖3為采用Cimatron軟件進行生產線模擬的在線學習分享界面。

圖3 Cimatron軟件在線學習分享

最后，針對培養創新應用型人才的最終目標，線上授課環節將邀請與學校有緊密校企合作的工程師、本校本專業畢業生作為企業指導教師，在征得企業同意的前提下，用網絡視頻方式，介紹某一典型工業控制實例，并提出若干個亟待解決的控制技術問題，學生根據企業指導教師的介紹，通過課余查閱資料、整合所需知識等方式給出可行方案，最終通過PPT答辯形式完成方案介紹和論證，企業指導教師根據答辯表現和方案可行性給出評價，該評價同樣作為課程總評成績的一部分。本部分線上環節共分配8個學時。圖4為校企合作企業提供的機器人焊接生產線視頻。

圖4 焊接機器人生產線視頻資料

2.2 學生成績綜合評價方案

傳統的純線下教學模式，學生成績綜合評價一般由30%平時成績與70%期末卷面分構成。在線上線下混合教學模式下，由于顯著提高了學生線上聽課的參與度和工作量，對學生的日常表現、核心知識掌握度和實踐應用能力都有了更高的要求。相應的，應該制定一套針對混合教學模式的學生成績綜合評價方案，弱化期末考試卷面分占比，提升線上環節參與度、完成度的考評占比。經過綜合考量，將考評方案調整為：平時表現占比60%，期末卷面占比40%；其中，平時表現由課程平臺課前預習、課后答疑參與度、控制器設計環節表現、主流控制軟件應用能力、企業工程問題分析與解決能力構成，每項占比基本均衡。

2.3 教學效果分析

經過一個教學周期的改革，結合在線授課平臺給出的綜合數據、企業指導老師和學生反饋以及最終考評成績分析，線上線下混合式教學的“計算機控制技術”改革獲得了良好的效果。首先，線下教學環節精簡了老舊、理論性過強或實踐性過低的內容，剩余內容均為課程核心知識點，且與后續設計環節緊密相扣，加快了授課進度，使學生意識到配合線上教學平臺進行自學、答疑的重要性，平臺數據顯示，改革施行前后，平臺的訪問人數由不足每周20人次，上升到每周100人次以上，學生提出的問題也更加有廣度和深度。其次，線上授課環節較大地提升了對學生實際掌握控制器設計步驟和技術的考察要求，學生通過逐一答辯形式接受教師提問，對被控對象分析、控制器設計有了更系統全面的認識。

3 結語

在我校加大力度培養創新性應用人才教學目標的背景下，本文探討了一種線上線下混合式教學的“計算機控制技術”課程改革手段。首先通過提煉課程核心知識點、構建網上教學平臺資源庫等手段加快線下環節的授課進度，隨后采用線上教學模式，配合常用線上教學軟件，增大實踐類線上課程的學時比例，強化學生對自動控制系統的綜合分析、設計能力，通過邀請企業工程人員擔任線上指導教師，幫助學生進一步了解課程知識的實踐應用領域，培養解決復雜工程問題的能力。最后，通過調整課程評價體系，對學生的表現和能力進行了更加客觀的綜合考量，達到提高學生學習效率的效果。實踐結果表明，通過實施該混合式教學方法以來，有效促進了學生的學習積極性，提升了學生查閱資料、迫切求教的主動性，課程考核結果也體現出了較好的成績。總而言之，采用線上線下混合式教學方法，獲得了學生的一致好評，為后續進一步優化授課策略，全面提升學生綜合專業能力奠定了良好的基礎。