“自動控制原理”線上線下混合教學模式研究

張 倩，張德祥，李國麗

(安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

“自動控制原理”課程，是研究自動控制系統共同規律的一門專業基礎課，為自動控制系統的分析和綜合提供基本理論支持與方法研究。作為電氣工程、自動化、測控等專業在控制理論方面入門性質的專業核心課程，它前承“電路分析”“數字電子技術”“模擬電子技術”等基礎課程，后為“現代控制理論”“計算機控制”“過程控制”等專業課程奠定基礎。因此在教學內容[1]、教學方法[2]、教學形式[3]、工程應用[4]、思政教育[5]等方面均有前沿而深入的研究。目前該課程在教學形式方面的改革多集中在理論課程方面，如：將“MOOC+SPOC”模式與“自動控制原理”課程教學相結合，進行混合教學模式的探索，讓學生更好地理解和掌握相關的理論知識[6]。但相關實驗課程的教學改革受場地、設備限制，存在一定困難。本文在網絡課程內容梳理、實驗線上教學、混合式考核方式等方面進行改進。通過本課程的教學，可使學生獲得扎實的自動控制原理知識，系統地掌握控制系統的基本概念、工作原理及分析設計方法，為識別、表達、分析電氣工程中的實際復雜工程問題并提出有效控制方案奠定基礎。

1 學情分析及教學內容

“自動控制原理”課程一方面教學范圍廣、知識點多、公式計算量大，另一方面與實際系統有緊密聯系[7]。根據我院已有的2012～2018級達成度、學評學、學評教數據分析，學生在學習中普遍存在三類困難：①時域系統分析計算的準確性、快速性；②頻域概念的理解和曲線繪制；③與實際系統的結合以及原有知識體系的貫穿。

從實際問題出發，將工程應用中的建模、分析、設計問題以框圖的形式分解為實際系統、結構框圖、傳遞函數模型、系統時域分析、根軌跡分析、頻域分析、系統校正等內容，以達到“穩、準、快”的指標要求，如圖1所示。分別在圖中標注對應經典控制理論中第一章～六章內容。

圖1 “自動控制原理”教學內容分析(經典控制理論)

該教學內容圖將繁雜的知識點以工程問題的解決為思路，有邏輯的串聯起來，使學生了解各章節內容在實際應用中扮演的角色，增加學習的興趣，提高應用的能力。

2 基于MOOC的線上線下理論教學

近兩年來，MOOC 在全國范圍內崛起，給知識傳播以及高等教育帶來了巨大的變革。隨著互聯網和移動互聯網的普及，我國高等學校也越來越多地采用網絡來進行學術交流和知識傳播。MOOC 教學模式的產生，實現了優秀教育資源的公開化，與傳統的教學模式不同，MOOC 教學模式更側重于模塊化教學，對重點知識進行提煉。

本教學團隊將MOOC 教學模式引入到專業基礎課的教學過程當中，以此作為學生預習、復習的網絡資源。將“自動控制原理”的理論教學內容分解為32個知識點，通過每節課15分鐘的教學模塊進行講授，從而做到重點突出，有的放矢。在MOOC 教學模式下，學生可以根據自身情況有選擇地進行學習，更有利于學習者掌握知識內容。知識點分解對應的章節內容如表1所示。

表1 MOOC課程知識點表

本教學團隊制作的MOOC課程已在安徽省網絡學習平臺上線，如圖2(a)、圖2(b)所示，網址為http://www.ehuixue.cn/index/Orgclist/coursecid=33153與線下教學相比，MOOC課程的內容較為精煉，課件也是針對15分鐘教學時間專門設計、制作，把課程中主要知識點呈現給學生。操作流程如下：

(a)課程封面

(1)在教師講授新課前，會推送學習資源，包括視頻、課件等。

(2)要求學生以MOOC課程資源預習，并以提問的形式進行監督、考核。

(3)課后會在課程網絡平臺上編寫作業題、試題，作業線上提交和批改，覆蓋所有知識點。

(4)定期組織線上單元測試，并提供題庫供學生期末復習，提高同學們的計算能力。這些為學生線上學習提供了學習環境和資源，與線下課堂教學有機結合，達到更佳的學習效果。

同理心對于做好辦公室工作尤其重要，在日常工作中，要有意識地安排一些活動，形成一種氛圍去培養辦公室工作人員的同理心，這有利于我們做好辦公室的工作。但同時，也要正確認識同理心，在合理利用同理心做好工作的同時，也要合理規避同理心帶來的負面影響，加強制度的約束力和執行力。確保同理心能在合適的范圍得到充分的利用，服務于我們的辦公室工作。

3 應用口袋儀器的實驗教學設計

針對疫情期間暴露的線上實驗教學困難的問題，改進現有實驗設施，引入口袋實驗設備，與原有唐都試驗箱、Matlab仿真軟件相結合，形成線上線下實驗教學體系。

口袋實驗室的理念最初由斯坦福大學的Clifton Roozeboom 博士提出。他利用超高密度集成工藝技術將傳統實驗箱的功能集成在一塊如火柴盒大小的線路板上[8]。目前，電氣工程和自動化專業的口袋實驗室多應用于“電子技術”“單片機”等課程[9]。本文在“自動控制原理”課程中引入口袋實驗設備，設計了一階系統時域響應、高階系統穩定分析、頻率特性曲線等六個實驗內容，形成線上線下實驗教學體系。

本實驗選用硬木課堂EPI-m102型口袋儀器，外圍尺寸約20 cm*2 cm*6 cm，內部核心實驗班如圖3所示，與筆記本電腦、臺式機等上位機以USB線連接。

圖3 硬木課堂EPI-m102型口袋儀器

可在實驗課開設前發給學生，學生無需到指定實驗室，可在宿舍、圖書館、自習室或家中進行實驗操作和學習。圖4為學生在寢室，應用口袋儀器進行的一階系統時域響應實驗。圖5為上位機界面截圖。

圖4 應用口袋儀器的一階系統時域響應實驗

圖5 口袋儀器上位機界面截圖

4 線上線下混合式教學考核方式

經過理論和實驗教學線上線下的改革，形成了“自動控制原理”的一套完善的教學閉環——“MOOC平臺預習(線上)→導入新課(線上/下)→講授新課(線下)→習題分析(線上/下)→Matlab仿真(線上)→口袋實驗(線上)/試驗箱(線下)驗證→布置作業(線上)→章節總結(線下)→課程設計(線上/下)→MOOC平臺復習(線上)”。

原理論課程考核方案為總評成績(100%)= 平時成績(30%)+期末考試成績(70%)。其中平時成績的統計較為粗糙，一般根據出勤率和作業完成情況，給出大致評價分數。線上線下混合式教學改革后相應的課程評價方式也應有針對性改進，提出更為全面細致的評價方案。總評成績(100%)= 平時評價成績(50%)+期末考試評價成績(50%)。其中，平時評價成績(50%)=平時常規考核(課前觀看視頻10%+課上簽到考勤5%+課堂互動5%+小測驗10%+作業20%)。理論課程考核方式兩者的區別，如圖6(a)、6(b)所示。

(a)原理論課程考核方式

實驗課程考核方式也由原來單一的操作考核，改進為總評成績(100%)= Matlab仿真實驗(30%)+線下試驗箱操作實驗(40%)+線上口袋儀器操作實驗(30%)，如圖7所示。

圖7 線上線下混合教學實驗課程考核方式

5 教學改革實施成效

線上線下混合教學模式在近三年逐漸推進，從“自動控制原理”理論與實驗課程中學生的成績分布情況，如表2、表3所示?？煽吹綄嵭薪虒W改革后，理論成績逐年提升。實驗課程改革是在2020～2021年推行，可見該學年實驗成績分布較前兩個學年有明顯的優化趨勢。

表2 近三年理論課程分數分布表

表3 近三年實驗課程成績分布表

除以上成績的提高外，近三年，團隊教師指導本科生成效顯著提高：發表/錄用科研論文8篇，其中SCI 源刊4 篇，CSCD 以及中文核心期刊論文3 篇；指導本科生專利申報4 項，其中實審發明專利1 項，授權實用新型專利2項；指導本科生獲各類教學成果獎6 項。

6 結語

本文研究了“自動控制原理”課程的特征和學情，設計并制作了MOOC線上課程資源，引入口袋儀器設備，形成理論與實驗相結合的線上線下混合教學體系，并對考核方案進行改進。未來將深化線上教學改革，推廣MOOC課程資源，收集平臺教學數據，研究出版基于口袋儀器的線上教學指導用書，進一步優化線上線下混合教學體系。由課程改革和實施成效可見，本文提出的教學改革方法可有效提高學生理論、實驗課程成績，并取得較好的競賽、科研成果。