“自動(dòng)控制原理”課程混合教學(xué)模式研究

喬學(xué)工，李鵬偉，富立琪，李 旭

(太原理工大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，山西 晉中030600)

0 引言

近年來，教育部在新工科建設(shè)上積極推進(jìn)，先后發(fā)表了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等綱領(lǐng)性文件[1]。為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢(shì)，加快發(fā)展新工科建設(shè)，探索形成具有中國(guó)特色世界水平的工程教育體系，我校啟動(dòng)了新工科背景下的2019版人才培養(yǎng)方案的制訂工作，提出了對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新的要求，同時(shí)也提出了對(duì)當(dāng)下教育體制和傳統(tǒng)教學(xué)模式的挑戰(zhàn)，客觀上要求對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行改變，建立一種符合要求的學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架，以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)需求。混合學(xué)習(xí)模式應(yīng)運(yùn)而生，為我們構(gòu)建這種全新的學(xué)習(xí)系統(tǒng)提供了框架思路和整合模式，而深度學(xué)習(xí)理論的提出契合了當(dāng)今知識(shí)時(shí)代對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的宗旨。

1 深度學(xué)習(xí)理論

1.1 深度學(xué)習(xí)理論提出

美國(guó)學(xué)者Ference Marton和Roger Saljo，針對(duì)學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的孤立記憶和非批判性接受知識(shí)的淺層學(xué)習(xí)(surface learning)，同時(shí)又借鑒布盧姆認(rèn)知維度層次劃分理論，在1976年首次提出了深度學(xué)習(xí)(deep learning)[2]。認(rèn)為學(xué)習(xí)不僅是個(gè)體感知、記憶、思維等認(rèn)知過程，也是根植于社會(huì)文化、歷史背景、現(xiàn)實(shí)生活的社會(huì)建構(gòu)過程。此后，許多研究者開始關(guān)注深度學(xué)習(xí)，近年來，深度學(xué)習(xí)愈來愈受到更廣泛關(guān)注，2006年，加拿大多倫多大學(xué)Hinton 教授和他的學(xué)生Salakhutdinov在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇關(guān)于深度學(xué)習(xí)的文章，開啟了21世紀(jì)深度學(xué)習(xí)在學(xué)術(shù)界的浪潮。

1.2 深度學(xué)習(xí)理論特征

1)注重知識(shí)學(xué)習(xí)的批判理解

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)新知識(shí)和思想要批判性地學(xué)習(xí)，對(duì)任何學(xué)習(xí)材料采用一種批判或懷疑的態(tài)度，批判性地看待新知識(shí)并深入思考，并把它們納入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

2)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)內(nèi)容的有機(jī)整合

深度學(xué)習(xí)提倡將已知概念與新概念和原理聯(lián)系起來，再進(jìn)行整合，充實(shí)到原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，從而引起對(duì)新的知識(shí)信息的理解、長(zhǎng)期保持及遷移應(yīng)用。

3)著意學(xué)習(xí)過程的建構(gòu)反思

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者主動(dòng)理解和判斷新知識(shí)，運(yùn)用原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)新概念或問題進(jìn)行分析、鑒別、評(píng)價(jià)，建構(gòu)新知序列，不斷對(duì)自我建構(gòu)結(jié)果審視反思。

4)重視學(xué)習(xí)情境的遷移運(yùn)用

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者深入理解學(xué)習(xí)情境，既可以在相似情境中對(duì)關(guān)鍵要素的判斷和把握做到“舉一反三”，也可以在新情境中分析判斷差異并將原則思路遷移運(yùn)用。

1.3 深度學(xué)習(xí)理論路線

深度學(xué)習(xí)路線DELC(Deeper Learning Cycle)也稱“深度學(xué)習(xí)環(huán)路”，是一種包含腦研究、標(biāo)準(zhǔn)和個(gè)體學(xué)習(xí)差異在內(nèi)的教學(xué)模式，幫助學(xué)生加深理解知識(shí)并培養(yǎng)批判性思維，而作為教學(xué)實(shí)施指導(dǎo)，可幫助教師更好地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)自主探究合作的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。

2 基于DELC的 MOOC 平臺(tái)混合教學(xué)模式

2.1 混合學(xué)習(xí)理論

混合學(xué)習(xí)根據(jù)“混合”方式不同可以分為以下幾類：

不同學(xué)習(xí)理論的整合包括建構(gòu)主義、行為主義和認(rèn)知主義；

學(xué)習(xí)環(huán)境的整合包括傳統(tǒng)課堂、在線學(xué)習(xí)；

學(xué)習(xí)方式的整合包括接受學(xué)習(xí)、自主探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)、網(wǎng)上學(xué)習(xí)和網(wǎng)下學(xué)習(xí)、同步學(xué)習(xí)和異步學(xué)習(xí)；

學(xué)習(xí)資源的整合包括傳統(tǒng)媒體資源與網(wǎng)絡(luò)化或數(shù)字化媒體資源；

學(xué)習(xí)參與者的整合包括學(xué)習(xí)者、教師、專家和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。

多種形式的整合目的是“取眾家之所長(zhǎng)”，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者的有效學(xué)習(xí)。

南國(guó)農(nóng)先生在總結(jié)我國(guó)教育信息化發(fā)展的新階段時(shí)，提出“把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢(shì)和數(shù)字化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，使兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能獲得最佳的學(xué)習(xí)效果”。Bonk Curtis J.將混合學(xué)習(xí)定義為“面對(duì)面教學(xué)和在線學(xué)習(xí)的結(jié)合”(a Combination of Face-to-face Instruction with Online Learning)。混合學(xué)習(xí)形式上看起來是傳統(tǒng)的線下教學(xué)和數(shù)字化學(xué)習(xí)的結(jié)合，但這種結(jié)合并不是機(jī)械式疊加，而是教育信息化進(jìn)程中的必然產(chǎn)物。混合式學(xué)習(xí)體現(xiàn)了既是以學(xué)生為主體，又是以教師為主導(dǎo)的雙主體教育思想，強(qiáng)調(diào)教和學(xué)高度融合的教學(xué)模式，注重師生之間課堂教學(xué)的有效交流和在在線學(xué)習(xí)中對(duì)所學(xué)內(nèi)容的自我建構(gòu)。

2.2 混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

深度學(xué)習(xí)路線(DELC)作為建構(gòu)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架的指導(dǎo)理論，將MOOC教學(xué)和傳統(tǒng)線下教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合[3]，促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的，如圖1所示。

圖1 基于DELC的MOOC混合教學(xué)模式

1)深度學(xué)習(xí)路線(DELC)指導(dǎo)MOOC混合教學(xué)模式

在基于深度學(xué)習(xí)理論的混合學(xué)習(xí)框架中，DELC作為開展混合學(xué)習(xí)活動(dòng)的理論基礎(chǔ)，以“課程目標(biāo)教學(xué)準(zhǔn)備”“預(yù)測(cè)評(píng)估”“營(yíng)造環(huán)境”“預(yù)備并激活先期知識(shí)并獲取新知識(shí)”“深度加工”“學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)”六個(gè)方面為主線。

混合式教學(xué)將“以教師為中心”的傳統(tǒng)線下課堂轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處煘橹鲗?dǎo)-學(xué)生為主體相結(jié)合”的教學(xué)模式，對(duì)教師教學(xué)提出了既要關(guān)注“如何教”，更要關(guān)注“如何促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)”的要求，因此在線上和線下的教學(xué)環(huán)節(jié)上必須科學(xué)地設(shè)計(jì)，并合理分配教學(xué)內(nèi)容。

“自動(dòng)控制原理”作為電子信息類、測(cè)量?jī)x器與控制工程類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和綜合性，該課程的核心知識(shí)——系統(tǒng)及反饋的概念、原理、分析方法等內(nèi)容不僅是控制系統(tǒng)的基本知識(shí)，也是科學(xué)方法論的重要構(gòu)成[4]。因此該課程的教學(xué)目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制理論相關(guān)知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生具備分析問題和解決問題的能力。下面以“控制系統(tǒng)穩(wěn)定性”一節(jié)的混合式教學(xué)為例，具體說明如何借助于 MOOC 平臺(tái)進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。

2)教學(xué)準(zhǔn)備

在混合教學(xué)實(shí)施前，需要對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程完成下面教學(xué)準(zhǔn)備工作。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，在MOOC平臺(tái)選擇了由北京交通大學(xué)程衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)主講的“自動(dòng)控制原理”；

根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，制作微課視頻，上傳課件；

編寫作業(yè)題、單元測(cè)試題、結(jié)課試題，內(nèi)容基本上覆蓋了所有知識(shí)點(diǎn)；

發(fā)布學(xué)習(xí)資源，包括視頻、課件、作業(yè)題、單元測(cè)試題，為學(xué)生線上學(xué)習(xí)豐富學(xué)習(xí)資源。

3)線上教學(xué)環(huán)節(jié)

(1)課前布置問題，要求學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)；

(2)學(xué)生在線觀看視頻，完成主要知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)；

(3)線上組織大家討論、幫助答疑解惑；

(4)要求學(xué)生線上完成作業(yè)及測(cè)試，檢驗(yàn)和鞏固所學(xué)知識(shí)。

在混合教學(xué)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的就是要科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，合理分配線上、線下教學(xué)內(nèi)容。例如，時(shí)域分析法中基本知識(shí)點(diǎn)“控制系統(tǒng)穩(wěn)定性”學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生線上觀看教學(xué)視頻完成。但是，在學(xué)生線上學(xué)習(xí)之前，預(yù)先要給學(xué)生布置相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的問題，讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，在討論區(qū)還要回答布置的問題(促學(xué)的措施之一)，所以學(xué)習(xí)效率相對(duì)較高。學(xué)生獨(dú)立完成線上學(xué)習(xí)任務(wù)，這個(gè)過程中學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生，充分培養(yǎng)和訓(xùn)練了學(xué)生學(xué)習(xí)能力。此外，通過線上的單元測(cè)試可檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的情況，設(shè)置互評(píng)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和分析問題能力。對(duì)于沒有掌握好的知識(shí)點(diǎn)，通過在線答疑得到解決。

4)線下課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

(1)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)；

(2)綜合例題講解；

(3)擴(kuò)展知識(shí)講解，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)；(啟發(fā)、引導(dǎo)創(chuàng)新性思維)

(4)學(xué)生分組討論。

針對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行擴(kuò)展知識(shí)講解，不是傳統(tǒng)課堂教學(xué)活動(dòng)的照搬，而是對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行深度解析導(dǎo)入，讓學(xué)生對(duì)穩(wěn)定性有更深入的理解。重點(diǎn)解析穩(wěn)定性充分必要條件、Routh判據(jù)的提出過程、前人分析問題、解決問題思維方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思維，最終定位在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題能力、自學(xué)習(xí)能力和科學(xué)思維分析方法的能力，而不是單純地集中在知識(shí)積累上，它是對(duì)整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的升華，亦是對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體措施之一，符合新工科背景下人才培養(yǎng)的要求。

下面針對(duì)擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步分析：

(1)由穩(wěn)定的充要條件得到: 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵是找到閉環(huán)特征根。

(2)求閉環(huán)特征根最直接的辦法是求解閉環(huán)特征方程。系統(tǒng)閉環(huán)特征方程如下式所示。

D(s)=a0sn+a1sn-1+…+an-1s+an=0

一百年前計(jì)算機(jī)尚未問世，當(dāng)時(shí)使得求解高階代數(shù)方程的根并非易事，這時(shí)候我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題：如果系統(tǒng)的閉環(huán)特征根得不到，時(shí)域分析法將失效。(發(fā)現(xiàn)問題)

(3)那么是否存在可以不求解閉環(huán)特征根就能判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢？(提出問題)

(4)答案是(引出Routh判據(jù))E.J.Routh提出了根據(jù)特征方程系數(shù)來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，即Routh判據(jù)。

(5)當(dāng)年E.J.Routh是如何給出的Routh判據(jù)? Routh判據(jù)又是如何解決了不求解高階系統(tǒng)閉環(huán)特征根，就能判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性呢(尋求解決問題的方法)？

(6)引導(dǎo)學(xué)生按照前人的思路逐步分析：通過系統(tǒng)閉環(huán)特征方程式，得到勞斯表，利用勞斯判據(jù)，如果勞斯表中第一列元素都大于零，閉環(huán)特征根都位于S平面左半平面，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)在S平面右半平面特征根的個(gè)數(shù)等于勞斯表中第一列元素符號(hào)變化的次數(shù)，這樣通過勞斯表的方法就可以方便地找到系統(tǒng)所有的閉環(huán)極點(diǎn)在S平面的位置。這正是E.J.Routh的創(chuàng)新性所在，也是他的最大貢獻(xiàn)，這種分析問題和解決問題的方法堪稱創(chuàng)新性的思維，值得現(xiàn)代人借鑒。

(7)進(jìn)一步升華：現(xiàn)在我們擁有了功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，再難的方程都可以求解，但是前人所給出的這種思維分析方法對(duì)我們的研究工作仍然有著重要的借鑒和指導(dǎo)意義，這一點(diǎn)也正是我們重點(diǎn)講給學(xué)生的，也是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性教學(xué)過程中的“高潮點(diǎn)”，好比種下了一粒創(chuàng)新思維的種子，在未來的學(xué)習(xí)和研究工作中它會(huì)遇緣而破土發(fā)芽，結(jié)出創(chuàng)新之果。對(duì)于本科教學(xué)而言這才是真正意義下的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了“教育的目的不是學(xué)會(huì)一堆知識(shí)，而是學(xué)會(huì)一種思維”。

3 結(jié)語

今年，由于受新型冠狀病毒感染肺炎疫情的影響，學(xué)生無法正常到校，教育部提出“保證疫情防控期間高校教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量”的有關(guān)精神，要求采取政府主導(dǎo)、高校主體、社會(huì)參與的方式，共同實(shí)施并保障高校在疫情防控期間的在線教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”目標(biāo)，這學(xué)期在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中，混合學(xué)習(xí)模式作為建構(gòu)學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架的指導(dǎo)理論，將DELC 作為具體開展混合學(xué)習(xí)的實(shí)踐性指導(dǎo)，將傳統(tǒng)教學(xué)和在線教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，同時(shí)還制定了疫情防控期間在線教學(xué)實(shí)施方案，經(jīng)過1個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)采用這種混合學(xué)習(xí)的方法大大提高了學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，成績(jī)有了顯著地提高。