基于雨課堂的智慧教學設計與應用
——以“自動控制原理”課程為例

李 峰，羅印升，俞 洋，沃松林，曹晴峰

（1.江蘇理工學院 電氣信息工程學院，江蘇 常州 213001；2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

隨著新一代信息技術與教學活動的深度融合，大數據、物聯網、云計算等信息技術已成為智慧教學的一部分。智慧教學是指在教和學的各個環節中，充分運用智慧課堂教學技術，對學習的動態數據進行統計、加工和分析，根據獲取的準確學情，制定教學策略，從而實現課前、課中、課后教學的智能化、創新化、高效化、個性化，讓學生獲得知識和能力的提升，真正實現因材施教和分層教學。

雨課堂作為智慧教學平臺[1]，將復雜的信息技術手段融入PowerPoint和微信，在課外預習與課堂教學間架起溝通的橋梁，為開展智慧教學提供了良好的環境。教師借助雨課堂教學平臺，能夠豐富教學手段、優化教學方法、提升教學效果、把控“課前－課中－課后”的學習過程[2]。

1 智慧教學

1.1 智慧教學的內涵與特征

智慧教學是一種追求創新性和智慧性的教學，其“智慧”主要體現在運用智慧課堂教學技術、構建智慧學習環境以及規劃智慧教學內容、方式和策略，這三個方面既相互區分又彼此聯系。智慧教學的核心可以概括為“三觀三動”。“三觀”指教學目的觀、教學過程觀和教學評價觀[3-4]；“三動”指智慧教學展現力生動、互動、主動三個方面的體現[5]。

相比傳統教學，智慧教學在信息技術與教學融合創新發展上具有如下特點：（1）教學決策數據化。通過對課堂教學中的動態學習數據進行挖掘分析，獲取準確的學情，據此制定教學策略，以提高課堂教學質量和效率。（2）評價反饋即時化。教學過程中，教師為了對學生課堂學習情況進行全面分析，采取動態學習評價，即將學習診斷與評價貫穿課堂教學的全過程，形成即時化的教學評價體系，具體包括課前預習測評、課中實時檢測評價以及課后作業檢測評價[6]。（3）交流互動立體化。在智慧教學中，教師和學生可以借助先進的信息技術手段進行線下信息交流和互動，實現全時空的持續溝通，有助于學生自主學習效率的可控與提升。（4）資源應用智能化。智慧教學平臺為學生提供了豐富多彩的教學資源，學生可借助該平臺自主學習。教師可根據學生的個性特點和差異，有針對性地推送學習資料[7]，從而實現因材施教和分層教學的目的。

1.2 智慧教學設計框架

在智慧教學模式下，教學設計要堅持以學生為中心的教育理念，充分發揮學生在教學活動中的主體作用，滿足學生智慧化、多元化和個性化的學習需求。課前、課中、課后三個階段的教學活動都要體現智慧教學的設計理念，以充分激發學生的主觀能動性，培養其創新思維和創新能力。

本文以“控制系統的數學模型”這一章節中“控制系統的結構圖與信號流圖”的教學為例，基于雨課堂教學平臺，設計了智慧教學框架，如圖1所示。

圖1 基于雨課堂的智慧教學框架

2 智慧教學在“自動控制原理”課程教學中的實踐

“自動控制原理”課程是高等學校自動化類專業、電氣工程及其自動化類以及電子信息類等專業的專業基礎課程[8]，該課程系統地闡述了自動控制的基本理論與應用，包括經典控制理論和現代控制理論兩方面的內容。經典控制理論包括數學模型、時域分析、根軌跡繪制、頻域分析、前饋校正設計以及離散系統與非線性系統分析，現代控制理論主要包括線性系統的可控性、可觀性和李雅普諾夫穩定性判別以及綜合設計。對于經典控制理論和現代控制理論，在控制系統的分析和設計中，首先要建立系統的數學模型。控制系統的數學模型是描述系統內部物理量（或變量）之間關系的數學表達式，常用的數學模型有微分方程（差分方程）、傳遞函數（結構圖）、頻率特性和狀態空間表達式（狀態空間模型）。在經典控制理論的學習中，微分方程和傳遞函數應用最為廣泛，其中微分方程能夠直觀地反映出系統的動態過程。然而，當系統的參數發生變化，微分方程及其求解都會隨之改變。為了分析參數的變化對系統輸出響應的影響，就需要多次重復計算，且微分方程的階次越高計算復雜度也越高。與微分方程有關的另一種數學模型，即傳遞函數，只反映輸入輸出之間的關系，不反映中間變量的關系，它能夠間接地分析系統結構參數對系統響應的影響。

對初次接觸自動控制原理課程的同學來說，在較短課時內要掌握系統傳遞函數的求解是有一定困難的。因此，教學內容提煉和教學模式選擇的重要性就不言而喻。筆者將“自動控制原理”課程中的“傳遞函數”作為教學案例，應用雨課堂開展智慧教學實踐，取得了較好的教學效果。

2.1 教學思路

學生在學習了數學模型基礎和線性系統微分方程的基礎上，已經能夠根據給定的微分方程或微分方程組消除中間變量，寫出輸入輸出變量的微分方程；對于復雜控制系統，往往采用傳遞函數研究系統參數變化或者結構變化對系統動態過程的影響。為了幫助學生更好地理解傳遞函數，將課前、課中、課后三個環節貫穿于教學過程的始終，每個環節都基于教與學的融合，以學定教、智慧發展，共同構成了智慧教學系統可持續發展的過程。

課前階段，教師擬定系統化的教學設計方案是主導，學生的預習解惑體現了自主學習或者合作學習的能力。課中階段，采用創設情景的方式導入教學內容，以激發學生的學習潛能；以多元化的教學方式進行分析和講解，充分利用雨課堂平臺組織學生進行合作交流學習，開展師生之間、生生之間的交流互動，培養學生創新思維和能力，從而實現智慧發展。課后階段，鞏固復習與總結，多元化評價反饋，個性化輔導。

本次課的主要教學目標為：（1）通過案例呈現、問題分析，使學生理解傳遞函數的概念以及物理意義；（2）掌握傳遞函數的建立過程，能夠求解實際系統的傳遞函數，并理解傳遞函數的零極點對系統性能的影響；（3）學會運用疊加原理求解多變量系統的傳遞函數。

2.2 教學過程

2.2.1 課前：資源推送、學情分析、教學設計

良好的課前教學組織是課堂教學有效開展的前提和基礎。智慧教學的課前教學應以學情分析為基礎優化教學設計，以學定教。首先，教師根據教學計劃和教學目標，通過雨課堂平臺將預習資源及時推送給學生。學生可以通過移動設備反復觀看，不斷學習反思。預習資源包括微課視頻、學習課件、網頁、預習測試題等。其次，要求學生在規定的時間內完成預習任務，并通過雨課堂平臺記錄在預習過程中遇到的疑惑和問題；預習結束后，在規定的時間內完成預習測試題，即時得到測試結果。再次，教師根據雨課堂反饋的預習情況進行綜合學情分析，在此基礎上設計合適的教學方案。

2.2.2 課中：導入新課、推送任務、深層交互

課中教學是智慧教學的核心和關鍵，應堅持以學生為主體，教師為主導，以師生深度交流互動為關鍵。雨課堂作為促進師生交流和溝通的有力工具，運用在教學活動中不僅能夠強化課堂交流互動，助力教學目標落實，而且能夠及時獲得學生的反饋信息，提高了課堂的效率和質量。

（1）實際案例導入。由視頻帶入智力競賽搶答情境。在搶答過程中，從選手按動搶答按鈕、數碼管顯示選手編號到蜂鳴器發出提示音，啟發學生思考該過程中三者之間的聯系，從而引出講課內容。

（2）問題分析。為了在互動中激發學生主動思考，培養學生的創新思維和能力，這個環節主要采用雨課堂作答和小組討論作答兩種方式進行教學。在雨課堂中設置三種類型的題目：常識推斷性題，有單選題和多選題各1道；知識點檢測題，為填空題2道；合作探究性題，為主觀題1道。合作探究性題由每組學生開展協作學習，提交成果并展示。基于雨課堂平臺，學生在規定的時間內完成題目作答，教師能夠及時得到作答的數據分析，從而可以有針對性地對重點和難點內容進行精講、點評和總結。

（3）問題解決。分析智力競賽搶答的實際案例，可將按動搶答按鈕看作是輸入，輸出則是選手編號的顯示。基于這一案列，將問題引申為兩輸入兩輸出系統的傳遞函數的求解，引導學生根據單輸入單輸出系統的傳遞函數，畫出兩輸入兩輸出系統的傳遞函數的結構圖，如圖2所示。該問題采用小組合作探究形式，每組通過雨課堂上傳探究結果，教師進行點評，有利于提高學生的合作學習能力和自主探究創新能力。

圖2 兩種教學模式下學生單元測試成績比較

2.2.3 課后：檢測作業、多元評價、個性化輔導

課后教學不僅是對所學內容的總結，也是對學習效果的鞏固和提升。根據課中教學反饋的統計結果，對學生的學習情況進行全面分析，并通過雨課堂平臺有針對性地布置課后作業。在學生解答完測試并提交后，客觀題可以通過雨課堂得到及時的自動批閱和反饋，主觀題需要教師進行批改打分。根據雨課堂的統計數據，教師對學生的課后學習情況有了較全面的了解，可以給出多元評價和層級任務。對于教學內容掌握較好的學生，可以進入復習鞏固環節，以達到反思提高的效果；對于教學內容掌握不是很好的學生，針對每個學生的實際差異性進行個性化輔導，并通過反復練習和鞏固，直至獲得良好的學習效果。

2.3 教學效果分析

為了驗證基于雨課堂智慧教學方案的有效性，在2019—2020學年第二學期，筆者對所任教的大三年級某專業76人進行教學實驗。將76名同學平均分成兩組，一組使用雨課堂教學，另一組采取傳統課堂教學。兩種教學模式下學生的單元測試情況如圖2所示。從圖2可以清楚看出：使用雨課堂教學的學生整體成績明顯優秀；相比對照組，成績在80分以上的同學多8人，70分以下的少3人。因此，可以認為雨課堂在智慧教學中能夠發揮積極作用。

在基于雨課堂的智慧教學模式下，課前學生能夠主動預習，課中能夠交流互動，課后能夠按時完成線上作業，有效激發了學生的學習興趣。課后的問卷調查顯示，94%的學生喜歡這種教學方式。

3 結語

在教育信息化背景下，智慧教學的探索是一個嶄新的課題。本文將雨課堂有機地融入到智慧教學中，堅持以學生為主體，教師為主導，有效把控課前預習、課堂互動以及課后個性化輔導的學習過程，很好地實踐了因材施教、分層教學及綜合素質培養的教學思想，更加注重學生自主探究創新能力和合作學習能力的培養，有效提高了學生的學習效果和教學質量。