“自動控制原理”線上線下混合式教學改革研究

李小真，劉忠超，翟天嵩，蓋曉華

（南陽理工學院 智能制造學院，473004，河南南陽）

自動控制原理課程相關知識應用于生活的許多領域，例如人造衛星、軌道交通、計算機等，其在考研專業課中也占有一定的比重。而該課程理論性較強、知識過于抽象，要點晦澀難懂，對學生的學習能力要求比較高[1-2]。在傳統教學中教師通常采用板書、使用PPT 輔助講解，結合課下布置作業形式，這種模式的學習不利于應用型本科專業人才的成長。為了調動學生的學習興趣，提高學生的自主學習能力，需要對傳統的自動控制原理課程教學模式進行改革[3-4]。

線上線下混合式教學作為信息化背景下一種新興的教學模式，拓展了教學的廣度和深度，給教學增添了許多新鮮活力[5-6]。以互聯網為媒介，將傳統教學與網絡教學的優勢融為一體，逐步成為國內高校教學改革新方向。本文介紹了自動控制原理課程基于超星學習通的線上線下混合式教學模式，目標是讓學生掌握控制系統知識及其應用，為培養專業性技術人才奠定基礎[7]。

1 自動控制原理課程任務及目標

自動控制原理課程是南陽理工學院電氣類、自動化類、電子信息的專業基礎課程。本課程主要通過課堂教學，使學生掌握經典控制理論的分析方法，為控制系統的分析和設計提供必要的理論基礎和方法。重點解決控制系統建模、系統性能分析、系統校正等理論基礎問題，包括控制系統的時域、復域、頻域的數學模型，線性控制系統的時域分析法、根軌跡法和頻域法。

“自動控制原理”的課程目標根據該課程所支撐相關專業的畢業要求觀測點進行設計，其畢業要求對應的是工程知識和問題分析。以自動化專業為例，2021版教學大綱將課程目標分為以下2 個：目標1 是能夠利用自動化學科基礎知識和專業知識推演控制系統的數學模型；能夠利用超前校正、滯后校正和滯后-超前校正等方法設計滿足實際工程需要的控制系統。目標2 是能夠應用時域分析法、根軌跡分析法和頻率特性法分析系統的動態性能和穩態性能；能夠應用Routh判據、根軌跡圖、Nyquist 圖和Bode 圖分析系統的穩定性；能夠運用MATLAB/Simulink 對控制系統進行輔助分析和設計。“自動控制原理”的課程目標對畢業要求的支撐關系如表1 所示。

表1 課程目標對畢業要求的支撐關系

為了達到全程育人、全方位育人的教學目標，新修訂的2021 版課程大綱還制定了該課程德育目標[8-9]。其德育目標為：正確認識自動控制原理在控制理論發展史和自動控制發展過程中的重要作用，培養學生的愛國主義精神和民族自豪感，培養學生團結、合作、發展的創新精神，以及優秀的職業道德。

2 “自動控制原理”學情分析及教學內容

自動控制原理課程包括以下學習要點：①簡化系統動態結構圖，處理Routh 穩定標準的特殊問題，解決反饋控制系統的傳遞函數，采用高階系統的Routh 穩定參考方法。②使用時域分析方法計算一次和二次系統的動態和穩態性能指標。③繪制根軌跡，利用根軌跡對系統控制性能進行定性和定量分析。④掌握頻率分析法中的奈奎斯特穩定性標準和對數頻率穩定性標準，利用系統的開環頻率特性分析系統的閉環性能。目前事實是學生對整個課程體系認識不足，為解決這個問題，構建了自動控制原理課程的教學框架，并采用線上和線下相結合的教學模式，以教師為主導，以學生為主體，旨在幫助學生掌握專業知識，提高其發現問題和解決問題的能力。

如圖1 所示為自動控制原理課程的教學框架，首先引出控制系統的一般概念，一般概念有輸入量、輸出量和受控對象等，在有了一般概念基礎上提出建立控制系統的數學模型，常見的數學模型有傳遞函數、微分方程和動態結構圖等。在數學模型建立之后，結合要分析的系統模型與性質指標的關系，提出快速性、準確性和穩定性等性能指標。需要利用時域法、根軌跡法、頻域法三種方法中的一種來定量計算系統的數學模型的性能指標，這是一個前向的過程，這個過程叫做分析。若讓系統完成一定的任務量，則需要給這個系統提出要求，當原來的性能指標達不到的時候，就需要在性能指標中加入一些校正裝置，改變系統結構和參數，那么加到這個系統中就會對系統的性能加以調整，這樣就能使原來不能滿足特定工作需要的性能指標達到系統性能指標的要求，這個過程稱為校正，這是一個反向過程。整個教學框架安排簡明直觀，有邏輯性地將各個章節串聯在一起，以加深學生對本課程的理解，提高學生的學習興趣。

圖1 自動控制原理教學框架

3 線上線下混合式教學的實施

線上線下混合式教學模式是線下教學與線上教學結合的新模式。自動控制原理課程線上教學包括在線觀看視頻、線上作業及線上測試等。傳統教學方式往往以教師講解為主，由于課堂時長的限制教師不能在課堂上將知識進行深入分析和講解，學生只能被動地聽講，沒有時間和空間獨立思考，教學效果差。采用混合式教學之后，學生可以在教師進行講課之前，通過基于超星網絡教學平臺觀看線上視頻，對要學的課程內容進行初步學習；再根據自己的學習情況，有的放矢，在課堂上對難點著重聽教師分析，這樣就能提升學生的學習效率。

“超星學習通”是一款多功能學習軟件平臺，教師通過該軟件來建立網絡教學課程，可以將課件、教案、已經錄好的視頻和課程相關的輔助性資料上傳，供學生進行課前預習和課后復習[10]。最近幾年，超星網絡教學在全國逐漸普及起來，給中國教育事業帶來巨大變革，越來越多的高校借助超星網絡平臺進行學術交流和知識共享。應用“超星學習通”等網絡平臺在一定程度上縮小了不同地區間教育資源的差距，有別于傳統教學，基于超星網絡平臺的教學側重于將重點、難點知識模塊化。

自動控制原理課程改革依靠超星網絡教學平臺，優化傳統的教學模式，教師可以基于此開展線上線下教學，如表2 所示為線上教學各章節相對應的知識點。第一章是概述，主要引出控制系統的概念；第二章為控制系統的數學模型知識點；第三、四、五章分別為時域分析法、根軌跡法、頻率分析法三種分析方法內容；第六章為控制系統的校正與設計內容；在學生將本門課程知識學習完畢后，對學生進行線上測試即為第七章內容。

表2 自動控制原理知識點

為了提高教學質量，教師會在課后及時發布本節課知識的習題提供針對性練習，幫助學生查漏補缺，進行知識的鞏固。如圖2 所示為某節課后布置的課后練習題及某位同學的作答情況，該題內容為第二章動態結構圖知識點。對于此類題型，可以利用動態結構圖等效變換或者梅森公式來對動態結構圖進行簡化。由圖2 可知，該學生基本掌握了該知識點，達到了課程教學改革的目的。

圖2 線上練習題及作答情況

4 線上線下混合式教學考核方式

在傳統的考核方案中，總成績主要由平時成績（30%）和期末成績（70%）構成。此種考核方案存在一定弊端，例如，平時成績計算過于簡略，一般情況下，是根據平時作業、點名情況來進行平時成績的統計，不能多方位全角度地反映學生平時的上課狀況。而線上線下混合式教學考核方式，采用如圖3 所示的平時考核成績和期末成績構成，其中平時考核成績主要由課程視頻、線上測試、線上作業、簽到等幾部分組成，通過多層次考核來展現學生平時的學習情況。

圖3 線上線下混合式教學考核方式

5 結語

自動控制原理課程采用的線上線下混合教學模式打破了空間和時間的限制，實現了教學模式的創新，有效地提高了學生課堂參與度，激發了學生的學習熱情和主動性。然而線上教學也存在不足，例如，個別學生沒有按照要求觀看課程視頻、課后習題敷衍了事等。對于這些問題，需要教師加強與學生溝通交流，對學生進行輔導，幫助其克服學習困難。線上線下混合式教學模式是時代發展的產物，在采用該創新模式過程中，教師會面臨種種挑戰，需要不斷總結經驗，彌補該模式存在的不足，以進一步提升相關課程的教學質量。