智慧教育時代下自動控制原理課程教學模式改革與實踐

岳菊梅， 閆永義， 張志紅， 任 靜， 馬 淏

（河南科技大學，河南 洛陽 471003）

0 引言

自動控制原理課程不僅是農業電氣化專業重要的專業基礎課，也是高等院校自動化、通信工程、電子信息工程等工科相關專業本科生重要的專業基礎課程，它具有理論性和工程應用性都較強的特點。自動控制原理課程以高等數學、復變函數、電路和模擬電子技術等課程為基礎，同時又是后續的電力拖動控制系統、電力系統暫態分析和電氣控制技術等專業課程的先修課程，在教學環節中起著承上啟下的作用，其教學質量的好壞直接關系到學生對信號、系統等重要概念的理解及后續課程的教學質量。

在智慧教育時代下，結合《河南省“十四五”教育事業發展規劃》和《河南教育現代化2035》，以及MOOC 教學理念與模式，探索新的教學方法，最大限度地調動學生的積極性[1-2]。本研究根據河南科技大學農業裝備工程學院農業電氣化專業培養方案，結合自動控制原理課程理論性和應用性強的特點，在強化自動控制基本概念和理論的基礎上，圍繞堅持以學生為中心，堅持教研結合、理論與實踐相結合理念指導下，對自動控制原理課程進行深入的教學模式改革與實踐探索，取得了較好的教學效果，滿足了目前人才培養要求。

1 教學改革思路

傳統的教師講、學生聽的教學模式，在短短的100 min 或者是90 min 之內，教師向學生傳遞了大量的信息。要求學生：一是記憶力和理解能力較強，對剛講過的新內容能夠快速記住，并掌握、理解；二是自我約束能力和執行能力較好，能夠在暫時無法理解前面所講的知識點、接受能力比較弱的情況下，堅持把課聽下去；三是注意力足夠集中，能在整個聽課過程中都保持活躍的思維和專注力。這就導致每堂課學生認知準備狀態不理想，教學成效不理想。

鑒于這種原因，自動控制原理課程將課堂教學的關注點由教師“教”轉向學生“學”，即以學生為中心的教與學。在課程建設思路的指引下，圍繞MOOC教學理念和模式，適當加入自己錄制的慕課視頻和網絡上的優質慕課資源，遵循以學生為中心的教與學基本理念，進行課程建設，實施線上線下混合式教學改革。在全新的教學模式中，將教學環節打造成了課前自主學習、翻轉課堂和課后總結3 個環節[3-5]。

（1）落實新時代全國高等學校本科教育工作會議要求，自動控制原理課程改革以學生為中心，深入推進課堂教學改革，增加課程的高階性、創新性和挑戰度，推動教學內容的創新和教學手段與方法的變革，提升學生自主學習和獨立學習的能力，促進本科教學水平的不斷提高。

（2）對于自動控制原理課程的教學要面向全體學生，關注學生的個體差異與需求，充分發揮學生自身的能力和特長，倡導學生主動參與、樂于探究、勇于實踐，使所有學生都能達到課程標準所規定的學習目標，培養學生獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力及交流與合作的能力，為其主動適應未來社會打下好基礎。

（3）教學方式轉變，樹立以學生為主體的教學觀念，創造性地探索新的教學途徑，改進教學方法和教學手段，組織豐富多彩的教學實踐活動，鼓勵并帶動學生積極地加入課堂，激發學生自主學習的興趣。

2 實施方案

2.1 采用線上線下混合式教學方法

2.1.1 線上自主學習

借助智慧教育時代現代技術手段，同時交叉融合先進教育理念，促進信息技術與教育教學深度融合，提高本課程課堂教學效果[6-7]。對于教學難度不大、認知層次不高的內容，可作為線上學習內容，并提前錄制10～15 min 小視頻，提前通過學習通發布相關線上資源，學生自主學習。自動控制原理課程線上教學改革創新點主要有以下3 方面。

（1）教學理念。樹立以學生為中心的意識，通過學習通，實時提醒學生課件、視頻上傳情況、整體的學習情況，引導學生養成自主學習、主動學習的習慣；同時通過名校的慕課視頻和本課程相關的擴展知識視頻，激發和吸引學生對本課程的學習興趣。

（2）教學方法。根據學校提供的學習通在線平臺，采用點播和互動等方式進行線上自學。點播：在學習通中放入提前錄制好的10～15 min 小視頻課件，并設置相關問題，對所學知識進行學習。互動：在學習通留言區進行討論互動，留言等方式，教師可以實時掌握學生學習情況，并能將互動內容保留下來，供其他學生學習瀏覽。教學方法以講解自動控制原理課程第三章線性系統的時域分析中第五節的線性系統穩定性分析中的內容為例，具體如表1 所示。

表1 教學方法與創新Tab.1 Teaching methods and innovations

（3）教學過程。一是提前發布課件。至少提前3 d，通過學習通，將課堂教學課件和與本節課程相關的短視頻課件發布到教學網絡平臺。二是設置問題。在教學課件和短視頻課件中，針對需要掌握的知識點，在相應視頻內容后設置對應選擇題、填空題和思考題等類型習題，加強對知識點的理解和內容的掌握。三是實時掌握進度。學習通可以實時反饋學生自主學習情況和進度，方便在線下課前根據學生自學情況，課堂上有篩選的進行難點分析，并請學生參與討論，課后對沒有及時參與的學生進行督查；同時學習通還能實時統計查看的人數和詳細名單，便于教師掌握線上和線下具體情況，提醒學生及時學習相關內容。四是學習通布置線上課堂、章節作業。在學習通發布本節課線上課堂作業和對應章節的練習作業，設置了學生互批功能，極大地激發學生當教師的愿望和興趣，同時也可以增強學生課下相互討論、解決問題、分析問題的能力。教學過程如圖1 所示。

圖1 教學過程Fig.1 Teaching process

2.1.2 線下課堂講授

在先進教育理念下，通過分層教學方法、講練結合的教學模式、啟發討論教學和互動式翻轉課堂教學，進行課堂教學改革，提高課堂教學效果，使學生通過本課程的學習，也為進一步地學習和研究控制理論創造一定的條件[8-9]。

線下課堂教學總體實施方案，對于重點和難點內容可作為線下課堂教學內容，在課堂教學內容中選擇部分關鍵知識點、教學案例、實驗項目和典型題目等，采用小班討論、生講生評、研討辯論、輔導答疑和教師點評等互動式翻轉課堂教學，培養學生分析、評價和創造能力。線下課堂主要采用以下教學方式。

（1）分層教學方法。關注學生的個體差異與不同需求，使不同基礎的學生都能得到有效的訓練和提高，基本掌握該課程的要點、難點。對于那些用語言和文字難以表達、學生難以理解的內容，進行動畫模擬、音像播放；對自動控制系統實例等進行實物虛擬顯示和實況播放，彌補學生感性認識和實踐經驗的不足，解決長期以課本為主的課程教學比較抽象難懂的局面。

（2）講練結合教學模式。如實際系統建模、控制系統時域頻域分析及控制系統的校正與綜合等內容，在課堂講解完基本概念與方法后，結合具體實例，讓學生獨立思考并完成。再根據學生完成的情況，進行有針對性地講解，提高教學效果。

（3）啟發討論教學、互動式翻轉課堂教學[10]。教師針對課前學生的預習情況，在課堂上結合預習中的難點和疑問，提出問題，并加以引導，啟發學生去自主思考和分組討論，針對不同觀點展開討論，選出學生代表對討論結果進行歸納總結，教師做最后點評。這種講授過程可培養學生分析問題和解決問題能力。

實踐證明，合理利用上述幾種教學方法能充分調動學生的學習積極性。表2 以自動控制原理課程第二章線性系統的數學模型中第二節的控制系統的時域數學模型在線下課堂采用的教學方式為例進行說明。通過這種教學方式，使得重點講解的內容將理論知識豐富和簡單化，使學生既學到理論知識也掌握了分析復雜問題的能力，受到學生的普遍歡迎。

表2 線下課堂教學方式Tab.2 Offline classroom teaching methods

2.2 全面梳理課程教學內容和教學思路

按照重要性和教學難度對內容進行分類，按照記憶、理解、應用、分析、評價和創造等不同認知層次制定課程教學目標。

（1）教學內容。根據農業電氣化專業學生特點，自動控制原理課程選用胡壽松編寫的國家“十二五”普通高等教育本科國家規劃教材《自動控制原理基礎教程》。本書共9 章內容，結合專業特點和課程學時，在課堂中重點講授第1～3 章和第5～7 章，其中第4章根軌跡分析、第8 章非線性控制系統分析和第9 章線性系統的狀態空間分析作為卓越班學生選講知識，并在線上平臺學習通中上傳相關視頻，供學生自主學習。

（2）教學思路。教學手段主要采用線上線下混合式教學方式，教學方法如表2 所示，教學過程中挖掘與課程內容知識相關的實例，培養學生具有家國情懷；知識講授過程中注重培養學生工匠精神和個人素養。

2.3 合理規劃知識點

可適當刪減一些內容簡單、主要培養記憶和理解能力的知識點，增加一些培養分析、評價和創造能力的前沿知識，提升課程的高階性、創新性和挑戰度。

2.4 增加教學互動性

教師在線下課堂教學中利用智慧教學工具，開展隨堂測驗、隨堂練習、隨堂問卷和單元測驗等活動。

在先進教育理念下，利用智慧教育時代現代技術手段，采用線上線下混合式教學方式，加強課堂教學改革，拓展課程內容深度，注重課程內容與培養目標的支撐關系，引導學生自主學習和創造性學習，切實提升人才培養質量。

2.5 改進教學評價方式

2.5.1 使用多元化學習評價體系

采用線上學習評價、線下過程性評價與終結性評價多種方式相結合評價模式，如圖2 所示。既要考查學生記憶、理解和應用等中低認知能力，又要考察學生分析、評價和創造等高級認知素質。

圖2 教學評價方式Fig.2 Teaching evaluation methods

2.5.2 課程成績改革

課程成績由過程性考核和終結性考核綜合評定，過程性考核成績由原來的20%調整到30%～50%，使成績評定更為合理。

（1）在線學習評價。主要是針對記憶、理解等初級認知的考核，可根據學生視頻觀看、隨堂測驗、完成作業和單元測驗等完成情況進行學習評價，成績占比一般不超過20%。

（2）線下課堂評價。課堂討論、學生課堂參與程度納入到過程性考核，對評價和創造等高級認知的考核主要通過學生參與討論過程和效果進行。鼓勵學生參與到習題庫、試題庫的建設中，和學生一起制定考核方式和評判標準，進而得出全面、準確的評價方式，成績占比一般不超過30%。

（3）期末考試評價。對應用和分析等中級認知的考核主要通過期末考試進行，成績占比一般在50%左右。

3 實踐效果

上述的一系列教學改革方案，逐步在農業電氣化專業2018 級—2020 級學生中實施，經過3 年的實踐，取得的實踐效果有5 個方面。

（1）學生普遍學習興趣提高，學習效果明顯增強。從以前上課時的被動學習，逐漸轉變為提前積極主動探索。

（2）課堂討論學生的參與程度增加。從原來教師唱獨角戲的場面，轉變為學生積極參與課堂知識討論的場景。

（3）參與制作控制系統實例動畫、錄制課程知識小視頻、動手制作控制裝置等的學生越來越多。

（4）學生在Matlab 平臺下自主獨立進行開發與設計試驗，融合所學知識，理解控制系統相關概念和設計方法[11]。

（5）在課程改革的基礎上，獲批自動控制原理課程相關的校級教改項目3 項，即2022 年度校級教改項目智慧教育時代下自動控制原理教學模式改革研究與實踐、2022 年度校級一流課程自動控制原理和校級思政樣板課自動控制原理。

4 結束語

自動控制原理課程所涉及的新概念和理論推導較多，是農業電氣化專業的一門重要的專業基礎課，在教學過程中起著承上啟下的作用。結合《河南省“十四五”教育事業發展規劃》和《河南教育現代化2035》，在智慧教育時代下背景下闡述了自動控制原理課程的教學改革思路；借助先進教學工具探索新的教學實施方案；通過不斷的教學改革和創新，自動控制原理課程教學效果明顯，符合預期，課堂上學生參與度和滿意度高，激發了學生的創新實踐能力，受到學生廣泛好評。