自動控制原理課程教學數字化轉型探索與實踐

［摘 要］在培養符合數字時代發展需要的高質量人才的過程中，充分利用數字化課程建設賦能自動控制原理課程教學任務的實施和教學效率的提高具有重要意義。文章在分析自動控制原理課程教學與改革現狀的基礎上，探討了促進該課程快速數字化轉型的途徑，認為需要提升任課教師的數字素養、高效利用在線教育平臺并持續優化數字教育資源、采用基于先進教育教學理念的線上線下混合式教學模式、利用數字化技術建設虛擬仿真實驗平臺加強實踐教學，以及通過大數據與人工智能的支持提供多元化課程評價和開展個性化教學。同時，以針對能源與動力工程專業開設的自動控制原理課程為例，介紹了南京工程學院在數字化資源建設和課堂教學改革方面取得的一些成果。

［關鍵詞］自動控制原理；數字化轉型；混合式教學模式

［中圖分類號］G642.4 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）03-0051-05

自動控制技術是生產過程和眾多高新技術產品中的關鍵技術，廣泛應用于工農業生產、交通運輸及國防建設等重要領域。因而，各高校在自動化類、機械類、能源動力類和電氣信息類等許多專業中設置了自動控制原理這門重要的專業基礎課程。我國正快速進入數字經濟時代，數字技術已融入國家和社會的各個領域。大數據、人工智能、云計算以及自然語言處理技術（如ChatGPT）等新興技術對教育領域也產生了重大影響。黨的二十大報告將教育、科技、人才統籌部署，強調要推進教育數字化轉型。教育數字化轉型對自動控制原理課程建設提出了新的要求，也為該課程的改革和發展提供了新的方向和可能。

一、自動控制原理課程教學與改革現狀分析

在當前自動控制原理授課過程中，部分高校仍然將傳統紙質教材作為課程教學的主要載體。雖然任課教師會利用PPT課件、教學視頻等數字資源輔助教學，但與學生間的互動尚不夠廣泛和深入，對學生的學情缺少數據化分析，難以針對不同層次的學生實施個性化教學與輔導。在該課程的教學資源建設方面，也存在與不同專業工程實際結合緊密的教學案例較少、控制實驗設備因經費和場地的限制而配置不足等問題。在“新工科”和“雙一流”建設的推動下，部分高校對自動控制原理課程實施了教學改革[1-4]，例如，將工程問題引入課堂進行項目式教學，建立仿真實驗室和開展仿真課堂，組織各類競賽以及讓學生參與科研項目等。這些改革措施取得了一定成效，在培養學生工程意識、提高實操能力和創新能力等方面呈現出優勢。目前國家智慧教育平臺、中國大學MOOC（慕課）等公共教育學習平臺開設了自動控制原理在線課程，提供了優質的數字教學資源。一些高校也嘗試采用線上線下混合式教學模式[5]，但因任課教師不僅要在線下課堂教學，還要負責在線資源的維護與更新，以及線上答疑和互動，工作負擔顯著增加，很多教師更傾向于沿用傳統的線下教學模式，缺乏主動學習數字化技能和開展教育數字化實踐的能動性，導致數字化賦能的效用在自動控制原理課程教學中未得到充分發揮。

二、自動控制原理課程教學數字化轉型途徑探索

高校課程教學數字化轉型是依托數字化、網絡化、智能化等技術手段，充分發揮數字賦能作用，并挖掘數據間的內在聯系，深入推動課程的重構和創新性發展，實現課堂教學全方位變革[6]。自動控制原理課程教學要實現快速且有成效的數字化轉型，可以從以下幾個方面著手。

（一）全面提升任課教師的數字素養

教師的數字素養決定著課程教學數字化轉型的質量和水平。作為現代教育工作者，每位教師都應該認真學習《教師數字素養》標準[7]，對照標準通過學習和實踐來提升自身的數字素養。首先，要增強數字化意識，積極轉變傳統的教學思維與理念，正確理解數字技術在教育發展中的重要價值，有主動學習和使用數字資源并開展教育數字化實踐和探索的意愿和能動性。其次，要主動開展數字化教學研究與專業技能學習，通過多渠道、多方面的學習研修來提升自身的數字能力，確保能熟練運用各類數字化工具和平臺，有效解決教學中的難點和痛點問題。最后，要通過積極開展數字化教育教學的實踐探索，不斷提升自身的數字化應用能力，在教學設計、教學實施、學業評價、協同育人等各個環節中充分運用數字技術，以優化教學流程，提高教學效率，從而最大化地發揮數字資源的效益。

（二）高效利用在線教育平臺并持續優化數字教育資源

目前多個在線教育平臺可提供自動控制原理課程相關的優質數字資源，如華中科技大學、西安交通大學、南京航空航天大學等高校都建設了國家精品課程。雖然這些在線教學平臺上的教學視頻、隨堂講義、同步練習等教學資源為學生提供了較為全面的學習材料，但任課教師仍需根據學生的需求結合課程特點，對這些資源進行篩選和整合，以確保資源的針對性和有效性。任課教師在利用各種教學資源時應進行系統的規劃與設計，例如，基于線上教學平臺構建和組織在線課程時，建議利用知識圖譜技術[8]，通過構建融入學科特色的知識圖譜清晰反映教學內容、知識結構與數字資源之間的對應關系，并依托圖譜提供的明確關系來指導教學實踐。此外，在線課程的建設還需根據課程的發展需要及學生的反饋評價，不斷更新和優化教學資源，以確保資源的時效性和實用性。

（三）采用基于先進教育教學理念的線上線下混合式教學模式

傳統課堂教學與在線課程教學模式各有優劣，將線上教學與線下教學相結合的混合式教學模式是一種更好的選擇。師生通過在線學習平臺具有的功能可以將課前、課中和課后的教與學連貫起來，打破課堂教學時間和空間的壁壘。混合式教學的設計應基于先進的教育理念，如可采用強調“學生中心、成果導向、持續改進”的OBE（Outcome?Based Education）理念[9]。基于OBE理念從人才培養目標出發，對課程教學進行反向設計，尊重認知規律、關注學習成效、健全質量標準、落實持續改進，將先進理念貫穿課程建設與教學實施的全過程。在實施混合式教學時，應靈活運用案例教學、討論式教學等多種互動式教學方式，強調學生對知識的主動探索和發現，促進學生的自我發展。例如，課堂教學可采用BOPPPS模式，該模式強調以學生為中心，把課堂學習劃分成六個環節，即導言（Bridge?in）、目標（Objective）、前測（Pre?assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Post?assessment）和總結（Summary）[10]。教師應根據課程的實際情況，利用在線平臺的數字教學資源和互動工具，設計每個環節的具體內容和要求，以達成課程目標為核心，突出重難點，增加師生互動，提高學生的參與度，評估測驗并總結反思，持續改進課堂教學，從而有效提升教學效果。

（四）利用數字化技術建設虛擬仿真實驗平臺加強實踐教學

虛擬仿真實驗平臺能夠拓展學生實踐學習的時空維度，為提高實踐教學的創新性、高階性、挑戰度以及促進學科交叉提供了更多可能。該平臺不受傳統實驗教學在時間和空間上的限制，能夠在較短時間內呈現出在物理實驗設備上較長時間才能觀察到的變化。例如，在很多高校開設的雙容水箱液位單回路控制實驗中，學生調整控制器參數后，往往需要等待四五十分鐘才能觀察到完整的水位調節過程曲線，而采用數字仿真技術，學生在虛擬仿真實驗平臺上幾秒內即可觀察到結果。學生可以隨時隨地根據自身需求靈活選擇和開展仿真實驗，這極大地提高了他們參與實驗的主動性與積極性。因而，建議結合專業領域相關的項目案例，開發具有工程技術背景、通用性強、開放度高、多層次的虛擬實驗平臺，作為現有實驗平臺的補充，以加強實踐環節的教學。對于價格昂貴或運行維護成本較高的物理實驗裝置，建議利用數字孿生技術建設與之配套的數字孿生虛擬交互實驗平臺。這種平臺便于實現各種硬件在環的仿真實驗和進行多種功能拓展，能夠激發有能力的學生進行研究型實驗設計創新，既滿足本科教學的需求，又支持科學研究。

（五）利用大數據與人工智能提供多元化評價和個性化教學

在傳統的教學模式中，教師所實施的過程性評價通常依靠手工記錄學習數據的方式來完成，且通過課堂提問和課后作業評價學生的學習成效，這種模式具有隨機性和片面性，不能精確掌握全體學生的學習情況，因而難以做到因材施教。大數據是先進的信息獲取方法，教師利用信息網絡技術開展線上線下混合式教學時，可以對全體學生的課程學習情況進行動態監控。通過大數據分析技術，教師可以采集、分析和處理學生的學習行為數據，獲取學生課前、課中以及課后的全面反饋。隨后，教師可以結合課程特點確定多元化的過程性評價指標，并實施個性化的教學。目前超星學習通等一些在線教學平臺已提供了人工智能助教功能，協助教師進行大數據管理和分析。教師可以收集學生的學習數據，由人工智能進行分析，并根據分析結果為學生提供有針對性的指導或實施分層教學。

三、自動控制原理課程教學數字化轉型的實踐

南京工程學院能源與動力工程專業自動控制原理課程已實施了一系列教學資源建設與教學改革實踐，旨在推進課程的數字化轉型。

（一）基于超星學習通的自動控制原理在線課程建設

超星學習通是一個依托先進移動互聯網技術開發的綜合性在線教學平臺。該平臺集成了豐富的教學資源、課程管理、學習工具、評測系統及交互功能，可以記錄學生在學習過程中的各種數據。超星學習通平臺上已成功建設自動控制原理在線課程，為線上線下混合式教學的實施奠定了堅實基礎。在線上教學資源建設方面，結合能源與動力工程專業特點和培養需求，精選和錄制了相關教學視頻，建設的電子習題庫中有700余道題，試卷庫中有50余套試卷及參考答案，并逐年進行擴充增補。自建的在線課程既滿足了學生線上全程學習需要，又方便了教師全程考核評價及精準滴灌。

（二）基于微信公眾號的“自動控制原理NJIT” 移動學習平臺設計

借助秀米編輯器與微信公眾平臺開發的“自動控制原理NJIT” 微信公眾號，為移動學習方式的開展提供了支持。圖1為自動控制原理移動學習平臺的構架。

公眾號包含三大模塊，即“我要學習”“我要練習”“拓展互動”。（1）“我要學習”模塊包含5個子菜單，即“教學安排”“課程概覽”“章節內容”“名詞解釋”“資源推薦”。其中，在“名詞解釋”中，學生可以通過圖文消息和自動回復兩種方式了解控制領域相關常用術語的具體含義。（2）“我要練習”模塊包含5個子菜單，即“課前自測”“課后作業”“優作展示”“階段測試”“習題詳解”，為學生的自主檢測和知識鞏固提供了支持。（3）“拓展互動”模塊包含5個子菜單，即“仿真實訓”“學科動態”“成績查詢”“答疑反饋”“請假點我”。其中，“學科動態”融入了課程思政元素，有控制領域相關科學家和大國工匠等人物事跡介紹，并及時更新推送控制技術發展動態，做到與時俱進。

（三）基于MATLAB Web App的熱工自動控制仿真實驗平臺設計

MATLAB軟件具有強大的科學計算、可視化以及交互式程序設計功能。南京工程學院依托MATLAB軟件強大的控制系統工具箱和MATLAB Web App，構建了從驗證性實驗到系統級設計的多層次熱工自動控制仿真實驗平臺，旨在輔助自動控制原理的實踐教學。平臺設計的總體構架如圖2所示。基于App Designer創建的應用程序可單機運行，也可作為一個獨立的Web應用。學生僅需通過瀏覽器即可隨時訪問并運行Web應用程序，無須安裝占用大量存儲空間的MATLAB等軟件。教師可在課堂教學中直接演示驗證性實驗，通過調整參數讓學生觀察到過程控制曲線的變化，從而加深對理論知識點的理解。課后，學生可自主進行實驗探索。例如，對于鍋爐汽包水位控制系統整定等綜合性實驗，學生可根據設計任務要求，單獨或以小組形式在課外完成，教師則通過移動學習平臺進行指導和答疑。

（四）基于OBE理念和BOPPPS模式的線上線下混合式教學實踐

南京工程學院基于建設的在線課程和“自動控制原理NJIT”微信公眾號，采用以線下課堂教學為主、線上自主學習為輔、移動學習為補充的混合式教學模式，并通過熱工自動控制仿真實驗平臺實現了理論教學與實踐實驗的有機結合。基于OBE理念，根據能源與動力工程專業的人才培養要求，從知識、能力和素養三個方面制定了融入課程思政和數字素養培育的課程目標，并根據混合式教學的特點，優化了教學內容和多元化評價考核機制。

課堂教學的設計與實施則采用了BOPPPS模式，圖3為基于該模式的線上線下混合式教學過程示意圖。教師在課前的引入（B）環節，通過學習通和微信公眾號上傳教學資源并引導學生線上預習，激發學生的興趣和求知欲；在目標（O）環節讓學生明確本次課程學習需要達到的目標，有的放矢地去自學；在前測（P）環節，教師在平臺發布隨堂練習，通過數據統計結果了解學生在預習階段對知識的掌握情況，以便開展有針對性的教學；在課中的參與式學習（P）環節，教師將理論講解與仿真實驗相結合，開展以學生為中心的啟發式教學，并根據課堂進度穿插案例分析、實驗演示、小組討論以及學生的在線自主實驗，讓學生全方位參與教學，深化對知識的理解與應用；在后測（P）環節，教師發布具有一定難度的測試題，檢查學生的學習效果；在總結（S）環節，教師對課程內容和目標達成度進行小結和反思。課后，教師線上推送補充學習資料、布置作業或實驗任務、發布討論話題，學生完成作業或自主開展實驗，進行知識的鞏固與拓展。教師可以通過在線或移動學習平臺隨時監測學生的課外學習情況，并及時答疑解惑；根據學生以及同行或督導老師聽課后反饋的評價信息進行總結反思，持續改進教學資源建設和課堂教學，不斷提升教學效果。

四、結語

教育數字化是我國開辟教育發展新賽道、塑造教育發展新優勢的重要突破口。為了培養符合數字時代發展需要的高質量人才，本文在分析自動控制原理課程教學與改革現狀的基礎上，探討了促進該課程快速數字化轉型的途徑，并以能源與動力工程專業的自動控制原理課程為例，介紹了南京工程學院在該課程數字化資源建設和課堂教學改革方面取得的一些成果。通過互聯網、移動通信、大數據、人工智能等數字化技術，將課程的線下課堂和在線學習融合，并延伸到移動學習，在充分發揮教師主導作用的同時，充分調動學生學習的積極性與主動性。本文提出的一些建議和相關實踐經驗可為其他院校自動控制原理課程的數字化轉型提供參考。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 李怡然，夏元清，張金會，等.“雙一流”背景下《自動控制理論》課群改革與實踐[J].控制工程，2024，31（9）：1710-1715.

[2］ 朱玲，徐鳳霞，李艷東，等.自動控制原理多模式教學方法的研究與實踐[J].高師理科學刊，2019，39（7）：83-87.

[3］ 石建平，劉鵬.新工科背景下自動控制原理課程教學改革[J].教育教學論壇，2019（8）：138-139.

[4］ 趙久強，馮毅萍.Labview在自動控制原理仿真實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2018，21（1）：85-88.

[5］ 陶洪峰.自動控制原理課程的混合式教學模式探索[J].大學教育，2019（3）：62-64.

[6］ 謝幼如，陸怡，夏婉，等.國家智慧教育平臺賦能高校課堂數字化轉型探析[J].中國教育信息化，2024，30（3）：15-24.

[7］ 吳砥，陳敏.教師數字素養：教育數字化轉型背景下的教師發展重點[J].中國信息技術教育，2023（5）：4-7.

[8］ 王繼茹，朱靖，王建，等.數據驅動的知識圖譜在本科教學信息化改革中的作用[J].高等工程教育研究，2024（3）：121-128.

[9］ 姜曉坤，朱泓，李志義.新工科人才培養新模式[J].高教發展與評估，2018，34（2）：17-24.

[10］ 曹丹平，印興耀.加拿大BOPPPS教學模式及其對高等教育改革的啟示[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：196-200.

［責任編輯：黃緊德］