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线上线下混合式教学自动控制原理”改革研究

2023-07-17 75 上传者：管理员

摘要：“自动控制原理”是电气类、自动化类、电子信息类的专业必修课，在整个课程体系中发挥着重要作用。针对课程理论性强、抽象性高导致学生学习困难的问题，从学情和课程特征出发，对教学模式进行改革。通过建立网络教学平台，实现线上线下混合式教学，帮助学生掌握专业知识，提升学生的知识水平和工程创新能力，培养社会所需要的专业技术人才。

关键词：
教学改革
教学模式
线上线下混合式教学
网络教学平台
自动控制原理
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自动控制原理课程相关知识应用于生活的许多领域，例如人造卫星、轨道交通、计算机等，其在考研专业课中也占有一定的比重。而该课程理论性较强、知识过于抽象，要点晦涩难懂，对学生的学习能力要求比较高[1,2]。在传统教学中教师通常采用板书、使用PPT辅助讲解，结合课下布置作业形式，这种模式的学习不利于应用型本科专业人才的成长。为了调动学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力，需要对传统的自动控制原理课程教学模式进行改革[3,4]。

线上线下混合式教学作为信息化背景下一种新兴的教学模式，拓展了教学的广度和深度，给教学增添了许多新鲜活力[5,6]。以互联网为媒介，将传统教学与网络教学的优势融为一体，逐步成为国内高校教学改革新方向。本文介绍了自动控制原理课程基于超星学习通的线上线下混合式教学模式，目标是让学生掌握控制系统知识及其应用，为培养专业性技术人才奠定基础[7]。

1、自动控制原理课程任务及目标

自动控制原理课程是南阳理工学院电气类、自动化类、电子信息的专业基础课程。本课程主要通过课堂教学，使学生掌握经典控制理论的分析方法，为控制系统的分析和设计提供必要的理论基础和方法。重点解决控制系统建模、系统性能分析、系统校正等理论基础问题，包括控制系统的时域、复域、频域的数学模型，线性控制系统的时域分析法、根轨迹法和频域法。

“自动控制原理”的课程目标根据该课程所支撑相关专业的毕业要求观测点进行设计，其毕业要求对应的是工程知识和问题分析。以自动化专业为例，2021版教学大纲将课程目标分为以下2个：目标1是能够利用自动化学科基础知识和专业知识推演控制系统的数学模型；能够利用超前校正、滞后校正和滞后-超前校正等方法设计满足实际工程需要的控制系统。目标2是能够应用时域分析法、根轨迹分析法和频率特性法分析系统的动态性能和稳态性能；能够应用Routh判据、根轨迹图、Nyquist图和Bode图分析系统的稳定性；能够运用MATLAB/Simulink对控制系统进行辅助分析和设计。“自动控制原理”的课程目标对毕业要求的支撑关系如表1所示。

为了达到全程育人、全方位育人的教学目标，新修订的2021版课程大纲还制定了该课程德育目标[8,9]。其德育目标为：正确认识自动控制原理在控制理论发展史和自动控制发展过程中的重要作用，培养学生的爱国主义精神和民族自豪感，培养学生团结、合作、发展的创新精神，以及优秀的职业道德。

2、“自动控制原理”学情分析及教学内容

自动控制原理课程包括以下学习要点：(1)简化系统动态结构图，处理Routh稳定标准的特殊问题，解决反馈控制系统的传递函数，采用高阶系统的Routh稳定参考方法。(2)使用时域分析方法计算一次和二次系统的动态和稳态性能指标。(3)绘制根轨迹，利用根轨迹对系统控制性能进行定性和定量分析。(4)掌握频率分析法中的奈奎斯特稳定性标准和对数频率稳定性标准，利用系统的开环频率特性分析系统的闭环性能。目前事实是学生对整个课程体系认识不足，为解决这个问题，构建了自动控制原理课程的教学框架，并采用线上和线下相结合的教学模式，以教师为主导，以学生为主体，旨在帮助学生掌握专业知识，提高其发现问题和解决问题的能力。

表1课程目标对毕业要求的支撑关系

如图1所示为自动控制原理课程的教学框架，首先引出控制系统的一般概念，一般概念有输入量、输出量和受控对象等，在有了一般概念基础上提出建立控制系统的数学模型，常见的数学模型有传递函数、微分方程和动态结构图等。在数学模型建立之后，结合要分析的系统模型与性质指标的关系，提出快速性、准确性和稳定性等性能指标。需要利用时域法、根轨迹法、频域法三种方法中的一种来定量计算系统的数学模型的性能指标，这是一个前向的过程，这个过程叫做分析。若让系统完成一定的任务量，则需要给这个系统提出要求，当原来的性能指标达不到的时候，就需要在性能指标中加入一些校正装置，改变系统结构和参数，那么加到这个系统中就会对系统的性能加以调整，这样就能使原来不能满足特定工作需要的性能指标达到系统性能指标的要求，这个过程称为校正，这是一个反向过程。整个教学框架安排简明直观，有逻辑性地将各个章节串联在一起，以加深学生对本课程的理解，提高学生的学习兴趣。

3、线上线下混合式教学的实施

线上线下混合式教学模式是线下教学与线上教学结合的新模式。自动控制原理课程线上教学包括在线观看视频、线上作业及线上测试等。传统教学方式往往以教师讲解为主，由于课堂时长的限制教师不能在课堂上将知识进行深入分析和讲解，学生只能被动地听讲，没有时间和空间独立思考，教学效果差。采用混合式教学之后，学生可以在教师进行讲课之前，通过基于超星网络教学平台观看线上视频，对要学的课程内容进行初步学习；再根据自己的学习情况，有的放矢，在课堂上对难点着重听教师分析，这样就能提升学生的学习效率。

“超星学习通”是一款多功能学习软件平台，教师通过该软件来建立网络教学课程，可以将课件、教案、已经录好的视频和课程相关的辅助性资料上传，供学生进行课前预习和课后复习[10]。最近几年，超星网络教学在全国逐渐普及起来，给中国教育事业带来巨大变革，越来越多的高校借助超星网络平台进行学术交流和知识共享。应用“超星学习通”等网络平台在一定程度上缩小了不同地区间教育资源的差距，有别于传统教学，基于超星网络平台的教学侧重于将重点、难点知识模块化。

自动控制原理课程改革依靠超星网络教学平台，优化传统的教学模式，教师可以基于此开展线上线下教学，如表2所示为线上教学各章节相对应的知识点。第一章是概述，主要引出控制系统的概念；第二章为控制系统的数学模型知识点；第三、四、五章分别为时域分析法、根轨迹法、频率分析法三种分析方法内容；第六章为控制系统的校正与设计内容；在学生将本门课程知识学习完毕后，对学生进行线上测试即为第七章内容。

表2自动控制原理知识点

为了提高教学质量，教师会在课后及时发布本节课知识的习题提供针对性练习，帮助学生查漏补缺，进行知识的巩固。如图2所示为某节课后布置的课后练习题及某位同学的作答情况，该题内容为第二章动态结构图知识点。对于此类题型，可以利用动态结构图等效变换或者梅森公式来对动态结构图进行简化。由图2可知，该学生基本掌握了该知识点，达到了课程教学改革的目的。

4、线上线下混合式教学考核方式

在传统的考核方案中，总成绩主要由平时成绩（30%）和期末成绩（70%）构成。此种考核方案存在一定弊端，例如，平时成绩计算过于简略，一般情况下，是根据平时作业、点名情况来进行平时成绩的统计，不能多方位全角度地反映学生平时的上课状况。而线上线下混合式教学考核方式，采用如图3所示的平时考核成绩和期末成绩构成，其中平时考核成绩主要由课程视频、线上测试、线上作业、签到等几部分组成，通过多层次考核来展现学生平时的学习情况。

5、结语

自动控制原理课程采用的线上线下混合教学模式打破了空间和时间的限制，实现了教学模式的创新，有效地提高了学生课堂参与度，激发了学生的学习热情和主动性。然而线上教学也存在不足，例如，个别学生没有按照要求观看课程视频、课后习题敷衍了事等。对于这些问题，需要教师加强与学生沟通交流，对学生进行辅导，帮助其克服学习困难。线上线下混合式教学模式是时代发展的产物，在采用该创新模式过程中，教师会面临种种挑战，需要不断总结经验，弥补该模式存在的不足，以进一步提升相关课程的教学质量。

参考文献:

[1]王万良.“自动控制原理”课程教学中的几个关键问题[J.中国大学教学,2011(8):48-51

[2]田军南,严运彩.“自动控制原理”课程中关键问题的探讨IJ].轻工科技,2022(4):135-136,170.

[3]崔国增.新工科背景下自动控制原理教学改革探索IJ1.中国电力教育,2020(10):67-68

[4]张倩,张德祥,李国丽.“自动控制原理”线上线下混合教学模式研究IJ.电气电子教学学报,2021(6):31-34,60.

[5]白圣建,徐婉莹,郑永斌,等.“自动控制原理”课程的教学改革探索IJ].教育教学论坛,2021(30):54-57

[6]冯晓英,孙雨薇,曹洁婷.“互联网+”时代的混合式学习:学习理论与教法学基础J].中国远程教育,2019(2):7-16,92.

[7]赵月容疫情防控特殊时期“自动控制原理"线上教学模式的实践与思考J.黑龙江教育(理论与实践),2020(12):66-67

文章来源:李小真,刘忠超,翟天嵩等.“自动控制原理”线上线下混合式教学改革研究[J].现代农机,2023,No.174(04):98-101.