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基于混合式教学模式的自动控制原理课程探索

2020-04-20 416 上传者：管理员

摘要：目前全球教育界的研究热点之一就是混合式教学模式，这增加了师生互动和学生的个性化学习时间，所以受到了大家的广泛关注。以自动控制理论课程为研究对象，以立体化教学资源为基础，通过教学过程的设计和教学观念的转变，实施混合式教学的教改试点。并且通过实践证明了，实施效果比较理想，最后提出了存在的问题以及解决方法。

关键词：
微视频
教学模式
立体化教材
翻转课堂
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在线学习始于20世纪80年代，因其充分利用现代信息技术，改变了传统的师生关系和教学结构而掀起一场教学变革[1]。经过十多年的实践，人们逐渐发现在线学习不能取代课堂面授教学。混合式教学模式将面授教学与在线学习系统化结合，将传统教学的优势和网络学习的优势结合；教师通过资源共享及各种交流互动进行指导、组织，引导学生积极参与、协作互动；完成以教师为主导、学生为中心的教学过程，使教学效果达到最优。美国宾夕法尼亚州立大学校长葛瑞森高度评价了混合式学习，认为它是“当今高等教育领域内一个必然的发展趋势”。

混合式教学对传统的面授教学提出了挑战，这种挑战的实质并不在于对授课形式的挑战，而在于对教学理念的挑战，对无法兼顾学生个体的被动式教学过程的挑战，对以教师为中心的教学模式的挑战[2]。而教育界很早以前就已经意识到了这个问题。早在1892年，美国十人委员会讨论教师应该教学生什么的议题时就已经指出，“一旦学生掌握了严谨的逻辑推理方法，教师就应当停止被动式的教学过程”。著名哲学家、教育家柏拉图也曾经说过，“教育无需、不能也无法强迫，任何填鸭式的教学方式只会让人头脑空空，一无所获”。2015年3月，教育部办公厅印发的《2015年教育信息化工作要点》中指出要“坚持促进信息技术与教育教学深度融合的核心理念”。

正是基于这样的背景，笔者在西南科技大学教改试点班项目、混合式教改项目支持下，对自动控制理论课程进行混合式教学的尝试。希望找到适合普通高校学生的教学方法，能够激发学生积极思考，帮助他们养成独立思考的习惯，使他们在学习中变被动为主动，培养思辨能力和解决问题的能力。本文从课程建设背景、混合式课堂的具体实施、实施效果、存在的问题及解决思路等几个方面进行阐述。

1、课程建设背景

西南科技大学自动控制理论课程的教学改革始于1999年。2000年起，在全校率先采用多媒体教学，深得学生和学校专家组的好评。2003年，课程被列为校级品牌课程，为了方便学生学习，课程网站初步建成。2005年，自动控制理论成功申报省级精品课程。为了让学生理解一些抽象的概念，设计制作了与课程内容密切相关的Flash动画。2008年，“全方位改革教学体系，建立高效、互动、开放的立体化教学模式”获西南科技大学教学成果一等奖。此后，继续深入进行课程改革。2011年获省级教改项目自动化专业综合改革项目子项目—自动控制理论精品开放课程建设项目；2012年获省级“十二五”规划教材建设项目和四川省精品资源共享课程建设项目；2013年获西南科技大学“自动控制原理—高融合立体化教材”建设项目。说明我校的自动控制理论课程建设一直走在同类学校甚至四川省前列。已经形成比较完整的网络学习资源和包括光盘和纸质教材的立体化教学资源，开展混合式教学的基础已经具备。2015年，经学校批准，开始进行“自动控制理论翻转课堂”教改试点班项目和“混合式教学的研究与实践”教学改革项目，主要工作包括：教学资源的整合、教学理念的转变和教学方法的改革。不再着眼于课程本身，而是转变教学理念，以培养学生能力为目标。希望通过这次试点，能够得到一些普适性的做法和结论，为同类课程提供参考。

2、混合式教学的具体实施

2.1 建设基础

实现混合式教学所面临的挑战之一是优质教学资源的研制与开发[1,3]。课程组在开展试点班之前，对以往的课程教学资源进行了整合，并针对试点班的需求，增加了部分素材，最终形成由高融合教材和网络资源结合的立体化教学资源，结构图如图1所示。

图1　立体化教学资源结构图

高融合教材整合了以往设计的Flash动画、MatLab仿真程序等素材，由科学出版社出版，集纸质教材、Flash动画、MatLab仿真、电子课件、工程案例为一体，是一个突破传统、多种媒体高度融合、“纸质+光盘”形式的新型立体化教材。其中，Flash动画生动形象、便于理解，为原本枯燥的课堂增添色彩；MatLab仿真让学生可以方便地感受参数对系统性能的影响。

网络资源由自动控制理论精品资源共享课程网站和慕课网站构成。课程网站包括教学所需的各种文件、授课全过程录像、课程内容、思考题等，为学生提供了方便实用的自主学习环境。

慕课网站基于西南科技大学学堂在线慕课平台和超星慕课平台。主要内容有慕课视频、练习题、讨论单元、评价单元等。慕课视频共录制了69个，覆盖经典控制理论所有章节的内容。这些慕课视频以知识点为单位，短则3分钟，长则15分钟，便于学生随时利用碎片时间，也不易让学生产生疲劳厌倦。每个视频后面都有针对性的小测试，帮助学生评价自己的学习效果。讨论单元中学生可以自由提问，也可以由教师引导提问，大家共同讨论。

所有这些一起为教学过程提供了辅助支持，即没有精心设计的教学资源，混合式教学也无从谈起。

2.2 教学设计

2.2.1 试点班组织

以自动化卓越2013，2014，2015级共三届学生的自动控制理论课程作试点，2013级共41人，2014级共32人，2015级共58人。从2016级开始，将混合式教学推广到了包括电气工程及其自动化、电子信息工程等专业的自动控制理论课程。

混合式教学的实施需要对整个教学过程重新设计，减少课堂学习时间的同时增加了学生自主学习的时间。在2013级的实施中，采用了全翻转课堂的形式。学生知识点的学习几乎全部在课外完成，要求完成线上作业和教材中的习题及观看视频。一方面，根据设计好的讨论议题进行讨论以深化理解；另一方面，解答学生的疑问，有必要的也拿出来讨论。在实施结束，综合听取学生反馈意见后(学生认为学习时间过长)，对2014级、2015级、2016级采用混合式教学模式。由教师主讲课程的多数内容，尤其是章节概述、总结及各种方法的思路等，但有些具体的内容由学生自学；为了检验学习效果，增加了课堂提问的频率，增加了阶段测试环节。仍然要求完成线上作业和教材中的习题，但不强制要求看视频。

2.2.2 教学过程的设计

为了配合教改试点班的实施，需要做的工作主要包括学生课前学习任务单的设计、配套知识点视频的录制以及课堂讨论的组织等。课前学习任务单告诉学生应该掌握的内容，包括需要理解和掌握的基本概念、基本理论和基本方法，也可以具体到相关例子或者习题，作为学生检验自学成效的依据；在此基础上对学有余力或感兴趣的学生提出更高的要求。慕课视频覆盖所有知识点，帮助学生课下学习。一方面，课堂讨论对普遍存在的问题进行讲解；另一方面，也可以根据学生的学习情况引导更深入的讨论，加深理解。

(1) 课前学习任务单的设计

课前学习任务单主要是每一章的基本概念，例如，第一章的任务单“什么是自动控制系统？自动控制系统有哪些应用？举例说明自动控制系统的组成部分。理解控制系统的被控对象、被控量、给定量、干扰量等。开环系统与闭环系统的区别？控制系统有哪些类型？恒值控制和随动控制分别是什么概念？对控制系统的要求有哪些？”旨在帮助学生理清逻辑、整理思路、培养思维。

(2) 课堂讨论议题的设计

课堂讨论议题主要是每一章易混淆、需要进一步理解的概念，或者引导学生与实际工程的联系，例如，第一章的讨论议题“反馈能否抑制测量装置故障引起的输出量变化？电加热炉温度控制系统的被控量、被控对象、给定量分别是什么？自动控制系统由哪些部分组成？振荡是如何产生的？如何理解稳快准？分析一个你们熟悉的控制系统的原理，给出方框图。”旨在增加师生和生生互动、提高学生参与度，同时帮助学生正确理解、激发学生思维、促进学生深入思考，在讨论中锻炼学生思辨能力和表达能力。

2.3 教学理念

要将混合式教学线上学习和面对面教学两部分都开展好，教师的教学理念必须更新。在执行的过程中，以混合式教育思想，即“主体-主导结合”的教育思想为指引，兼取“传递-接受”和“自主-探究”的教学观念。从以教师为中心转变为以学生为主体，又不能忽视教师的主导作用，课堂教学从单纯的课堂授课到增加讨论互动。在教学方法上，倡导主动学习，培养学习兴趣、思辨能力、学习能力、解决问题的能力。课程组对学习过程进行了精心设计，在辅导学生的过程或与学生讨论的过程中，不是直接帮助学生找到答案，而是引导学生思考，寻找解决问题的方法；鼓励学生进行探究式学习，课后作业或思考题要求学生进行小组讨论，课堂上加强师生互动和生生互动，使学生获得思辨能力；进一步通过对典型案例的分析，培养解决问题的能力。这种新的教学模式的建立是经过长期探索、实践、改进，再研究、再实践的结果。

同时，新的教学理念融入工程教育质量认证和卓越工程师培养要求，从重理论到理论与实践并重。设计的MatLab仿真软件可供学生仿真实际系统并与理论结果和实验结果比较；自动控制与仿真、过程控制、PLC等开放实验室，可供学生随时实验；以科技竞赛为支撑的各种工程实训，包括电子设计竞赛实训、智能车大赛实训、西门子杯实训、台达杯实训等，为学生提供了控制系统设计的平台；实验室的吊车摆设备、水箱液位系统、机械臂、风力摆等为学生提供了从仿真到软硬件设计到编程调试的整个控制系统设计过程。教学理念与教学过程关系示意图如图2所示。

图2教学理念与教学过程关系示意图

3、实施效果

三届试点班的教学已结束。从个人体会和学生的考试情况看，学生基本概念的掌握比以往有所提高，理解也比较深入，更愿意去分析和解决问题；学生的期末成绩也比平行班分别高出12.9，11.4，7.8分。从学生的评价和调查问卷看，教改试点的认同度比较高，学生评教均在90以上；80%以上的学生认为增加了互动交流，学习主动性有所提高；有学生给出了“感觉这才是大学应有的样子”“自己的独立思考能力有较大提升”“这门课的教学方式培养了自学能力”“在不知不觉中影响学习习惯，变得乐于主动讨论”等评价，成为继续下去的动力。从工程实训和科技活动看，学生积极性比较高，也有学生专门针对科技活动中遇到的控制问题来课堂或网络讨论。

现在已经对试点班进行了推广，在2016级自动化、电气工程及其在自动化专业全面实施，共300余人。下一步计划与第三方网络平台合作，补充网络习题和考试题的类型，实现社会开放。也会与其他课程组教师合作，共同商讨完善混合式教学的实施方案。

4、存在问题及解决方案

在实施和推广过程中，混合式教学可能存在以下问题。

(1) 讨论课学生人数直接影响到翻转课堂模式的推广

一般而言，如果讨论课人数超过60人，不少学生将没有发言机会，但现在高校普通班的学生人数多数在60～100人。例如，2015级班上学生有60人左右，明显感到很多学生专注力不够。考虑两种解决方案，一是采用授课统一、讨论课分批次进行，这需要教务处配合执行；二是借鉴网络论坛的形式，将讨论议题放在网上讨论，网络行为自动记入平时成绩。

(2) 课上课下的思考时间可能加重学生负担

对于这个问题，笔者认为：首先，学好知识肯定要多花工夫，想不努力又想学好是不可能的。其次，在后续的教学设计中也会考虑尽量减轻学生的负担，有部分的学习通过高效的课堂讲授进行，在讲授中注意启发学生思考。有部分学习则必须要有学生的思考过程以加深理解。

(3) 视频的录制、线上的管理等增加教师负担

视频的录制可以做到一劳永逸，这样的工作量教师可以接受。线上的管理可以考虑由研究生助教承担，学校适当给予工作量认定也是必需的。

参考文献：

[1]何克抗.从翻转课堂的本质看翻转课堂在我国的未来发展[J].电化教育研究,2014(7):5-16.

[2]张其亮,王爱春.基于“翻转课堂”的新型混合式教学模式研究[J].现代教育技术,2014,24(4):27-32.

[3]林雪燕,潘菊素.基于翻转课堂的混合式教学模式设计与实现[J].中国职业技术教育,2016(2):15-20.

于春梅,张春峰,徐苏.自动控制理论混合式教学模式的实践[J].中国现代教育装备,2020,(1):73-76.