自動控制原理課程教學模式探索

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［摘要］在全球依托互聯網平臺開展大規模在線開放課程建設，實施線上教育模式的背景下，為同時解決線下傳統課堂教學模式和線上MOOC教學模式的弊端，基于江南大學自動控制原理課程建設，將MOOC在線課程資源建設與課堂教學相融合，開展“線上-線下”信息融合的混合式教學模式的研究與實踐探索，全方位改革課程教學大綱、教學方法、師資隊伍、考核評價方法與實踐教育環節，從廣度與深度上全面提升校內外學生的學習自主性、增加學生獲取資源的自由性，提升了課程的教學質量和輻射影響力，能為其他相關課程建設提供借鑒思路。

［關鍵詞］自動控制原理；混合式教學；教學模式；MOOC

在新媒體時代，隨著互聯網技術的日益發展，高等教育信息化程度不斷提高，大規模在線開放課程MOOC（MassiveOpenOnlineCourse）作為一種新興的教學和學習模式，在2008年由加拿大學者DaveCormier和BryanAlexander提出。MOOC是一種將課程資源和參與者聚集到開放式網絡平臺上，對學習者進行知識講解和問題討論的互聯網教學模式，具有開放性、大規模和社會性等特點［1］。2011年秋季，美國斯坦福大學開設了人工智能免費課程，網上注冊人數超過了16萬，目前在Cours⁃era、Udacity、edX等國內知名MOOC網站提供的課程數量有上萬門。2013年秋季，我國清華大學首先開放了2門MOOC課程。隨后，國內一流高校都相繼在中國大學MOOC網、學堂在線、超星等公共平臺上推出了各具特色的MOOC課程。這些課程突破了傳統課堂授課模式在時間和空間上的限制，實現了課程內容和資源的開放，便于學生利用碎片化時間反復學習。總體而言，MOOC在線教育模式是提升高質量教學資源公開性和教育過程公平性的一個重要舉措，現如今它已引起了全球教育界的廣泛關注［2-3］。自動控制原理課程不僅是自動化、電氣工程及其自動化的專業核心課程和考研科目，同時也在機械制造及自動化、測控技術與儀器以及系統工程、電力、冶金等專業開設，具有廣泛的學生基礎［4-5］。另外，本課程要求掌握工業自動化應用技術的理論基礎，強調理論分析聯系工程實際，在當前工業智能自動化制造背景下具有十分廣泛的社會需求。因此，依托自動控制原理這門課程，將MOOC在線課程資源建設與課堂教學相融合，開展線上與線下信息融合的混合式教學模式的研究與實踐，通過線上與線下課堂教學和互動討論，能進一步加深學生對自動控制基礎知識點的理解和掌握，并讓學生學會利用數學、物理等基礎知識表達和描述自動控制系統的工程問題，加深學生對自動控制原理這門課程的基本知識點和系統設計方案的理解，同時這對提升課程的校內外影響力和輻射力也具有重要的意義。

一、現狀分析

目前在中國大學MOOC網站開放自動控制原理課程的主要有華中科技大學、西安交通大學、南京航空航天大學、江南大學和南京郵電大學等，但更多的高校依然是以傳統課堂教學的方式開設該課程。該課程對于學生的預備知識，如數學、物理等自然科學和工程實踐類知識的要求較高，傳統課堂教學方法具有可以為學生進行面對面精講細講的優勢，便于學生理解和掌握該課程知識，但在各高校普遍壓縮課程學時的背景下，這種傳統課堂教學方法也隨之暴露了以下一些弊端。1.課堂知識傳播在大多數情況下是單向的，以教師為主體，缺乏廣泛的互動研討；2.多數采用封閉式課堂教學和課后答疑模式，教師與學生，學生與學生之間缺乏大規模的交流公共平臺；3.教學資源以紙質教材、講稿和電子PPT為主，不夠豐富和生動；4.考試以筆試為主，缺乏對學生綜合能力和學習過程的評測；5.課程教學主要面向少數校內學生，社會影響力和受益人數受限。MOOC在線課程的開設可以為學生學習課程帶來時間和空間上的諸多便利，但單純以MOOC在線課程平臺開展互聯網線上教學活動也存在以下一些問題。1.無法有效監督學生的學習過程，當前大多數在線開放課程公共學習平臺上開展的教學活動僅停留在控制訪問時間的層次上；2.對自學能力差的學生來說，在沒有教師針對性的答疑解惑的情況下，他們對知識的掌握一知半解，反復學習的效率低下；3.網絡考試的真實性和公平性在現今的公共學習平臺上存在漏洞和爭議；4.學生學習自覺度較低，在MOOC課程網站完成整個在線學習的人數比例較低。從上述分析可知，在傳統教學模式中，少量學生是通過固定時間、固定地點在課堂上獲取教師講授的知識，但課堂時間短且學習者往往是被動的獲取知識，這使得知識理解和消化往往發生在課外。但線上MOOC課程教學的優勢則在其開放性和個性化，讓校內外學生都可以通過互聯網在任意時間和地點主動獲取知識，使其變成學習的主動者，但總體知識深度和個體學生知識掌握的真實度不夠。

二、改革思路和措施

因此，針對傳統課堂教學和MOOC在線課程這兩種教學模式的優劣，將線上MOOC教學的優勢與線下傳統課堂教學相結合的混合式教學模式目前得到了廣泛的關注，尤其是對于那些知識點多、分析復雜、邏輯嚴謹、工程背景強的一些工科專業核心課程而言，混合式教學模式對提升學生知識和技術能力以及提高教師的教學水平都可以起到很好的促進作用［6-7］。我們廣泛征求意見，總結教育教學方法，研究在當今移動互聯網新媒體的大時代背景下，在社會專業知識更新迅速、個人知識面需求廣、學習時間碎片化等條件下，該如何針對自動控制原理課程知識點多、邏輯性強、應用性強、社會需求量大的特點，通過互聯網公共平臺完善“十三五”江蘇省在線開放課程自動控制原理課程建設；在MOOC教育背景下開展自動控制原理課程線上與線下信息融合的混合式教學模式的研究與實踐，融合MOOC網絡在線教育與課堂線下教育，全方位改革課程教學大綱、教學方法、師資隊伍、考核評價方法與實踐教育環節，從廣度與深度上全面提升學生的學習自主性、增加學生獲取資源的自由性，以及運用本課程專業知識解決各種實際問題的實踐性，滿足多行業背景下自動化專業對“厚基礎、寬口徑”工程實踐創新人才的培養需求，提升課程教學質量并輻射影響其他相關課程建設。（一）重新梳理知識點重新梳理知識點，修訂線上與線下教學融合的課程大綱。傳統課堂教學模式以章節與固定課時為單元進行授課，而MOOC在線課程教學則以知識點和10分鐘左右的不固定課時為單元進行授課。因此，開展混合式教學需要首先重新設計教學內容以順利銜接線上教學與線下教學過程。我們以“系統建模、系統分析、系統設計、系統應用”為邏輯主線重新梳理出自動控制原理課程的58個知識點，并通過課程組教師研討和調研學習，以MOOC知識點和該課程支撐的工程教育專業認證中自動化專業學生畢業要求為目標修訂課程大綱。同時，在課程大綱中明確校外學生的基礎性普適教學知識點范圍和校內學生的拓展性拔尖教學知識點范圍，為課程組教師規范開展自動控制原理課程的混合式教學提供總體指導。（二）開展翻轉課堂與引導式教學相融合的教學方式。在“自動控制系統基本概念與組成、自動控制性能要求”等知識點的課堂教學過程中，引用具體自動控制工程系統的分析與設計案例，以設疑的方式引導學生思考問題的解決思路，然后再指引學生去不限于本校的MOOC在線課程開放平臺的對應單元獲得更多的課外知識鏈接和具體講解，然后在MOOC網絡公共平臺上開展線上討論與線下教師點評。此外，對于“控制系統根軌跡分析法”“控制系統結構圖與信號流圖”等某些相對獨立、完整的MOOC教學知識點，考慮把這些知識點作為翻轉課堂的素材，要求學生在指定的時間內完成在線學習，在確認所有學生都完成了該部分內容的學習后，再開展圍繞這一知識點的課堂討論和頭腦風暴活動，增加學生的學習自由度，加深其對知識點的理解。（三）組建多專業教師混合的并行教學課程師資隊伍。江南大學的自動控制原理課程除了在自動化、電氣工程及其自動化專業開設以外，在物聯網工程、計算科學與技術、機械工程及其自動化等專業也有類似課程開設，教師分布在各個專業獨立教學。考慮到各專業對該課程知識點的側重點會有不同，線下教學依然以各專業教師為主，同時融合各專業教師組成MOOC課程建設師資隊伍開展線上教學活動。對于各專業都適用的知識點由MOOC在線課程教師進行講解，專業教師線下點評；對于各專業不同的知識點，先由專業教師獨立講解，然后所有專業學生都可以在MOOC課程公共平臺進行研討，增加不同專業學生和教師間的互動，從而構建多位教師并行教學的課程師資隊伍。（四）制定線上互評與線下考評融合的綜合評學方式。該課程改變單純以線下教育結果評價學生能力的評價方式，在面向校內外全體學生的在線課程講授過程中，我們設置平時作業、單元測試、期末考試、互動討論等教學環節，主要把MOOC在線課程的知識點學習結果作為學生互評的基礎，實施在線激勵性措施，開展互評互動，互評結果作為校外學生學習的主要考核指標，以及校內學生學習的階段性考評結果，并在最終的總分考核結果中適當增加15%的在線學習成績比例以突出學生自主學習能力的評價，使學生意識到MOOC在線學習內容與線下課堂講授內容的同等重要性。同時，為保證校內學生最終學習成績考核的公平性，線下的測試、討論和實踐等環節的考評結果將依然作為綜合評價校內學生學習能力的重要環節。（五）設計理論知識與實踐教學融合的工程教育環節。考慮到自動控制原理課程的授課對象主要是工科學生，這類學生在工程教育過程中非常重視動手實踐能力的培養，但是校外學生受具體實驗條件的限制，不能像校內學生一樣開展實物操作，因此本課程學習要求學生掌握基礎的計算機控制仿真技能，依托MATLAB軟件，在MOOC在線教學環節中加入磁盤讀取系統、伺服電動機等工程仿真案例分析，并利用線上教學與線下練習的課外時間針對這些工程對象進行連續或離散建模、穩態和動態性能分析和串聯滯后或超前校正的編程指導，從而讓學生通過仿真進一步驗證和深化所學的自動控制理論，熟悉解決工程控制問題的基本步驟。自動控制原理課程是江南大學首批卓越課程，經過一定的建設實施課程取得了一定的實效，主要體現在以下幾個方面。1.線上與線下學習資源相結合，提高了校內外學生學習的自主性與選擇性，現已有校內學生300余人，校外學生近500人在中國大學MOOC網站進行了學習。2.線上與線下教學相結合，增加了教師與學生間互動交流學習的機會，做到校內學生及時答疑，校外學生網站答疑基本保證在48小時內。3.線上與線下考核相結合，提升了對學生學習效果與自學能力考評的全面性，校內學生的成績優良率提升了10%，不及格率降低了5%；校外學生完成所有課程知識點學習并合格的人數比例為2%，且還有持續提高的空間。另外，該課程的混合式教學模式在實施過程中還存在一些問題，需要進一步完善和探討，具體如下。1.線上與線下混合教學的MOOC課程知識點與現有課程大綱中課堂教學知識點不一致，缺乏細化、精煉和模塊化改造，因此混合式教學的首要目標是進一步解決線上與線下教學活動的銜接問題，扭轉教師和學生的學習慣性思維。2.解決線上教學內容短而不深與線下教學內容深而不廣的問題，混合式教學方法改革需要根據知識點的不同將講授式、問題研討式、項目驅動式等多種教學方法合理融合，但在線上進行項目驅動式的項目指導存在各種局限性，今后將考慮引入遠程實驗的指導教學方式。3.混合式教學方式將不同專業背景的教師組成師資隊伍，解決了教師知識單一性的問題，實現了教師的時間和知識的互補，但面向大規模不同專業背景的在線學生和不同行業的工程問題進行針對性教學和解答時，有時需要集體討論，教師的混合式教學能力需進一步提升。4.混合式教學需加入學生學習過程的評學考評，可以初步解決線下考評與線上考評的綜合性評價問題，但是對于線上考評成績的公平真實性問題由于互聯網學習的特點，目前尚未解決。

三、結束語

本次教學改革立足于江蘇省品牌江南大學自動化專業建設和自動控制原理卓越課程優勢，通過分析傳統課堂教學與MOOC在線教學模式的利弊，提出和探索了MOOC教育背景下自動控制原理課程的混合式教學模式，探索了“線上-線下”信息融合的校內外教學舉措。其主要特色和創新點體現為：面向“校內-校外”不同基礎的學生需求，組建“專業內-專業外”的專業師資隊伍，整合教學資源分配“課內-課外”教學內容，在MOOC背景下實現大規模、多層次的自動化人才培養的“線上-線下”混合式教學過程；兼顧公平性和全面性，突出自主學習、互動研討和動手實踐能力的評價，制定混合式教學模式下線上互評與線下考評融合的學生能力和學習過程的綜合評學機制。這些舉措對于促進自動化品牌專業建設、提高教學質量、培養創新性人才起到一定的促進作用。同時該課程建設的MOOC在線學習課程立足于校內，定位于江蘇省，目標輻射向全國，為普及和提高社會公眾和學生的自動化知識水平和技術技能做出一定的貢獻。本課程的混合式教學研究成果也可以推廣到類似專業的其他課程教學改革中去。

作者:陶洪峰 單位:江南大學教育部輕工過程先進控制重點實驗室