基于SPOC的自動控制理論課程教學模式改革研究

游文霞 李文武 王凌云

摘要：自動控制理論課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程。針對該課程教學內(nèi)容多與教學學時少的問題，以及學生較難利用本課程原理解決實際控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的現(xiàn)狀，提出利用小規(guī)模限制性在線課程（SPOC）來進行控制理論課程教學模式改革。首先建立了基于SPOC的線上線下混合式自動控制理論教學模式的整體框架，通過增加課外線上學習時間解決了教學學時少的問題。接著說明課程改革的具體實施方案，在實施翻轉(zhuǎn)課堂中增強了學生解決實際控制復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：SPOC;混合式教學;翻轉(zhuǎn)課堂;自動控制理論課程

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0155-02

一、自動控制理論課程教學模式現(xiàn)狀

自動控制理論課程是三峽大學電氣與新能源學院電氣工程及其自動化專業(yè)的學科基礎(chǔ)課，是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強的課程。通過對本課程的學習，要求學生掌握自動控制的基本理論和基本分析方法，能應(yīng)用控制理論對自動控制系統(tǒng)進行性能分析，能對系統(tǒng)進行校正和提出改善系統(tǒng)性能的途徑和方法。學習本課程要求學生較好地掌握高等數(shù)學、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、積分變換和電路等課程;同時該課程的學習效果又直接對電氣工程及其自動化專業(yè)的電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)自動化、配電網(wǎng)分析等課程產(chǎn)生直接影響。

本課程的教學目標包括：（1）能結(jié)合工程問題，理解自動控制的基本概念和實際自動控制系統(tǒng)的工作原理;（2）能運用相關(guān)理論知識建立自動控制系統(tǒng)特別是電氣工程領(lǐng)域?qū)ο蟮奈⒎址匠棠Ｐ汀鬟f函數(shù)模型以及狀態(tài)空間模型并正確求解;（3）能對自動控制系統(tǒng)進行時域分析、根軌跡分析、頻域分析及狀態(tài)空間分析，并從多方面對自動控制系統(tǒng)進行評價;（4）能按要求性能指標，應(yīng)用頻域法、根軌跡法和狀態(tài)空間法設(shè)計控制系統(tǒng);（5）能針對一個實際的控制工程問題，使用MATLAB軟件進行模型建立、性能分析和控制器設(shè)計。

本課程長期以來采用傳統(tǒng)的教學模式，即以教師課堂講授為主，輔助學生課外復(fù)習做作業(yè)。從近幾年該課程的考試通過率、課程達成度指標等數(shù)據(jù)，以及學生畢業(yè)設(shè)計、學科競賽等實踐環(huán)節(jié)來看，此種傳統(tǒng)教學模式存在兩個主要問題。一是教學內(nèi)容多與教學學時少之間存在矛盾。專業(yè)人才培養(yǎng)方案中要求掌握較多的自動控制理論來解決復(fù)雜的工程問題，使得自動控制理論課程知識點多，在有限的課堂學時下教學進度較快，學生難以跟上。二是該課程理論性較強，學生不會有效利用該課程的基本原理解決控制系統(tǒng)復(fù)雜工程實際問題。

本文針對自動控制理論傳統(tǒng)教學模式存在的問題，利用基于SPOC的線上線下混合式教學模式改革自動控制理論教學，全文內(nèi)容安排如下：第二部分介紹SPOC，第三部分建立基于SPOC的線上線下混合式自動控制理論教學模式整體框架，第四部分說明課程改革具體實施方案。

二、SPOC

MOOC（Massive Open Online Course，大規(guī)模開放性在線課程，常譯為慕課）是目前國內(nèi)外大力發(fā)展的在線教育形式，為不同層次、不同類型的受教育者提供個性化、多樣化、高質(zhì)量的教育服務(wù)，促進學習者主動學習、釋放潛能、全面發(fā)展。MOOC是信息技術(shù)、智能技術(shù)與教育教學的深度融合，必將引起教育理念、教學內(nèi)容、教育教學模式與方法的深刻變革。自2012年MOOC元年之后，MOOC平臺建設(shè)日益升溫。Coursera、Udacity、edX三大課程提供商的興起，給更多學生提供了系統(tǒng)學習的可能。我國也大力發(fā)展MOOC平臺，以中國大學MOOC為代表的平臺運營日益成熟，大量在校生和畢業(yè)生利用MOOC平臺提供的課程開展在線學習。

但是在利用MOOC進行教學過程中，仍存在一些問題。沒有先修條件、沒有規(guī)模限制和缺乏師生互動是MOOC的主要局限。由于不設(shè)先修條件，學生的知識基礎(chǔ)參差不齊，不僅損害了學生學習的自信心，也影響了教師教學的積極性[1]。沒有規(guī)模限制和缺乏師生互動使得MOOC教學很難適應(yīng)不同學習基礎(chǔ)、不同學習習慣的學生。

SPOC是將MOOC教學資源如微視頻、學習資料、訓練與測驗、機器自動評分、站內(nèi)論壇等應(yīng)用到小規(guī)模的實體校園的一種課程教育模式，實質(zhì)是將優(yōu)質(zhì)MOOC課程資源與課堂教學有機結(jié)合，借以翻轉(zhuǎn)教學流程，變革教學結(jié)構(gòu)，提升教學質(zhì)量，既能充分發(fā)揮MOOC的優(yōu)勢，又能有效地彌補MOOC的短板與傳統(tǒng)教學的不足[2]。SPOC在MOOC的基礎(chǔ)上增加了實體課堂教師面授教學的環(huán)節(jié)，整個教學過程中為學生提供了更多與教師溝通的渠道和機會，可以有針對性地為學生提供契合其學習特點并量身定制的課程。

三、自動控制理論課程教學模式改革的整體框架

自動控制理論課程作為三峽大學電氣工程及其自動化專業(yè)的學位課，目前在大三上學期安排56個學時完成教學任務(wù)，共3.5個學分。

開展課程教學，需要在各MOOC平臺上遴選需要的課程資源，包括講課視頻、講義、習題等;繼而在此基礎(chǔ)上開展基于SPOC的混合式教學過程。混合式教學過程采用線上線下相結(jié)合的形式，即首先利用在線課堂實現(xiàn)課前學習，然后在實體課堂上開展研討，并在課后利用在線課堂練習鞏固知識點，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂。課程的評價將結(jié)合在線課堂和實體課堂的表現(xiàn)綜合進行。

四、自動控制理論課程教學模式改革實施方案

為開展本文提出的基于SPOC的課程教學模式改革，針對三峽大學電氣與新能源學院電氣工程及其自動化專業(yè)的電氣英才班學生開展試點，具體實施方案如下。

1.自動控制理論課程的MOOC教學資源準備。在開課之前，分析學生的前導(dǎo)課程學習情況、本課程的教學大綱以及學生的學習習慣，進而確定MOOC教學資源。本課程的在線學習資源擬結(jié)合三峽大學電氣工程及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，采用引進模式。通過國內(nèi)中國大學MOOC、清華學堂在線、好大學這三大MOOC平臺，檢索對應(yīng)的課程資源，確定采用中國大學MOOC平臺上的自動控制原理這門國家精品MOOC課程作為學習資源。

2.基于SPOC的自動控制理論課程混合式教學過程。本課程在中國大學MOOC平臺上采用異步方式拷貝課程資源到三峽大學開設(shè)自動控制理論課程的SPOC空間中去，所有學生和課程組老師均加入這個SPOC課程。混合式教學過程以解決問題為主線，包括課前學習、課堂研討和課后練習三個環(huán)節(jié)。

課前學習的主要任務(wù)是引發(fā)問題。課前學習環(huán)節(jié)在線上課堂實施。首先在開課之初先向?qū)W生介紹課程內(nèi)容和教學方式，然后要求學生在中國大學MOOC平臺注冊。課堂研討在傳統(tǒng)的實體課堂中展開，在三峽大學智慧教室中進行，采取分組討論方式，教學過程主要分三個階段。首先教師根據(jù)SPOC平臺記錄的學生在線學習情況，對學生的疑問進行分析，對重難點加以解釋。然后教師根據(jù)不同學生表現(xiàn)出來的信息，提供一些難度較高但不相同的習題，供學生進行知識點遷移訓練，實現(xiàn)真正意義上的因材施教。

課后練習環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是問題深化。課后練習環(huán)節(jié)在線上課堂實施，是對前期活動的鞏固、升華，并為下一階段的教學做準備。

五、總結(jié)與展望

基于SPOC的自動控制理論課程教學模式，可解決該課程教學內(nèi)容多與教學學時少的矛盾，提高學生利用本課程原理解決實際控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力。由于實體課堂教學不再詳細講解知識點，因此倒逼學生自主在線上學習，并針對具體問題綜合利用所學知識點解決工程復(fù)雜問題。本課程的教學模式改革可以推廣到其他課程并對其他工科課程建設(shè)起到示范作用。

未來還需要對課程評價開展進一步研究，從課程的評價主體、評價內(nèi)容、評價方式和評價功能方面進行全方位的教學改革，建立多元教學評價體系，避免由單一考試考核導(dǎo)致的學生突擊學習現(xiàn)象，實現(xiàn)以評促教，以評促學。

參考文獻：

[1]康葉欽.在線教育的“后MOOC時代”——SPOC解析[J].清華大學教育研究，2014，35（1）：85-93.

[2]曾明星，李桂平，周清平，等.從MOOC到SPOC：一種深度學習模式建構(gòu)[J].電化教育，2015，（11）：28-34.