“翻轉課堂”在控制系統(tǒng)仿真課程中的應用研究

張磊 周麗芹 任憑 戈立 王琨

[摘 要]本研究采用“翻轉課堂”對控制系統(tǒng)仿真課程開展教學改革，在教學模式和教學內(nèi)容、學習方式、教學實施過程和教學效果評價等方面進行了全方位設計：一方面，進行了適合于控制系統(tǒng)仿真課程特色的教學流程設計，以提高學生自主學習意識為主線，圍繞學生課前、課中和課后三個階段的學習資源和活動進行了綜合設計;另一方面提出了采用立體式教學資源與動手實踐相結合的混合式授課方式。設計的教學新方法，充分給予學生自主學習、獨立思考、勇于提問、自主安排學習進度的機會，激發(fā)了學生的自主學習意識，達到了提高教學效果的目的。

[關鍵詞]翻轉課堂;系統(tǒng)仿真;實踐教學;教學改革

[中圖分類號] TG156[文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0066-03

“翻轉課堂”是一種新興的教學模式，這種教學模式借助新的信息技術將傳統(tǒng)的以教師授課、學生聽講，教師為主、學生被動接受知識的授業(yè)形式，轉換為學生是課堂的主體，教師是課堂內(nèi)容的編導和指導者的教學方法[1-2]。由于該模式以激發(fā)學生的自主學習積極性為宗旨，側重學生實踐能力的培養(yǎng)，因此在自動化專業(yè)的相關課程中得到了一定的應用，并取得了良好的教學效果[3-4]。

控制系統(tǒng)仿真課程是控制理論、計算數(shù)學和計算機相關知識的交叉學科，它是分析和設計各類復雜系統(tǒng)的強有力工具。由于在課程中使用仿真軟件MATLAB，需要安排在計算機機房上課，教師在課堂中針對該軟件的使用方法、工具箱函數(shù)、Simulink控制系統(tǒng)框圖的搭建、圖形用戶界面系統(tǒng)仿真工具的使用方法等進行講授、演示和說明。針對控制系統(tǒng)仿真，國內(nèi)一些高校已有具有成效的改革和嘗試[5-6]，但依然存在一些突出的問題。例如，如果實踐環(huán)節(jié)由教師演示學生同時操作驗證，則不僅需要時間長，而且由于學生進度的不同將嚴重影響授課質(zhì)量。而課堂中一半時間講授和演示，一半時間交給學生進行題目練習的形式，雖然保證了教學進度，但又由于講授的時間大幅度縮短，造成簡單的內(nèi)容一帶而過，需要精講的內(nèi)容顯得過于倉促，學生對新內(nèi)容不熟悉，剛進入狀態(tài)課堂練習就結束，不得不在課后使用較多時間重復操作而造成學習效率低下。針對綜合設計題目教師更是難以當面與學生溝通和指導，無法保證實踐環(huán)節(jié)的效果。

針對以上問題，綜合理論結合實踐的教學要求，課題組依據(jù)“翻轉課堂”的優(yōu)勢特色，設計了針對控制系統(tǒng)仿真課程的立體式教學新方法。首先，課前安排預習教材、發(fā)布學習資料和重點教學環(huán)節(jié)的微視頻，課中首先以考查題目和項目任務兩種形式發(fā)布本章節(jié)的要求，指導學生觀看課件、視頻，獨立操作。考查題目是本章節(jié)的基礎內(nèi)容，是必須通過練習完成的任務，而項目任務是設計或綜合類題目，要求學生結合本章所學內(nèi)容并綜合前面章節(jié)的知識才能夠完成。其次，安排學生相互交流完成題目任務，教師在課堂中隨機查看任務完成情況，隨時接受學生的提問，協(xié)助學生解決疑難問題。最后，安排助教檢查每人的考查題目完成情況，記錄問題并匯總。課后通過安排復習鞏固型練習（包含課堂中未講授的知識點的設計類問題），讓學生綜合運用學科中涉及的其他課程內(nèi)容來完成。依據(jù)自動化專業(yè)綜合實踐性課程的特點和要求，結合工程教育專業(yè)認證的內(nèi)容目標，通過對該類型課程教學改革的探索和應用型研究，所設計的課程學習新模式取得了滿意的教學效果，大幅度提高了教學質(zhì)量和學生滿意度。

一、“翻轉課堂”教學模式

基于“翻轉課堂”的教學模式重在模型和內(nèi)容的設計，鑒于控制系統(tǒng)仿真課程在學生動手實踐環(huán)節(jié)的重點要求，其設計的實質(zhì)是將知識傳遞的過程由單純的課內(nèi)講解、演示轉變?yōu)檎n前準備、課內(nèi)實踐和課后獨立練習三個階段。

在中國海洋大學本科教育教學項目的研究基礎上，結合自動化專業(yè)課程實踐教學環(huán)節(jié)貫穿課程始終的特點[7-8]，課題組設計撰寫了由電子工業(yè)出版社出版的《基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真》教材。該教材依循“翻轉課堂”的教學思路，嘗試性地提供了多項教學特色，減少了教師講授時間，大幅度增加了學生自主學習和實際動手的環(huán)節(jié)，教師能夠有更多的時間與學生進行交流和討論。教材初版和涉及的教學資料在本校進行了實踐，教師采用重點講授、協(xié)作指導和問題討論的形式滿足學生的需要和促進學生的個性化學習。

（一）課程內(nèi)容的設計特點

1.教學信息更加清晰。課堂開始前教師發(fā)布本次課程需要的教學資料和實踐要求、教學PPT、演示視頻、章節(jié)要求、需要完成的考查題目等內(nèi)容，此外給出項目任務引導學生以“任務驅動”[9]的方式思考設計類和綜合類問題;引導學生按照自己的理解情況安排學習進度，以需要掌握的知識重點為主線，以考查題目為任務導向，以學生個體為教學單元，邊學、邊練、邊討論，通過教師個性化的有效輔導全面提升學生的學習效果。其中，章節(jié)要求是在控制系統(tǒng)原理課程理論部分基礎上進行設計的，即側重于“用知識做什么”。而考查題目的設計則是將具體的任務與使用MATLAB/Simulink實現(xiàn)理論分析和控制系統(tǒng)仿真的目的進行有效的結合。

2.演示視頻針對性強。課程中設計了13個演示視頻，時長均在3～10min左右，內(nèi)容針對性強，都是各章節(jié)綜合性較強的操作演示或設計方法展示，包含完整的知識點講解、例題分析與練習。相關視頻的二維碼設計在重點內(nèi)容的教材當頁，通過掃描二維碼方便學生在閱讀教材的同時能夠注意力集中地觀看視頻，提升學生自主學習的能力。以PID-Tuner控制器設計環(huán)節(jié)的微視頻為例，鑒于該方法涉及步驟多，參數(shù)調(diào)節(jié)時需要多次重復，設計了下拉菜單和按右鍵以對應不同任務要求的多項分支選擇;以解決題目問題為主線，將重復調(diào)試部分步驟縮減并快進顯示，增加暫停畫面和采用標注的形式突出過程中的重點難點，對多項分支選擇部分采取可選擇內(nèi)容全部顯示和標注，但僅側重主要選項的演示。

3.重新構建學習方式。第一階段，要求學生積極利用課堂時間了解本章節(jié)需要掌握的知識重點，通過閱讀教材內(nèi)容、查看課程所提供的課件和例題資料、觀看演示視頻，進而完成每章節(jié)指定的考查題目。第二階段，學生完成本章節(jié)指定的考查題目，對具有分析性質(zhì)及綜合性的題目自主地與其他同學進行交流，討論實現(xiàn)方法。學生在解決問題的過程中積極主動地構建知識，依據(jù)教師設計的章節(jié)知識框架，有選擇地針對自己的理解和掌握情況分配學習時間。從過去有限的課堂教學指導轉換為面向學生具體問題需要的“一對一”輔導，并形成討論，教師可以不正面回答，而是以提問方式先了解產(chǎn)生該疑問的原因，再引導學生自己找出答案。第三階段，學生在課堂外完成教師給出或教材中要求的課后練習題。教師將課堂中學生的提問、討論的過程、題目完成情況進行匯總、整理和分類，有針對性地完善教案、視頻、PPT等內(nèi)容。

（二）教師與助教的角色設計

本文所闡述的新教學方法，依據(jù)“翻轉課堂”理念進行設計，在提供了大量教學資源之后，需要給教師重新定位，并進行角色的設計[10]。一般情況下自動化專業(yè)的選課人數(shù)都較多，如果僅有1名教師擔任超過80人的新教學模式下的教學任務，則難以達到所期望的教學效果，需要安排助教協(xié)助教師進行課堂教學，因此對助教的角色進行定位和任務設計就顯得十分必要。

首先，教師教學從傳統(tǒng)的知識傳授轉換為對學生的能力培養(yǎng)，這就對教師提出了更高的要求：（1）應當熟練掌教學資源的所有內(nèi)容，這樣才能夠在課堂中隨時回答學生提出的具體問題;（2）不斷地分析總結和整理學生在操作過程中常見的錯誤，遇到問題后能夠快速地幫助學生解決，提高課堂中的指導效率，以便能夠照顧和關注到更多的學生;（3）需要把握MATLAB新版本的使用方法，由于該仿真軟件的功能根據(jù)版本的迭代不斷地更新和升級，這就要求教師能夠依據(jù)新功能更新教學資源中的內(nèi)容，并可以引導學生自行嘗試新功能。

其次，助教的定位是輔助教師完成教學任務，主要任務是指導學生學習教材內(nèi)容、完成指定的考查題目，檢查基礎知識完成情況并做好記錄。本項目實施過程中安排了教師所指導的研究生擔任課程助教，助教不但在本科階段學習過控制系統(tǒng)仿真課程，并且能夠在自己的研究課題中熟練使用MATLAB軟件，能較好地協(xié)助教師教學。

最后，是教師與助教的角色配合。課前教師與助教進行教學任務的講解與安排，指出本章節(jié)重點內(nèi)容和需要考查題目的具體要求，課中助教協(xié)助發(fā)布教學資源、回答學生基礎操作類的疑問、檢查各章節(jié)中指定的考查題目，對于發(fā)現(xiàn)的問題及時和教師溝通，由教師解決或指導學生完成任務，課后根據(jù)課程中檢查的情況，對本章節(jié)的教學效果進行評估。

二、實施與教學效果

（一）教學實施過程

按照模型和內(nèi)容的設計要求，教學的實施過程按照課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)進行。

1.課前，要求學生復習C語言等其他已經(jīng)學習的程序設計知識，復習自動控制原理的相關基礎知識，每節(jié)課前預習教材內(nèi)容。原理性的內(nèi)容安排在自動控制原理課程中學習，并與本課程在同一學期進行授課，需要掌握兩個課程的進度情況。從控制系統(tǒng)建模章節(jié)開始到時域分析、根軌跡和頻域分析，基本保證在學生結束該理論部分學習的一周后開始進入該環(huán)節(jié)的仿真課程，在減少內(nèi)容復習負擔的同時通過仿真實驗加強對理論的理解。而系統(tǒng)校正部分由于是綜合設計環(huán)節(jié)，需要學生按照一定的性能指標要求掌握幾種系統(tǒng)的校正方法，則在理論課程開始前一周進行仿真實驗，掌握串聯(lián)校正和反饋校正模型、PID參數(shù)整定和PID-Tuner的使用方法，為理論課程學習提供支撐。

2.授課過程中，學生按照教師給定的考查題目邊學邊練，完成每章節(jié)后的練習題，在指定的答疑和討論時間段與教師或助教積極互動;向教師或教學助理進行講解和演示，教師則分別針對學生的具體情況和具體問題進行提問、解答和討論。在兩學期的教學項目實施過程中，由于自動化2015級和 2016級學生人數(shù)較多（分別為82人和85人），由教師隨堂隨時回答學生問題，由助教按照章節(jié)要求檢查指定題目的完成情況，遇到疑難問題由教師解答。遇到多名學生提出類似問題的情況時，可臨時中斷自主練習和課堂討論，由教師統(tǒng)一針對此類問題的解決方法和操作上的注意點進行講解，做到共性問題集體解決，個性問題單獨答疑。課堂交流中發(fā)現(xiàn)有學生采用創(chuàng)新方法解決項目問題時，則安排該學生到教師機上演示自己設計的方法，并進行講解，同時回答其他學生提出的問題，做到互學互教。此外，由于MATLAB中工具箱函數(shù)的語法形式較為豐富，所提供的講義、PPT等資料不能夠全部覆蓋，所以提倡學生在學習中使用網(wǎng)絡手段調(diào)查更豐富的使用方法，鼓勵學生對設計類題目采用不同的方法解決問題。最后，助教負責將共性問題和設計上的新方法匯總，以備后期修改和完善。

經(jīng)統(tǒng)計，指導和答疑平均13次/課時，每次約2～6分鐘，13個章節(jié)中前7章基礎部分回答次數(shù)多，用時短，后6章，特別是后4章綜合性強，能夠單獨指導和答疑的次數(shù)明顯減少，用時較長。課前預習較好和掌握能力強的學生提問次數(shù)多，約17%的學生雖然按照要求完成了指定題目，但16次課程中沒有主動提出過問題。

3.課后，學生完成部分課后練習題。教師匯總、整理課堂中的問題，將共性問題作為統(tǒng)一講解內(nèi)容補充到課程的教材、課件和PPT中;將個性問題或操作方式問題，整理為問答集的形式，提供給全體學生自行參考。此外，由于所涉及的仿真程序和模型較多，教師可根據(jù)課程教材中知識內(nèi)容的學習進度分章節(jié)提供模板，引導學生自行分類整理，方便在設計中參考使用的同時達到督促復習的目的。

（二）教學效果評價

課程的考核方式采用課堂考查、項目實驗報告與課程上機考核，綜合計分的形式，綜合考查學生的學習效果，所占比例分別為10%、20%、70%。針對13個章節(jié)的指定考查題目，學生完成后主動要求教師或助教進行檢查，由學生邊操作邊解釋完成步驟和內(nèi)容，教師不僅查看完成的正確率，還根據(jù)學生的講述對學生是否主動學習進行判斷，并納入評價中，學生主動完成講解5個題目以上即得到10%，完成設計型實驗題目并提交實驗報告即得到20%。

上機考試占總成績的70%，可以自行攜帶筆記本電腦，使用課程中的例題、自己設計的程序和Simulink模型，針對給出的試題單獨作答。與本教學項目實施前相比，上機考試題目在難度上有了明顯提高，80%由分析類題目、設計類題目和綜合類題目組成，90%的題目有多個子問題，最多的題目有4個子問題需要依據(jù)前后關系分析回答，考查學生實際分析問題和解決問題的能力。從兩學期的成績看，80分以上的學生數(shù)量明顯增加，達到70%和74%，不及格的學生人數(shù)均僅為1人。

三、結語

本文依據(jù)教育部“新工科”的人才培養(yǎng)機制，以創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為目標，將“翻轉課堂”教學模式應用在控制系統(tǒng)仿真課程，通過中國海洋大學本科教育教學項目兩個年級的教學實踐，完成了課程內(nèi)容的設計，打破了原有的教師主講、學生被動觀看、被動接受知識的現(xiàn)狀，充分給予學生自主學習、獨立思考、勇于提問、自主安排學習進度的機會，激發(fā)了學生的自主學習意識。本文所提出的教學新模式不僅提供“翻轉課堂”所需的完整的立體化資源，同時要求教師不斷吸收新知識、新方法、新案例，更新課程內(nèi)容，準備豐富的關聯(lián)知識來解答學生所提出的具有挑戰(zhàn)性的問題。此外，課程還將課內(nèi)外整體學習狀態(tài)、自主性和學習效果納入課程的評價體系中，創(chuàng)新了教學效果的評價方法，有效地提高了學生課堂中的學習效率和解決實際問題的能力。與傳統(tǒng)授課方式相比，新教學模式使學生學習積極主動、課堂氣氛活躍、知識獲得感強，達到了預期的設計目的。

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[責任編輯：鐘 嵐]