新工科和工程認證背景下計算機控制系統(tǒng)課程線上線下混合教學(xué)模式研究

李明秋，姜淑華

（長春理工大學(xué)，吉林 長春 130022）

隨著全球科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能機器人和云計算等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用得到了各個國家的空前關(guān)注。為了在全球經(jīng)濟發(fā)展和科技競爭中取得優(yōu)勢，我國實施了“智能制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能2.0”等創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)為特點的全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，對工程技術(shù)人才提出了更高的要求。

2017年，教育部高教司推行“新工科”計劃，打破了全國理工高校學(xué)科發(fā)展的困局，提出了加快培養(yǎng)優(yōu)秀工程技術(shù)人才，重視創(chuàng)新思維，探索工科發(fā)展的新體系和模式。

2019年4月29日，“六卓越一拔尖”計劃2.0啟動大會在天津召開，教育部黨組書記、部長陳寶生出席會議并講話。陳寶生部長指出，教育部將從2019年起，分三年全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)，提高高校服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展能力。由此，新工科教育理念在高校中被廣泛認知并得以推廣。同時，為了全面提高高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部全面啟動了工程教育專業(yè)認證工作。長春理工大學(xué)也十分重視并積極參與專業(yè)的工程教育認證工作，自2016年至今，已有多個專業(yè)通過工程認證。長春理工大學(xué)自動化專業(yè)是2020年度國家一流本科建設(shè)專業(yè)。近幾年，專業(yè)教師也一直在為通過工程認證工作而努力。

計算機控制系統(tǒng)是自動化專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)必修課程，該課程融合了數(shù)字控制技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機通信技術(shù)的相關(guān)知識，是一門理論和實踐緊密結(jié)合的課程。多年來，計算機控制系統(tǒng)課程一直采用傳統(tǒng)線下教學(xué)模式，教與學(xué)嚴重分離，教師為主體，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，達不到應(yīng)有的學(xué)習(xí)效果。在新工科和工程認證背景下，為了適應(yīng)自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，改革計算機控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，研究計算機控制系統(tǒng)課程線上線下混合教學(xué)模式，提高自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量迫在眉睫。

工程教育認證為計算機控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革提供了廣闊的平臺，計算機控制系統(tǒng)課程組在充分論證基礎(chǔ)上，以滿足自動化專業(yè)人才培養(yǎng)要求為依托，以工程教育認證為引領(lǐng)，對計算機控制系統(tǒng)課程進行了大幅度教學(xué)改革，構(gòu)建了基于“雨課堂+中國大學(xué)生幕課”的計算機控制系統(tǒng)課程線上線下混合教學(xué)模式。

一、以課程目標為依據(jù)，全面梳理計算機控制系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)基礎(chǔ)與前沿知識相結(jié)合

計算機控制系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容包含以下幾部分：一是計算機控制系統(tǒng)的基本概念，主要包括計算機控制系統(tǒng)的基本組成、分類、計算機控制系統(tǒng)的性能指標、計算機控制系統(tǒng)的過程輸入輸出通道和總線接口技術(shù)；二是計算機控制系統(tǒng)中信號轉(zhuǎn)換，主要包括信號變換原理、采樣信號恢復(fù)與保持器、時域采樣定理等；三是計算機控制系統(tǒng)時域分析，主要包括穩(wěn)定性判斷、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析；四是計算機控制系統(tǒng)模擬化設(shè)計，主要包括模擬化設(shè)計方法基本原理、連續(xù)控制器的離散化方法、數(shù)字PID控制器及Smith預(yù)估控制；五是計算機控制系統(tǒng)的直接設(shè)計方法，主要包括最小拍控制器的設(shè)計方法、大林控制器的設(shè)計；六是基于狀態(tài)空間模型的極點配置設(shè)計方法，主要包括系統(tǒng)的能控性與能觀性判斷，狀態(tài)可測時按極點配置設(shè)計控制規(guī)律、按極點配置設(shè)計觀測器、狀態(tài)不可測時控制器的設(shè)計等。課程組在原來的教學(xué)實踐中多以講授計算機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)理論為主，工程化不強，例如最小拍控制器只介紹了設(shè)計原理，如何工程化實現(xiàn)等并沒有得到充分體現(xiàn)。又比如Smith預(yù)估控制教學(xué)內(nèi)容較為陳舊，理論分析較多，實際工程應(yīng)用介紹較少，沒有與當前工程應(yīng)用接軌。

為了解決計算機控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容陳舊，工程化不強的問題，課程組通過反復(fù)研究討論，確定了課程教學(xué)內(nèi)容改革方案，突出解決復(fù)雜工程問題教學(xué)內(nèi)容，將工程化理念融入教學(xué)內(nèi)容，注重在計算機控制系統(tǒng)課堂教學(xué)中聯(lián)系工程實際，例如在教學(xué)內(nèi)容中引入PID算法工程化處理、工程量的標定與校準處理、最小拍控制器的工程化改進及大林算法工程應(yīng)用中關(guān)鍵參數(shù)的選擇等內(nèi)容。

二、基于“雨課堂+中國大學(xué)生幕課”的計算機控制系統(tǒng)線上線下混合教學(xué)模式

（一）線上線下混合教學(xué)流程設(shè)計

為提高課程學(xué)習(xí)效果，課程團隊結(jié)合多年講授課程經(jīng)驗及對互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源的了解，經(jīng)過前期對騰訊課堂、超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等平臺測試和反復(fù)討論，選用中國大學(xué)生幕課作為課程線上主要視頻資源，以雨課堂作為課程直播、學(xué)生簽到、重點難點討論交流、課程測試等學(xué)習(xí)任務(wù)實施平臺，設(shè)計了基于“雨課堂+中國大學(xué)生幕課”的計算機控制系統(tǒng)線上線下混合教學(xué)方案，具體教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 計算機控制系統(tǒng)課程教學(xué)流程設(shè)計

計算機控制系統(tǒng)課程理論總學(xué)時40學(xué)時，其中線上16學(xué)時，線下24學(xué)時。在線上教學(xué)部分，以中國大學(xué)生幕課作為線上視頻資源，實現(xiàn)將名師請進課堂。課前以教師為主體，精心選擇和設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程知識點制定課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)教師指導(dǎo)，在雨課堂平臺自行學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，并完成線上知識點測試，同時，對學(xué)習(xí)中的重點問題及疑難問題在討論區(qū)進行討論，教師通過QQ群答疑，并在雨課堂平臺跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)進度，督促學(xué)生及時學(xué)習(xí)。課堂上，教師基于雨課堂平臺以學(xué)生為主體，融入課程思政，通過測試、總結(jié)、問題討論等環(huán)節(jié)鞏固知識、應(yīng)用知識，突出教師的調(diào)動和引導(dǎo)作用，幫助學(xué)生高質(zhì)量的掌握課程教學(xué)內(nèi)容。課后，教師通過課后作業(yè)及線上測試等環(huán)節(jié)及時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，利用課后討論敦促學(xué)生掌握所學(xué)內(nèi)容，教師根據(jù)學(xué)生討論和作業(yè)測試等情況滾動優(yōu)化課堂設(shè)計方案。教師通過“引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)、積極參與討論、課后及時反饋”實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)課程線上線下混合式教學(xué)。

（二）整合課程教學(xué)資源，構(gòu)建計算機控制系統(tǒng)線上教學(xué)平臺

課程組優(yōu)選課程資源，建設(shè)具有互動性的課程線上教學(xué)平臺是線上線下混合教學(xué)模式的核心內(nèi)容。計算機控制系統(tǒng)線上教學(xué)平臺主要依托雨課堂教平臺進行，線上教學(xué)平臺主要內(nèi)容包括撰寫課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)、選擇與教學(xué)內(nèi)容配套的優(yōu)質(zhì)幕課視頻、上傳章節(jié)PPT、線上發(fā)布章節(jié)作業(yè)、建設(shè)課程測試題題庫、發(fā)布各章討論題等。計算機控制系統(tǒng)線上教學(xué)平臺組成如圖2所示。

圖2 計算機控制系統(tǒng)線上教學(xué)平臺組成

課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)能夠使學(xué)生了解對應(yīng)章節(jié)的教學(xué)重點、難點，并通過課前討論引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力。

視頻資源選擇中國大學(xué)生幕課中東北大學(xué)“計算機控制系統(tǒng)”視頻，參考視頻資源選擇學(xué)堂在線中山東大學(xué)“計算機控制系統(tǒng)”視頻。

目前，計算機控制系統(tǒng)線上教學(xué)平臺共編寫課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)12個，線上測試題80個（包括主觀題與客觀題），討論題32個，發(fā)布作業(yè)題12個（每章2個主觀題）。

（三）精心設(shè)計課堂教學(xué)，將翻轉(zhuǎn)課堂引入課程教學(xué)

課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，教師和學(xué)生在課堂上面對面交流，實現(xiàn)了知識的傳授與掌握，學(xué)生明確各章的重點、難點。課堂教學(xué)中，教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點采用不同的教學(xué)方式。對課程中的重點、難點，以教師講解為主，學(xué)生通過雨課堂平臺討論測試實現(xiàn)知識點的掌握，并通過課后作業(yè)和討論進一步鞏固、消化相關(guān)內(nèi)容。對學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)反饋的主要問題，則以翻轉(zhuǎn)探究式教學(xué)方法為主，以學(xué)生為主體針對這些問題進行分組討論，引導(dǎo)學(xué)生對這些問題進行較深入的剖析和理解，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。

針對課程特點開創(chuàng)性的嘗試使用翻轉(zhuǎn)課堂，對于計算機控制系統(tǒng)課程而言，數(shù)字PID控制器的設(shè)計是計算機控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計方法的重點，也是本課程的重點。對于數(shù)字PID控制器的傳遞函數(shù)，學(xué)生很容易掌握，但對數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定及數(shù)字PID控制器的工程化改進，學(xué)生普遍掌握不好。數(shù)字PID控制器在工程上應(yīng)用廣泛，而且這個內(nèi)容也是期末考核的重點，因此，自2020年起，為了提高課程的授課效果，課程組針對自動化專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程中的數(shù)字PID控制器設(shè)計，嘗試引入了2課時的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

本次翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程分為以下幾個階段。1.準備階段，學(xué)生查閱文獻，自主選題

首先將學(xué)生每4人分為1組，將設(shè)計要求提前一周告知學(xué)生，設(shè)計要求如下：

第一，查閱參考文獻，自行選擇一控制系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，敘述系統(tǒng)工作原理，明確系統(tǒng)設(shè)計要求；

第二，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

第三，設(shè)計數(shù)字PID控制器，整定PID控制器參數(shù)，利用MATLAB編程實現(xiàn)數(shù)字PID控制器，分析PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能影響；

第四，制作10分鐘PPT，準備展示；

第五，提交包含以上內(nèi)容的設(shè)計報告。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計要求，組織分工，自行上網(wǎng)查閱相關(guān)文獻，掌握數(shù)字PID控制器的基本原理，了解控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器設(shè)計方法，選擇某一控制系統(tǒng)作為研究對象，完成數(shù)字PID控制器的設(shè)計及系統(tǒng)仿真。

2.分組展示階段，學(xué)生答辯

在這個階段，每組派一名學(xué)生代表進行課上答辯，利用PPT完成，主要介紹本組選擇控制系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)基本要求，如何建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是否適合選擇數(shù)字PID控制器作為控制器，講解MATLAB源程序及仿真結(jié)果，分析控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。這個階段允許教師和其他小組的學(xué)生進行提問。

3.教師評分階段

本次翻轉(zhuǎn)課堂總分為100分，最后折合為課程平時成績中的3分，課程組設(shè)計了一套具體的評分標準：選題10分、系統(tǒng)建模10分、數(shù)字PID控制器設(shè)計及仿真40分，答辯20分、設(shè)計報告20分。課程組分別為每一組學(xué)生進行綜合評分，結(jié)合各組提交的小組成員分工及貢獻情況為每個學(xué)生進行打分。具體的評分細則如表1所示。

表1 數(shù)字PID控制器設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂評分標準

4.總結(jié)階段

在這次翻轉(zhuǎn)課堂的最后，由教師向全體學(xué)生進行總結(jié)，所有學(xué)生都積極參與到了這次翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中；大部分學(xué)生在這個教學(xué)環(huán)節(jié)中都表現(xiàn)得非常出色，選題都非常具有代表性，尤其是在控制器設(shè)計這一環(huán)節(jié)上，學(xué)生能夠很好地掌握數(shù)字PID控制器的基本原理，并能利用MATLAB實現(xiàn)，為他們將來解決同一類問題打下了良好的基礎(chǔ)。

（四）課后加強總結(jié)與復(fù)習(xí)

課后，通過課后作業(yè)、課后討論及測試等環(huán)節(jié)使學(xué)生進一步鞏固、消化相關(guān)內(nèi)容。

三、突出過程考核，構(gòu)建多元化的計算機控制系統(tǒng)過程性考核方式

（一）考核形式多元化

加大過程性考核比例，采用考查運用相關(guān)知識能力、實踐動手能力、語言表達溝通能力的多元化考核形式。

計算機控制系統(tǒng)課程由理論授課和課內(nèi)實驗兩部分組成。理論授課40學(xué)時，采用啟發(fā)式、討論式和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法提升教學(xué)的效果；課內(nèi)實驗8學(xué)時，以學(xué)生操作、綜合和驗證為主，教師講解、提問、引導(dǎo)、答疑為輔，引導(dǎo)學(xué)生掌握計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高學(xué)習(xí)興趣和實踐能力。經(jīng)過反復(fù)研討，課程組構(gòu)建了多元化的計算機控制系統(tǒng)性考核方案，如圖3所示。

圖3 課程考核方案

（二）考核內(nèi)容多元化

在內(nèi)容的選擇上除了傳統(tǒng)課程知識點外，在平時測試時，課程組增設(shè)非標準考核內(nèi)容，增加考試的難度和挑戰(zhàn)度，考查學(xué)生綜合運用所學(xué)課程知識分析問題和解決問題的能力。

四、構(gòu)建有利于教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進的課程評價體系

按照教育評估專家Stufflebeam的觀點，評價最重要的目的“不是為了證明，而是為了改進”。針對課程教學(xué)實施過程，在評價主體方面，采取多元評價方法，構(gòu)建基于專家、教師、教學(xué)管理者、學(xué)生多維開展的課程教學(xué)質(zhì)量評價體系。專家通過對課程教學(xué)內(nèi)容講授和線上線下教學(xué)組織情況的調(diào)查了解，對課程進行評價并提出合理建議，促進教師提高教學(xué)水平。教學(xué)管理者通過隨堂聽課，深入教學(xué)一線了解課堂具體實施情況，及時解決問題。課程組向?qū)W生發(fā)放課程教學(xué)調(diào)查問卷，了解學(xué)生對課程教學(xué)情況的評價反饋，幫助教師和教學(xué)管理部門完善課程教學(xué)工作，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

針對課程教學(xué)效果，評價的重點是教學(xué)設(shè)計的合理性、考核方案的有效性、學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，課程目標的達成度分析及課程的持續(xù)改進分析。評價主體為教師、學(xué)生、同行專家。教師對課程進行總結(jié)分析，包括試卷命題分析與評價、班級成績分析、考核方案合理性分析，進而對課程開展自評與改進分析。通過對學(xué)生開展問卷調(diào)查，了解學(xué)生的體會與收獲，收集反饋建議。同行專家通過教師的總結(jié)分析、學(xué)生反饋，評價教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)成效及課程目標達成度。教學(xué)質(zhì)量評價的目的是加強師生溝通與反饋，充分調(diào)動全體師生參與課程教與學(xué)的積極性，共同作用于課程教學(xué)過程，提高課程教學(xué)質(zhì)量。評價體系如圖4所示。

圖4 課程評價體系

五、線上線下混合教學(xué)模式實施后成效

課程組運用線上線下混合教學(xué)模式在某校2017級自動化專業(yè)進行了實踐，為了研究線上線下混合教學(xué)模式實踐效果，對比了該專業(yè)2017級（線上線下混合模式）及2016級（傳統(tǒng)教學(xué)模式）學(xué)生計算機控制系統(tǒng)課程總成績分布情況及課程目標達成情況。為了研究結(jié)果的有效性，課程組在2017級命題時，參考2016級試題，保證兩套試題考查知識點、題型及難度系數(shù)基本相同。圖5為自動化專業(yè)2017級及2016級計算機控制系統(tǒng)成績分布對比圖，圖6為2017級與2016級自動化專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程目標達成度對比圖，由圖5和圖6可以看出2017級總分80分以上學(xué)生比例明顯高于2016級學(xué)生，課程目標達成度也均高于2016級學(xué)生。主要原因是混合教學(xué)秉承以“學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，注重過程考核，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，學(xué)生在課前、課中和課后進行了大量的討論和測試，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高了課程目標達成度。

圖5 自動化專業(yè)2017級及2016級計算機控制系統(tǒng)成績對比

圖6 2017級與2016級自動化專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程目標達成度對比

六、結(jié)束語

在教育信息化背景下，利用豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺開展線上線下混合式教學(xué)模式已被廣泛采用，課程組圍繞“金課”建設(shè)的“兩性一度”標準，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方案及評價體系等方面進行了教學(xué)改革，充分發(fā)揮了線上線下混合教學(xué)的優(yōu)勢，促進了學(xué)生的個性化、深層次學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)效果，促進了師生的共同進步。