互聯網+下自動化專業課程改革的教學探索

楊興果，肖會芹，孔玲爽

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412000）

0 引言

當今是信息的時代，人類知識總量和信息總量每天以指數量級快速增加，在2018年互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）發布的白皮書《Data Age 2025》中，對2025年全球數據量總和的預測高達175萬億GB[1]。面對如此龐大的信息，迫使人們不得不改變傳統的學習習慣，能夠獨立思考、篩選、歸納、提煉信息，能從龐大繁雜的信息中提取新知識、新技能。要學會創新，增強動手能力，學會思考，提高綜合素質，培養寬闊的視野。

在信息和知識快速增長的形勢下，傳統的課堂的授課方式已經不適合當下環境對人才培養的需求，高校在人才培養上必須根據當前情況進行適當調整，以便完成新時期教育教學任務。此外，從2016年我國正式加入國際工程教育《華盛頓協議》組織以來，就倡導以學生為中心，以產出為導向、持續改進的教育理念，培養學生解決復雜工程問題的能力[2]。這一理念也契合當今海量網絡信息知識環境下，要求培養學生不僅僅了解書本上的經典知識，還要了解當下發生的或即將要發生的新知識、新技術，人才培養才能緊跟時代的發展。因此，教學的中心任務就是引導與培養學生的獨立學習能力和思考能力，能夠從紛繁蕪雜的信息與數據中獲取解決問題的方法與技能。

1 授課現狀與改革探索

在傳統的自動控制原理教學中，一方面，教師主要將精力放在了理論的講解上，會在理論分析、公式推導、計算上花費大量的時間，因為授課理論偏多，容易使學生難以對課程提起興趣，學習熱情較低；另一方面，對學生來說，課程學習經常是為了完成課后任務，通過考試而學習，學習的主動性和積極性嚴重不足；因為學生個人自由支配的時間較少，學生們缺乏足夠的時間去思考、探索、動手和實踐，對學習的東西只知其然而不知其所以然，融會貫通和應用能力不足。此外，授課時經常需要面面俱到，這就需要教師花費大量的時間和精力做課前準備，而最終收獲的效果卻有限。

隨著互聯網大數據的發展，網上有極為豐富的學習、實驗、科研和工程實踐案例資料，學生要能夠從網上篩選、獲取信息并結合線下課程學習，熟練掌握并運用課程知識，是新時期對高水平應用型人才的基本要求。筆者以自動化專業工程認證改革為契機，著手對傳統培養方案和課程教學大綱進行改革。通過加強課程建設，優化課程內容和教學方法，對接工程教育專業認證標準，對課程教學大綱進行了修訂，以適應新形勢環境下對人才培養的要求。具體通過自動化專業原來的三門專業核心課程“自動控制原理”“現代控制原理”和“計算機控制”改革為例來說明具體改革方法。

“自動控制原理”是為理工科電氣信息類專業開設的專業基礎課之一，它以拉氏變換理論為數學基礎，用傳遞函數來描述數學模型，研究單輸入-單輸出，線性、定常、時不變系統，改革前有64課時。“現代控制理論”是在經典控制理論的延續和拓展。它以時域法特別是狀態空間方法為主，研究系統狀態的運動規律，并按所要求的各種指標最優為目標來改變系統的運動規律，課程總學時48課時。“計算機控制技術”課程主要介紹計算機控制系統分析與設計的基礎知識。它以數字系統控制分析及數字控制器設計為課程的基本理論支柱。重點介紹基于計算機的數字控制系統建模與分析、數字控制器的設計與實現的基本方法。課程總學時48課時。三門課程共計160個學時。

課程大綱改革的目標是給學生們留出充足的獨立學習和思考時間，減輕課堂學習的負擔，因此需要在課程設置中大大壓縮理論內容授課課時。改革后，三門課程合成一門新課程，稱作“現代控制工程”，由原來三門課程共計160課時壓縮成現在的64課時。其中理論授課40課時，實踐16課時。雖然課程開設課時大量壓縮，但是按照教學大綱要求，需要學生掌握的知識點與改革前相差無幾。在較短的課時內完成教學任務并保證教學質量對學生和老師來說都是一項挑戰。這就意味著學生不能拘泥于僅在課堂上學習知識和技能，必然要花費很大精力在課前進行預習和課后進行復盤。另一方面，對教師來說，有限的課時內不僅要梳理課程的疑難重點，還要激勵學生的學習熱情。這就要求學生在教學中的角色由接受者轉變為知識的探究者。

2 教與學多種改革方法與嘗試措施

為了在有限的授課時間內，保障教學質量及提高學生的學習興趣，本文采用了多種教學措施，改變學生從被動學習到主動學習的學習習慣。

2.1 課堂授課采用翻轉課堂的形式提高課堂學習效果

通過翻轉式課堂教學改變傳統的授課方式。在“翻轉課堂式教學模式”下，學生可以通過互聯網使用優質的教育資源完成自學，如慕課、各類網站、各種論壇和各種APP，不再單純地依賴授課老師去教授知識和技能。學生在課下完成知識的學習，課堂上主要是與老師或同學之間進行互動，包括答疑解惑、知識的運用等，從而達到更好的教育效果。通過翻轉課堂，可以培養學生對信息資料的采集歸納能力隊合作和交流溝通能力，從而逐漸具備分析、解決復雜工程問題的能力。

為了保障翻轉課堂的學習效果，采取了如下方法：一是，通過布置問題和任務，讓學生帶著問題自行通過網絡查閱資料預先學習，保證學生目的性與專注性，而教師在課堂上通過提問，了解學生在預習中遇到的問題和掌握知識的程度再進行教授；二是，為了確保學生能夠通過自己能力解決課前任務、提高自學的積極性和知識獲得感，課前預留的自學內容和問題通常是簡單的概念和原理或后續需要用到老知識的回顧；三是，課堂授課除了選用經典教材作為參考書目外，還結合筆者學校設立的“包裝自動化與交通工程”特色課程涉及的自動化應用案例，以及教師本人科研項目對課程教學補充和拓展。通過多種方法實現教師對課程的整體性把握，使學生能加深對課程的理解，同時提高學生的學習興趣和對理論知識的接收能力。

2.2 課堂內外采用“自組織學習”模式

在課堂內外構建自組織學習模式，即由學生自由地選擇組成學習小組，實現小組學習，發揮學生的主觀能動性。為了提升學生的學習興趣和思考解決問題的能力，同時鍛煉團隊協作的能力，在“現代控制工程”課程教學過程采用了自由組合的“自組織學習”模式。以3～4個學生為一組，每個小組設置完成不同的任務。每個小組帶著任務一起協作完成，利用網絡資源、實驗室或圖書館等資源，查閱資料、討論、尋找解決問題的方法。

如果在學習過程遇到問題，組內成員或小組之間可以探討、分析、交流解決問題的方法和經驗，在這一過程中實現成績較好的同學對成績較差同學的幫扶。例如，布置課后思考題，什么是特征值和特征函數，它們跟狀態方程有什么關系？通過設置這樣的任務，小組同學組織起來針對這些問題進行探討、分析、闡述、相互之間進行啟發式學習，從而使得同學們之間形成互動互助幫扶效果，充分發揮群體的積極性，提高個體的學習主動性，達到完成特定的學習任務的目的。小組學習每個星期進行一次，主要記錄討論的知識要點、個人的心得體會、問題的解決方法等等，這些可以作為平時成績的加分項。實施的結果表明，采用自組織模式進行學習的學生明顯表現出更高的學習熱情，從而獲得更好的學習效果。

2.3 采用分享學習模式提高學習效率

開設課內分享實踐課，使學生學會分享式學習。學生在教師指導下，以小組為單位，選擇和確定研究課題任務，主動地通過網絡資源搜集資料、獲取知識、分析整理、小組討論、形成學習報告、與同學分享、老師點評。通過這種方式使學生把學過的知識講授出來，以此帶動自己深刻理解學習內容，實踐證明，分享式學習是最高效的學習方式[4]。

分享式學習的具體組織形式采用學生自由分組調研自動化大四畢業設計展的參展項目。畢業設計展是自動化系近幾年持續探索深度“引企入教”新模式，由自動化系的大四學生通過自選隊友、自選課題組成獨立設計團隊，進行畢業項目設計并進行成品展示。畢業設計展這兩年的熱門選題有：自動小車尋跡、飛控、平衡車、機器人控制等等，這些基本上都是涉及了自動控制、系統、反饋的理論。通過布置調研畢業設計作品的任務，引導組織學生對控制項目實例進行系統調研，了解系統控制策略、軟件硬件設計方、控制系統的性能等等，學會與項目設計者進行溝通、交流。調研的結果最終以筆記、小組討論、上臺演講、動手實踐、制作PPT答辯等等形式進行檢驗。在這一過程中，學生在知識搜索、發現、提煉，基礎知識掌握和運用、團隊協作能力、溝通能力和解決復雜工程問題等能力得到了綜合鍛煉。

此外，通過舉辦學習經驗分享反饋，促進自我認知及提高學習興趣。每次授課開辟出十分左右的時間，讓一位同學分享自己在這個知識點上的學習方法，并在老師的引領下和同學們一起討論該方法的優缺點，思考可改進的方法，讓學生們都盡可能地參與到學習中來，促進學生形成更好的學習習慣和學習氛圍。

2.4 在課內實踐中引入科研項目

把科研項目引入到課內實踐中來，以科研、工業項目和網絡資源為依托，實現課程教學與實際應用相結合。例如把鍋爐溫度數字PID控制、機械手數字PID控制等項目引入實踐課，讓學生自己動手一步一步從如何尋找、查閱相關資料、選題、建模分析、控制方法的選擇、控制策略的實施與調整，到實際項目完成與檢驗，幫助學生建立完整控制項目的實現過程及其注意事項，從而建立起控制系統的完整認識。通過這一過程鍛煉學生從實踐活動中提煉理論知識并相互印證能力，從而提升學生的專業能力和學習興趣。教師在這一過程中引導學生體驗知識發現與提煉、科研經歷與創新思維，體會理論知識如何應用于科研和工業項目。同時引導學生了解企業的支持與合作、企業人才培養、技術攻關、工藝改善等。實踐證明，此方式可高效地將科研成果轉化為教學內容，形成理論水平高、實用性強、特色鮮明、豐富生動的日常教學內容。

3 結語

隨著互聯網大數據時代的發展，網絡上的數據和信息量每天都在迅猛增加，并且信息和知識更新較快，為了了解最新的知識，更好地更快完成課程學習，傳統的學習方式已不適應新的要求。筆者總結了“自動控制原理”“現代控制理論”和“計算機控制技術”3門課程合并為一門“控制工程課程”后，在授課課時大大減少的條件下，既要完成教學任務又要保障教學質量這一挑戰時，嘗試采用了多種授課方式和多種學習組織形式，引導學生學會利用互聯網資源尋找、查閱、學習相關知識，學會溝通、交流和分享學習，形成系統的學習方法，培養獨立思考的學習習慣，適應新形勢下的學習方式，為以后學習、工作和研究打下好的基礎。