自動控制原理課程形成性評價實踐

石玉秋,蔣文慧,劉瑞琪,胡 波,袁海英

(1.廣西科技大學自動化學院,廣西柳州,545616;2.柳州城市職業學院經濟管理學院,廣西柳州,545036)

一、引言

《工程教育認證標準解讀及使用指南(2018版)》指出,要對學生在整個學習過程中的表現進行跟蹤與評估,通過形成性評價保證學生畢業時達到畢業要求。[1]工程教育專業認證強調,要通過形成性評價幫助學生達成畢業要求。形成性評價存在缺乏系統操作性的問題,導致其較難顯著改善教學效果。另外,在具體的教學實踐中,仍然存在將形成性評價等同于過程性評價,將評價簡化為課堂測驗和平時作業的情況,對教學成效產生了一定的影響。

本文以廣西科技大學自動化學院自動化專業學生為樣本,以自動控制原理課程為例,在混合式教學模式下對該課程從循證評價、反饋調節、自主學習和合作學習等方面進行系統化的形成性評價實踐[2],力求激發學生學習興趣、提升課堂學習效果,從即時反饋機制和教學組織方式變革等環節開展改革探索,全面促進教學實效提升。

二、構建循證評價

基于證據的評價(又稱循證評價)是形成性評價的主要方法。[3]這種評價方法需要教師在整個教學過程中通過各種有效手段獲取與學生學習情況密切相關的各種信息,包括學情信息、情感需求和學習動機等。[4]換言之,也就是教師需要找到可以支撐結論和效果的證據,用于了解學生已掌握水平與目標之間的差距,也用于為達到學習目標提供改進思路。

2020年廣西科技大學自動化學院自動控制原理課程開展混合式教學課程改革。課程組從學生特點出發,開發了一套包含基礎理論等教學點的完整教學微課,并上傳至云班課和智慧樹平臺,對學生開展線上教學。在線下,傳統課堂上也開始嘗試使用翻轉課堂的教學方法以提升學生的參與度,并將小組任務、頭腦風暴、課堂討論等形式融入教學過程,旨在拓展循證評價的內容。在評價方式上,開始嘗試過程性評價,將各單元作業、課堂表現、單元測驗等加入學生的最終成績評估體系,但效果并不理想。根據已有文獻分析并結合現實情況發現存在以下問題:首先,學生在學習過程中對待作業較為敷衍,存在抄襲情況,課程作業未達到加強專業能力的目的;其次,在翻轉課堂的教學過程中,控制理論中純理論性知識不易表達與討論,基礎的知識性內容在新的教學模式下教學效果并不明顯;最后,期末考試的終結性評價、達成度等評價結果只能對下一教學周期的教學活動有些許參考價值,不能關聯學生當前課程學習情況。[5-7]

為解決上述問題,我們構建了系統的循證評價測評點,并形成了一套測評方案,即利用線上線下雙主線混合式教學,在控制系統分析和設計過程中構造測評點,以獲取學生的學習效果。構建的循證評價測評點如圖1所示。在循證評價中組織10次考核(共計20張試卷),包括8個單元內容,每個內容2張試卷(A、B),4次綜合性考核(C)。8個單元內容分別為:系統建模、梅森公式、時域分析、時域穩定性分析和誤差、根軌跡、頻率特性、開環頻率特性分析、系統校正。整個考核分為3個層次:基礎題目A,8張試卷為A1—A8;簡單分析計算題B,8張試卷為B1—B8;綜合分析設計題C,4張試卷為C1—C4。其中C1為數學建模模塊綜合考核,C2為時域分析、根軌跡模塊綜合考核,C3為頻率特性法模塊綜合考核,C4為全部8個單元綜合考核。每張試卷3道題,題目正確記1分,有錯誤(包括符號、單位、公式任意一處錯誤)計0分,單張試卷滿分為3分。測評可以在線上進行,也可以在線下進行,測評時間為60分鐘。開始測評時,學生拿到A1卷,做完A1后用A1卷換B1卷,以此類推。

圖1 循證評價測評點分布圖

各測評點的平均得分如圖2所示。從圖中可以看到,學生對系統建模(A1)、時域分析(A3)、根軌跡(A5)、頻率特性(A6)等內容的基礎知識掌握情況良好,對系統建模(B1)和頻率域穩定及穩定裕度(B7)部分的簡單分析計算部分掌握較好,數學建模模塊綜合考核部分(C1)掌握情況較好。基礎部分中,學生對梅森公式和穩定性與穩態誤差部分掌握情況較差。總體來看,基礎知識部分(A)的掌握情況明顯比簡單分析計算(B)和綜合分析設計題部分(C)要好,符合一般教學規律。

圖2 學生得分

三、課程的反饋調節

反饋調節是形成性評價的主要過程。[8]從循證評價中可以大致了解學生對當前知識的掌握情況。根據這些情況反映出來的問題,需要進一步調節教學過程,使其更能適配學生的情況。下文以控制系統建模模塊為例,說明自動控制原理課程的反饋調節過程。整個教學設計的調節過程如圖3所示。

(一)第一次調節:從理論到實例

在傳統的教材中,大多以RLC電路作為例子抽象成數學模型來介紹控制系統的數學模型,需要學生具備較為扎實的高等數學、大學物理等前導課程基礎,如果學生的數學、物理基礎不牢固,將影響學生對相關知識點的理解。針對這一問題,可以改用控制應用領域最常見的電機直流調速為例子,能夠有效提高學生對抽象概念的理解,從而激發學生的學習興趣。由于學習內容較為抽象,學習內容較為枯燥,仍有部分學生在學習過程中缺乏對數學模型的理解。可以借鑒實際工程項目中的客戶需求分析環節,在教學設計時,課堂講解不需涵蓋所有理論問題,而是將現實生活中的需求融入,僅分析必要的模型知識。因此,將教學目標更改為:在保證基礎問題講解的基礎上,充分激發學生學習興趣,指明進一步探索的方向。如圖3中的第1次調節。

這樣的教學內容能夠提高學生對抽象概念的理解,特別是對物理方程的學習積極性有了較大的提高,學習動機也得到了一定的激發。但是,在教學實施過程中依然存在以下幾個問題。

第一,課堂引入的電機調速實例的各個電子元器件相對獨立,控制系統各功能模塊結構簡單。講解過后,學生表示能夠理解簡單的電機控制問題,但在工程實踐中遇到較復雜的系統時,還是無從下手,出現了“所學知識能否滿足工程實踐需要”的疑問。

第二,課堂講解的主線依然停留在理論層。雖然在課堂中增加了實例的講解,避免了大量教學時間花費在回顧數學和物理知識點上,但是對于控制系統的講解不夠深入,特別是對拉氏變換的應用仍不完善。這可能是因為學生對于控制系統的學習缺乏好奇心,沒有產生探索的興趣,缺乏探索后續知識的途徑。

第三,課堂擴展內容過于單一。雖然課堂內容在保證原有知識點的基礎上擴展了穩定性分析等相關內容,但是擴展的內容較為單一,與課程的知識體系聯系不夠緊密。這可能會導致學生對擴展內容的理解僅停留在知道層面,沒有途徑和方向可以深入思考。

通過引入電機直流調速的實例在一定程度上能夠提高學生的學習積極性。但是“為什么要學習控制系統的數學模型”的問題依然存在,只是程度有所減輕,沒有從根本上解決問題。因此,還需要進行第二次調節。

圖3 控制系統建模教學設計的反饋調節

(二)第二次調節:從課本實例到工程實例

在教學實踐中,教師發現學生對復雜的工程問題很有興趣,盡管難度很高,但學生很愿意和教師探討相關問題。這為教學改革提出了思路:在控制系統數學模型部分引入學生感興趣的復雜工程問題。如圖3中的第2次調節。引入較為復雜的龍門吊問題,從龍門吊的控制這一實際問題出發,在教學中按雙主線的教學環節對控制系統的數學模型進行兩次對比講解。相關教學改革主要體現在以下兩點。

第一,教學講解設置兩條主線。除原有主要依托理論講解控制系統數學模型的教學主線外,由于龍門吊控制問題的復雜性,設置了一條完全依托工程問題、能夠應用于工作后的問題分析過程的教學主線。一個是原有的理論教學主線,一個是類似工程環境的教學主線。

第二,由于教學實踐以龍門吊為例,理論教學中原來微分方程就是系統方程的情況被改變,需要增加一個模型簡化的過程、一個系統方程的求解過程。這樣,教學內容可以分為三個層次:一是理論層,主要按照傳統內容進行講解;二是實例層,主要結合電機調速的實例進行講解;三是工程實踐層,主要結合龍門吊的問題進行講解。

在這樣的教學內容下,學和用能夠有效結合,極大激發了學生的學習興趣,從根本上解決了“為什么要學習控制系統的數學模型”的問題。通過這次教學調節,較好地解決了學生學習動機的問題。通過教學內容的改革,以學生學習動機為突破口,本節課教學問題從是否達到教學目標轉變為教學手段是否合適。

(三)第三次調節:從工程體系到哲學體系

在已有的教學內容基礎上,還需要加強學生對馬克思主義哲學理論中相關概念的認知。如圖3所示的第3次調節。具體教學內容包括以下三個部分。

第一,控制系統。通過拉氏變換,將表示蓄能環節的微分變量線性化,提出線性控制系統的思考。從模型簡化中,提出一些物理量無法簡化,從而提出非線性控制系統的概念。結合傳遞函數,提出控制系統數學模型的表達形式問題。由這三個問題提出什么是控制系統:控制系統是使控制對象按要求保持在某一特定狀態,這些特定狀態通過一些物理量特定表達,而這些物理量的調整控制一般都落在相應的數學模型上。

第二,物質的客觀實在性。首先,通過電機調速穩定性和龍門吊控制的穩定性問題,擴展提出系統的穩定性,進而引導學生思考“控制系統的傳遞函數不同,穩定性是否存在差異”。其次,指出控制系統的傳遞函數具有唯一性,強調這是控制系統客觀存在的特征。最后,指出控制系統是客觀存在的,其動態性能也是客觀存在的,而與輸入無關。從而提出關于物質客觀實在性的思考。

第三,意識是客觀存在的主觀映像。從電機調速的控制需求和龍門吊的控制需求出發,提出不同控制需求可能有不同的輸入輸出量,從而引導學生認識輸入輸出。引入閉環控制系統的開環傳遞函數的思想,講解雖然控制系統是相同的,但是不同的輸入量和輸出量與傳遞函數之間的聯系。選用不同的輸入和輸出,特別是以擾動為輸入,分析抗干擾能力,指出這就是一個認識客觀事物的過程。進一步引導學生學習意識是客觀存在的主觀映像。選擇不同的輸入輸出就是從不同的主觀需要出發,認識控制系統這個客觀實在。

通過以上擴展,學生對控制系統數學建模問題得到了更深層次的認知。通過三次反饋調節,對課程進行了分層和升華,在教學中融入思政教育,提升了教學縱深。通過引入工程實踐和哲學認知問題,學生可以更好地理解控制系統的數學模型,能夠在激發學生學習興趣、改善學生學習動機的基礎上,向更深、更廣的領域進行擴展。

四、自主學習與合作學習

形成性評價的主要策略包含三個主體之間(教師、同伴與學習者)的共同作用。教師提供的反饋能夠增強學習者的自主學習能力[9],同伴與學習者在形成性評價過程各步驟中都有需要承擔的任務與角色。[10]

學生的自主學習在形成性評價中需要自我調節學習。自我調節學習可以分為三個階段:第一階段,通過與教師和同伴的反復交流,分析每個學習任務的目標和學習策略;第二階段,使用這些策略并且通過循證評價進行自我監控;第三階段,也是自我反思階段,學生對學習成果進行自我評價,根據自我評價及時改善學習策略。形成性評價的內容必須是學生能理解且能夠令學生信服的信息,該信息需要具體體現學生的差異,同時能做到及時評價。例如,通過循證評價了解到一名學生在學習梅森公式的應用過程中,在計算前向通道時總是出現錯誤。教師給學生的反饋不能僅是籠統地告知“梅森公式部分的學習沒有達到階段學習目標”,而應該具體、明確地告訴學生在學習梅森公式的過程中,哪個知識點的理解存在問題,并與學生討論怎樣解決問題,讓學生清楚接下來該如何學習。讓學生在反復討論中自我調節、自我反思,逐漸掌握自主學習的方法,提高自主學習的能力。

學生之間的合作學習對于形成性評價過程同樣重要。在教學實踐中,可以將學生分成多個學習小組,小組成員在學習過程中分工合作,互相督促。這樣不僅可以讓學生有學的屬性,還在某種程度上增加了教的屬性。在教學實踐中發現,有時教師花費精力和時間講解一個知識點,但并沒能準確把握學生的理解角度,導致教學效果沒有達到預期。但已經理解的學生在教的過程中,更容易從學生的理解角度發現難點所在,能更容易幫助學習同伴快速達到學習目標。與此同時,學生間也會就學習思路、學習內容等方面交流討論,也會促進學生的自我反思/在整個調節反饋的過程中,教師應在合作學習中起到組織和引領作用,積極鼓勵學生開展合作學習。通過小組合作學習總結出來的學習經驗往往能達到意想不到的效果。

五、結語

本文以廣西科技大學自動化學院自動化專業學生為樣本,以自動控制原理課程為例,開展了混合式教學模式下形成性評價的實踐。在保證達成自動控制原理課程教學目標的前提下,利用線上線下雙主線混合式教學,在控制系統分析和設計過程中構造測評點,并按難度系數分層次進行循證評價,以了解學生學情。基于學生的學情,通過三次教學調整:從理論到實例、從課本實例到工程實例、從工程體系到哲學體系的反饋調節過程改善了教學設計。通過及時反饋具備個體差異且令學生信服的學情信息,促進學生的自主學習和合作學習,提升學生的學習效果,提高學生對形成性評價的參與度,從而改善教學效果。自動控制原理課程教學過程形成性評價實踐對該課程的持續改進具有指導意義。