“自動控制原理”線上線下混合教學探索

黃 瑤，王澤瑩

（上海理工大學機械工程學院 上海 200093）

“自動控制原理”是電氣工程及其自動化專業的重要專業基礎課程，具有理論性強，知識點多，計算量大等特點[1]。課程內容以經典控制理論為主，主要包括數學模型、時域分析、復域分析、頻域分析和系統綜合校正等內容，單次課程3 學時，總課時為48 學時。該課程的特點是要用到較多的數學知識[2]，因此，授課過程中經常需要板書推導、演算和詳細講解，這對教師的教學經驗和技巧提出了更高的要求，要求教師不僅要有扎實的業務能力，還需投入更多時間與精力做課前準備。

隨著信息技術的快速發展，高校教育正在經歷變革。大數據、移動終端等技術的廣泛應用以及高校名師精品課程的在線共享，推動了在線學習和碎片化學習的興起[3]。教育不再局限于傳統課堂，而是通過互聯網將知識傳播到全球各地，為學生提供更靈活、個性化的學習體驗。然而，隨著網絡課程數量的激增，其質量問題逐漸凸顯，學生需要面對如何選擇和評估在線課程的挑戰。此背景下，研究者開始關注線上線下混合教學模式，旨在更好地整合傳統面對面教學和在線學習，以提供更豐富的學習體驗[4]。混合教學的研究涵蓋課程設計、教育技術工具的選擇和使用以及學習成效的評估等多個方面，力求找到最佳實踐，確保線上線下混合教學模式的成功實施，以滿足不同學生群體的需求。

文章基于“大數據”“智能制造”背景，探索“自動控制原理”線上線下混合教學模式，改進課程教學方法和考核評估機制，培養學生自主學習的能力，促進新工科理論課程的教學改革實踐。

1 “自動控制原理”課程教學現狀

自動控制原理課程以往的教學內容主要以教材知識為主，涵蓋復雜的數學和工程理論，例如線性微分方程、拉氏變換、頻域分析與綜合等內容[5]。這些理論構成了控制系統設計和分析的基礎，但其概念相對抽象，難以理解，學生學習起來有一定難度?；谡n程的理論性和計算性質，學生可能側重于備考，即通過計算和記憶來應對考試，而忽視了實際應用，缺乏理論與實踐相結合，一旦面對真實的控制系統問題，學生會感到手足無措。

傳統的“自動控制原理”線下課堂，通常采用“以教為主”的教學方法，教師主導課堂，學生處于被動地位。教師通過板書和講解進行“灌輸式”教學，強調知識的傳遞，忽略了學生的思辨和批判性思維能力的發展。另外。緊湊的課程內容安排易導致教師與學生缺少互動，長此以往，單一的教學方法和缺乏互動易導致學生學習時感到疲勞和乏味，影響學習效果，學生可能會逐漸失去學習的積極性。

自動控制原理作為偏工程性的專業課程，旨在培養學生解決實際控制系統問題的能力?？刂葡到y設計和問題解決通常需要更多的深思熟慮和創新思維。然而，傳統“自動控制原理”的考核方式以期末考試為主，但考試通常無法模擬真實系統中的問題和挑戰，更不能全面反映其實踐應用能力和創造性思維。故而，傳統考核方式限制了學生實際應用能力的培養。

2 基于“一網暢學”平臺的混合式教學

混合式教學是將線下課堂授課與在線學習平臺和網絡課程資源相結合的教學模式，本課程依托一網暢學智慧教學平臺，從教學設計、教學方法和考核方式三方面進行線上線下混合教學模式的探索。

2.1 課前——基于關鍵詞設計教學內容

為了更有效地幫助學生理解和掌握課程知識，課前教學內容的設計至關重要。首先，教師應結合機器人工程專業的特點，深入分析課程的重點和關鍵內容，有針對性地對課程知識進行分類、梳理和歸納，提煉知識點與核心關鍵詞（表1），構建一個網狀結構的課程思維導圖，幫助學生建立課程結構框架（圖1），讓學生對課程內容有一個總體認識。然后，根據關鍵詞篩選適用的教學視頻或創建微視頻資源，確保每個微視頻的長度在5 到8 分鐘之間。微視頻應該圍繞一個特定的關鍵詞或概念展開，并對應設置相關的學習任務和問題，以便構建一個完整的微課資源庫。最后，教師需要根據視頻內容的難易程度，將這些微視頻和相應的測試題共享到一網暢學平臺中，以便學生在不同學習階段能輕松訪問和使用。這種方式有助于學生更靈活地學習課程，同時也提供了一個有條理的學習資源庫，使他們能夠更好地準備和掌握自動控制原理課程的知識。

圖1 自動控制課程結構

表1 經典控制理論教學內容分析

微課資源庫的內容并不是固定不變的。在混合式教學中，教師可根據學生觀看微課視頻后完成學習任務的程度對其能力進行評估。根據這一評估，重新劃分知識點的難易程度，補充可能被忽略的內容，持續更新資源庫，以確保滿足學生需求，并反映最新的教學進展。這種不斷改進的方法有助于提高教學的質量和適應性。

2.2 課中——任務導向改進教學方法

對于工科專業，尤其是機器人工程，應將自動控制原理的理論應用于解決實際工程問題。我們主要采用任務驅動式教學方法，首先教師通過講授法圍繞關鍵詞對關鍵知識點進行講解，并輔以典型案例分析。介紹完基本知識點后，圍繞知識點給出相關的課程任務，讓學生以兩人小組的形式討論學習。小組人員設置不宜太多，以免學生參與度不高。在學生討論學習后，每次課抽選兩到三組成員對任務進行講解，并由學生進行問答質詢，進行翻轉課堂討論式學習，最后由教師進行總結，并強化重難點內容。通過這些教學方法的靈活混合應用，旨在引導學生深入探究和思考科學問題，培養他們主動解決問題、完成任務和自主學習的能力。

電機的控制是機器人運動控制中的基礎任務，本課程以直流電機控制作為課程任務主線，將課程內容進行串聯學習，具體細分為：

①建立直流電機系統的控制結構框圖，分開環和閉環控制；②根據牛頓第二定律和基爾霍夫電壓定律推導直流電機的運動控制方程；③分析系統的動態特性和穩態特性；④測試記錄電機轉速與占空比，用matlab 工具箱辨識系統模型；⑤對比運動控制方程和辨識模型，推導系統的開環傳遞函數；⑥根據得到的傳遞函數分析系統的頻率特性；⑦分析系統，應該加入何種校正環節能實現電機穩定調速。

2.3 課后——設置多樣化的考核方式

為了解決僅以期末成績作為單一考核方式的不足，我們采取了多種考核方式，從多個角度綜合評估學生的成績。這些成績認定方法主要包括：

①利用一網暢學平臺記錄和統計學生不同階段的短視頻學習成績，強化課程過程管理，形成學生平時成績。這一項成績包括16 次課的課前預習視頻問答和課后復習習題，取十次最佳成績進行計算，滿分100 分，計算公式為f1=sum（預習題成績*20%+復習題成績*80%）/10。

②課堂課程任務評價采用積分制，講解任務，并能回答課堂討論問題，或其他組匯報時能提出有意義和有價值的問題，積分f2 每次累計5―10 分，每次課最多加15 分，滿分100 分。

③附加分f3，參加課外實踐活動如機器人競賽等創新創業課題，能將實踐過程中的問題與課程知識相結合，在翻轉課堂環節可以作為案例在課上進行講解和討論，一個有意義的案例加5 分；課程筆記工整，整理每次課的關鍵內容和重難點，以及課后習題難題錯題，每堂課最佳筆記加2 分，最高30 分。

④減分項f4，無故課堂缺席，每次減20 分；不及時完成課前預習和課后復習題，每次減10 分；減分滿60 分，取消本門課程成績。

⑤期末考試f5，以卷面成績為準，滿分100 分。

最終成績計算參照公式f=max{min(f5*30%+f1*30%+f2*40%,100)+f3-f4,100}。

3 結語

基于一網暢學平臺的混合式教學模式為自動控制原理課程的改進提供了有力支持。本文通過深入分析自動控制原理課程的學情，在課程內容、教學方法和考核方式三方面進行混合教學模式探索。通過這一模式的不斷完善和更新，我們期待培養出更多具備創新和實踐能力的機器人工程專業人才，為推動機器人領域的發展貢獻力量。