基于雙閉環反饋的自動控制原理課程混合式教學探索與實踐

摘 要：自動控制原理是自動化專業的核心課程，具有概念抽象和公式繁多的特點，在一流專業建設背景下面臨課時壓縮導致學生難以有效掌握課程內容、傳統教學方式難以有效培養學生學習能力的問題。該文在混合式教學模式下，借鑒課程中閉環反饋思想，提出基于知識學習內環和能力培養外環的教學框架，根據反饋結果構建以學生為中心的教學體系動態調整方案。通過以上措施，在有限學時下保質保量完成教學內容，實現能力培養和知識學習的同步推進，可以為相關課程的建設提供參考。

關鍵詞：自動控制原理；閉環反饋；雙閉環教學框架；混合式教學；改革舉措

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0021-04

Abstract： Automatic Control Principle is the core course of automation major， which has the characteristics of abstract concepts and various formulas. Under the background of first-class major construction， it is faced with the problem that the compression of class hours causes students are difficult to effectively grasp the course content， and traditional teaching methods are difficult to effectively cultivate students'learning ability. Adopting the idea of closed-loop feedback in the curriculum， this paper proposes a teaching frameworkunder the blended teaching mode based on the inner loop of knowledge learning and the outer loop of ability training， and constructed a student-centered dynamic adjustment scheme of teaching system according to the feedback results. Through the above measures， the teaching content can be completed with high quality and quantity in the limited learning time， and the synchronous promotion of ability training and knowledge learning can be realized， which can provide reference for the construction of related courses.

Keywords： Automatic Control Principle; closed-loop feedback; double closed-loop teaching framework; blending teaching; reform measures

近年來，在“工業4.0”和“人工智能+”的技術趨勢下，迫切需要高等學校培養出滿足時代要求的復合型人才。2018年，結合中國礦業大學在智能優化與控制、機器學習與智能系統方面的研究積累，在江蘇省品牌專業“電氣工程及其自動化”（工業控制、智能機器人）基礎上，學校恢復設置“自動化”新工科專業，并獲批2020年度國家級一流本科專業建設點。一流本科專業建設對于課程內容和培養模式提出了新要求[1]，要求堅持以學生為中心，以產出為導向，要求建立健全自查自糾的質量保障機制并持續有效實施，以國家需求和科技變革為導向，改造提升傳統專業，打造特色優勢專業。

自動控制原理是自動化專業和電氣工程及其自動化專業的核心課程，也是自動控制專業本科生接觸到的第一門學科基礎課，更是后續專業課學習的基礎，此外還是眾多學校自動化專業的考研課程。其內容包括自動控制的基本概念、控制系統的數學模型、時域分析法、根軌跡法、頻域分析法、控制系統的校正以及非線性系統七部分[2-3]。該課程的核心知識——系統的概念、反饋的概念、基于偏差的控制等內容不僅是控制系統的基本知識，也是科學方法論的重要構成。通過課程學習，要求學生掌握反饋控制的思想架構，形成“反饋-校正”的思維方式；能夠具備簡單系統建模、分析和校正（控制）的能力，為后續專業課程學習和實際工程應用奠定基礎。因此，該課程的教學效果事關自動化相關專業學生培養質量。

一流專業建設對于課程建設提出了新要求和新挑戰[4]，本文在深入分析新形勢下面臨挑戰的基礎上，引入混合式教學手段針對性地對專業傳統課程內容進行改造提升，詳細介紹了基于課程中閉環反饋思想提出的“知識+能力”雙閉環教學模式，根據反饋結果實現以學生為中心的教學體系的實時調整，在保證教學質量的同時提升學生學習能力。

一 一流專業建設和培養方案調整帶來的新挑戰

經過多年的課程建設，學校自動控制原理課程建設取得極大成效，入選江蘇省一流課程，入圍學校國家一流課程培育項目。在一流本科建設和新版培養方案課時壓縮的背景下，本課程也面臨了新的問題，具體包括以下內容。

（一） 課程學時壓縮與課程內容繁雜的矛盾

自動控制原理課程具有概念抽象、數學內容多、計算復雜等特點[5]。在建模過程中需要用到高等數學、大學物理、工程數學、電路理論和模擬電子等基礎知識，在分析過程中對數學計算、圖形繪制、邏輯推演等方面的能力要求較高，在設計過程中對前面所學的建模、分析、計算、歸納和圖解等綜合知識的運用有較高的要求。由于知識晦澀難懂，與現實世界難以建立直接聯系，且不同章節知識點耦合較深，導致學生產生畏難情緒，積極性大受打擊。目前自動化專業最新培養方案課時已經壓縮到48學時，電氣工程專業該課程理論學時已經壓縮到40學時。在近年來專業課學時一再壓縮的背景下[6-7]，如何在有限課時條件下帶領學生一起完成課堂內容的學習是一大挑戰。

（二） 教師知識傳授與學生創新能力培養難以同步

創新能力的培養不僅需要學生知識的積累，還需要老師對于創新思維進行有意的引導和訓練。傳統以教師為中心的授課方式，教學過程較為枯燥，主要以知識點的講解、公式推導、曲線繪制等內容為主，學生接收較為機械，局限了學生的創新思維，不利于學生創新能力培養[7]。與此同時，傳統教學方式中引入課程思政，容易降低學生的認同感，不易達到較好的教學效果。

針對以上問題，為更好實現一流專業建設目標，作為專業核心主干課程的自動控制原理課程還有待針對性地調整和完善。擬引入自動化專業中的雙閉環控制的思想，建立知識學習內環和能力培養外環的雙閉環教學體系，借助混合教學的手段，試圖實現在有限學時下保質保量完成課程知識傳授，實現能力培養和知識學習的同步推進。

二 雙閉環反饋教學理念的基本內涵

針對新形勢下面臨的教學難點，以混合式教學為主要抓手，以雙閉環理念重構教學組織，根據反饋結果形成以學生為中心的教學體系調整方案。

（一） 構建以知識學習為內環、能力培養為外環的雙閉環教學體系

如圖1所示，基于混合式教學的組織方式，通過雙閉環協作，實現兼顧能力訓練和知識學習的教學模式。以知識目標為內環，通過線上線下混合式教學，利用隨堂測驗、線上學習數據以及線下作業情況反饋學生知識掌握程度；根據學生案例設計、課堂實驗和翻轉課堂效果評價學生課程要求的理解和分析能力的層次；根據兩方面的反饋結果調整教學體系。

（二） 形成與以學生為中心相配套的教學體系調整方案

如圖2所示，根據學生知識掌握水平和能力評價結果反饋的結果，持續進行教學反思，豐富線上和線下課程的教學資源以及思政案例，改進教學設計，豐富教學方法，完善教學考核，形成教學體系的閉環，實現能夠根據對學生反饋出來的結果，針對性地調節教學方法，降低甚至消除與期望培養目標之間的差距。

三 雙閉環教學體系的具體舉措

（一） 更新課堂內容，構建混合教學模式，完善知識學習內環

在傳統課堂上，教師講授為主，在課時壓縮的背景下難以充分講授課程知識點，此外課堂學習時間短，學生被動接收知識，學生接收知識效果不夠理想。基于線上慕課的教學，具有開放性、個性化、時間自由的特點，但是知識深度不容易把握；全線上教學對于學生的自我約束能力要求過高，造成部分自制力較差同學學習效果不理想。因此開展混合式教學，可以充分揚長避短，利用線上資源作為課堂教學內容的導入和深化，優化課堂教育效果[7-9]。

為此項目組在總學時受限的情況下，重新梳理了課堂教學和線下學習的內容分配，以“系統建模、系統分析、系統校正”為主線，通過課程組教師調研和研討，重新梳理和完善線上教學資源和線下教學課件，明確課外學習的內容和目標。我們將概念性、拓展性以及部分較為獨立的小塊知識點安排學生結合慕課上的視頻進行線上學習，并借助在線測試檢測學習效果，在課上通過隨堂測驗進行相關知識點的補充。以電氣工程及其自動化專業40學時課堂學時的自動控制原理為例，本課程線上學習內容安排見表1，主要涉及基本概念、拓展性知識點，以及自成體系的描述函數、相平面法等知識單元。

通過混合式教學模式的引入，解決了學時壓縮而學習內容不壓縮的困境，同時充分利用線上教學工具實時掌握學生學習進度，便于及時根據學生學習情況調整教學節奏。MOOC線上教學工具的引入極大地方便了線上學習情況的統計，以圖3某教學班的課程教學后臺數據為例，可以方便獲取到學習時長、線上線下考核、課堂出勤等數據。此外線上慕課視頻也方便了課程思政元素和相關科研案例的引入。課程以都江堰水利工程、天宮空間站、高速列車工程等古今重大工程案例培養學生民族自豪感和自信心，以錢學森、梁思禮等老一輩控制科學家事跡塑造學生的愛國情懷，充分挖掘課程思政元素。

（二） 任務驅動，完善教學組織方式，優化能力培養外環

傳統課堂教學模式下，學生在以教師為中心的模式下容易失去學習主動性，不利于訓練學生發現、提出、解決問題的能力。針對能力培養問題，一方面采用混合式教學模式，借助慕課的線上資源，通過布置適當的課前任務、課后作業，讓學生根據自己的情況學習課程內容，并通過線上提問、線上互助學習（如圖4所示）等方式，提高自我學習的能力。

另一方面，以開展翻轉課堂等形式，引導學生自主學習。對于“控制系統的根軌跡分析法”等某些相對獨立、完整的MOOC教學知識點，可以作為基本素材，要求學生在指定時間完成，并布置一定的任務，在學生完成后，由學生來完成這部分知識要點的總結，再對學生的講解加以點評和討論，加深對于內容的理解。除了選取Laplace變換、勞斯判據、Nyquist判據等獨立知識點外，還選取第七章非線性系統整章作為線上學習的內容，并在課堂中進行重點點評和回顧，在有限學時下保證了教學效果不下降。

通過翻轉課堂、線上自學和線上討論等方式[10]，極大地提升了學生參與教學和主動學習的積極性，也通過這種手段實現了對學生自學能力和組織協作能力的培養。

（三） 雙閉環互動，完善考核評價方式，以能力提升促教學質量

傳統線下教學，以線下教育成果來評價學生學習效果，缺乏對于學生學習能力、學習動態效果的考量。在混合式教學模式下，通過線上課前預習任務、課后拓展作業、互動討論、翻轉課堂等模式，將在線學習、互動和討論中展現出的學習能力給予階段性考評，突出學生自主學習能力的評價。知識性的學習和記憶是階段性的，而學習能力的培養和提升是長期和永久性的，知識性考試不能完全反映學習能力提升，學習能力提升會促進知識的學習。因此項目組完善了混合式教學考核方式，對于能體現學生學習能力的環節給予適當的權重，實現知識和能力全面的提升。

課程組構建以課程實驗、平時表現（包括線上MOOC課程學習、作業、專題報告、課堂反饋和出勤等）、期末閉卷考試成績等多方面綜合評定的考核方式，成績評定采用百分制，其中實驗成績占15%，平時成績占25%，期末考試占60%。通過合理調整考核權重和比例，實現對于學生學習過程、學習能力和學校效果的全面評價，避免通過卷面成果片面評價學生的學習成效。

通過以上措施的配合使用，經過兩年多的課堂實踐，綜合評價和評教結果反饋，實現了在壓縮學時保證學生對知識掌握水平不下降的目標，進一步提高了學生主動學習和協助學習的能力。

四 結束語

自動控制原理課程具有概念抽象、數學概念多、計算復雜、內容層層遞進又相對獨立的特點。在新的背景下，面臨教師知識傳授與學生創新能力培養難以同步的問題，在新版培養方案下面臨課程學時壓縮與課程內容繁雜的矛盾。針對以上問題，為更好實現一流專業建設目標，引入自動化專業中的雙閉環控制的思想，建立知識學習內環和能力培養外環的雙閉環教學體系，以學生為中心精心設計學習內容、評價方案，借助混合教學的手段，實現在有限學時下保質保量完成課程知識傳授，實現能力培養和知識學習的同步推進。

后續可以進一步探索結合智慧教學工具根據班級的教學基礎設計個性化教學方案；做好與后續的現代控制理論、計算機控制、過程控制等專業課以及學科綜合實驗等實踐類課程的銜接。

參考文獻：

[1] 楊靖，楊明，王德光，等.國家級一流專業建設背景下人才培養模式的構建與實踐——以貴州大學自動化專業為例[J].科教文匯，2023（22）：117-119.

[2] 苗宇，蔣大明，劉澤.“自動控制原理”混合式教學實踐[J].電氣電子教學學報，2020，42（1）：82-86.

[3] 韓楊，王叢嶺，孫銳，等.《自動控制原理》課程教學方法與考核方法改革探索[J].中國電力教育，2021（1）：59-60.

[4] 閆茂德，朱禮亞，許唐雯.OBE理念下自動化一流本科專業課程教學改革與實踐[J].高教學刊，2024，10（5）：7-11.

[5] 黃瑤，王澤瑩.“自動控制原理”線上線下混合教學探索[J].科教導刊，2023（34）：108-110.

[6] 白圣建，李興瑋，曹聚亮，等.“自動控制原理”混合式教學改革實踐[J].電氣電子教學學報，2021，43（4）：6-8.

[7] 高強，劉俊杰，楊森，等.“自動控制原理”閉環型混合式教學的探索與實踐[J].科教導刊，2021（23）：152-155.

[8] 鄭艷.“自動控制原理”混合式教學模式探索及教學實踐[J].電氣電子教學學報，2019，41（6）：44-48.

[9] 樊樓英，樓贛菲，王野，等.混合式理實一體化教學改革探索與實踐——以自動控制原理課程為例[J].麗水學院學報，2021，43（2）：94-99.

[10] 郭云飛，張樂，彭冬亮，等.基于OBE理念的“自動控制原理”教學過程改革研討[J].教育教學論壇，2019（44）：124-125.