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摘要:在《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，為了提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新能力，本文提出以項目驅(qū)動為主線，利用超星泛雅網(wǎng)上教學(xué)平臺建設(shè)“異步SPOC”課程資源。結(jié)合工程項目實例，利用MATLAB及LabView軟件實現(xiàn)項目驅(qū)動式教學(xué)，具體包括學(xué)生自主學(xué)習(xí)式、教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)式、翻轉(zhuǎn)課堂討論式等多種舉措相結(jié)合。此教學(xué)方法充分發(fā)揮了學(xué)生在教學(xué)活動中的主體作用。研究表明該教學(xué)方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性，進(jìn)一步提高學(xué)生工程實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞:控制工程基礎(chǔ)；項目驅(qū)動；異步SPOC；翻轉(zhuǎn)課堂

1引言

“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)器人工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課，要求掌握自動化應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)理論分析結(jié)合工程實際[1]。本課程涉及的知識面較廣、概念抽象、公式多且復(fù)雜[2]。傳統(tǒng)的教學(xué)活動以課堂講授為主，與實際應(yīng)用脫節(jié)，課程知識點(diǎn)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。教師在授課過程中，如何簡化理論推導(dǎo)，化抽象為形象，調(diào)動學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力已成為亟待探索與研究的課題。基于問題學(xué)習(xí)，將項目驅(qū)動法應(yīng)用于本課程的教學(xué)，引入學(xué)習(xí)通和超星泛雅在線教學(xué)平臺，建設(shè)異步SPOC課程資源。學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，線下集中講解疑難知識點(diǎn)和項目的實現(xiàn)，采用團(tuán)隊式和翻轉(zhuǎn)式相結(jié)合的教學(xué)方式，不但能使學(xué)生易于掌握控制工程基礎(chǔ)的基本知識和技能，而且可以提高學(xué)生的工程實踐能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和職業(yè)技能[3-4]。

2貫穿式項目教學(xué)法

2.1項目驅(qū)動式教學(xué)法意義。項目驅(qū)動式教學(xué)法將知識點(diǎn)分解融合到項目中，在指導(dǎo)學(xué)生完成項目的過程中，學(xué)生掌握相關(guān)理論知識點(diǎn)并提高實踐技能。該教學(xué)法為以學(xué)生為中心，能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、解決問題的能力，充分挖掘?qū)W生潛能[5]，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊精神、創(chuàng)新思維和實踐能力。控制工程基礎(chǔ)課程具有知識點(diǎn)多涉及面廣、數(shù)學(xué)公式和定理推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn)[6]，學(xué)生在學(xué)習(xí)時不易把握全局和各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，理論和實際聯(lián)系困難。建立一套以項目驅(qū)動為主線，實踐帶動理論、理論指導(dǎo)實踐的教學(xué)方案，有助于提高學(xué)生理解和應(yīng)用理論知識。結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和項目實施過程，將課程內(nèi)容分成系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)性能的分析和系統(tǒng)性能的校正三大模塊。在每個教學(xué)模塊中，循序漸進(jìn)地強(qiáng)化基本理論知識。2.2貫穿式項目教學(xué)的設(shè)計2.2.1教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計。廣東工業(yè)大學(xué)為應(yīng)用型本科院校，注重提高學(xué)生的實踐能力和職業(yè)技能。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計課程內(nèi)容，教學(xué)過程重視系統(tǒng)物理意義的理解，淡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。如控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)的計算公式，推導(dǎo)過程復(fù)雜且費(fèi)時費(fèi)力，教學(xué)中可不進(jìn)行推導(dǎo)演算，直接得出結(jié)論。此外，還可借助MATLAB仿真軟件，搭建控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，直接從仿真結(jié)果圖上讀出系統(tǒng)的時域及頻域性能指標(biāo)。對于內(nèi)容陳舊且工程實際中較少使用的知識點(diǎn)從教學(xué)內(nèi)容中刪除，如第四章控制系統(tǒng)的根軌跡分析法，根軌跡的繪制規(guī)則多且計算量大，實用價值低。2.2.2貫穿式項目設(shè)計。在項目驅(qū)動式教學(xué)法中，所有需要學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)知識都圍繞項目展開。將工程項目實例分為基本、中級、高級三個環(huán)節(jié)，采用“應(yīng)用理論應(yīng)用”的教學(xué)方式，由“問題”引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的基本理論。現(xiàn)以“直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)”為例，說明貫穿式項目驅(qū)動教學(xué)法。在這一項目設(shè)計過程中，串連《控制工程基礎(chǔ)》課程的重要知識點(diǎn)。直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)各部分功能模塊與課程各個章節(jié)知識的關(guān)系如圖1所示。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)由五個子任務(wù)功能模塊構(gòu)成，每個子任務(wù)功能模塊都對應(yīng)課程的知識點(diǎn)，整個伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計涵蓋了課程全部章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容。直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)從簡單的開環(huán)控制單閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其層層遞進(jìn)的控制系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。在每一級別的控制系統(tǒng)中，均穿插時域分析和頻域分析。根據(jù)實驗室條件和學(xué)生基礎(chǔ)，還可列出多個典型的控制系統(tǒng)實例，如磁盤驅(qū)動器讀取系統(tǒng)、電熱水壺水溫控制系統(tǒng)、水箱水位控制系統(tǒng)等。其他貫穿式項目的實施過程與直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)類似。在課程開始前，編制項目驅(qū)動大綱和任務(wù)書。

3多元混合式教學(xué)過程的設(shè)計與實施

3.1教學(xué)組織。本課程基于項目任務(wù)來組織教學(xué)，帶著問題學(xué)習(xí)，最終實現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，從而提高學(xué)生的工程實踐能力。教學(xué)模式采用線上線下混合教學(xué)。線上教學(xué)，依托學(xué)習(xí)通（手機(jī)端）和超星泛雅（電腦端）線上學(xué)習(xí)平臺，引用河北大學(xué)《自動控制原理》在線開放MOOC資源，結(jié)合學(xué)校的實際情況，對MOOC資源做適當(dāng)修改形成異步SPOC在線課程。課程內(nèi)容的開放根據(jù)項目進(jìn)度來進(jìn)行，線上平臺主要完成理論知識的學(xué)習(xí)。通過線上學(xué)習(xí)平臺的通知、討論、群聊、搶答等方式學(xué)習(xí)任務(wù)、在線答疑等，方便師生互動。線下教學(xué)活動的開展主要為了提高工程實踐能力和職業(yè)技能。教學(xué)過程中，借助實驗室條件和MATLAB、LabView等仿真軟件，真正做到理論應(yīng)用于實踐，提高學(xué)生的職業(yè)技能。線下教學(xué)形式包括知識點(diǎn)講解、小組討論、學(xué)生匯報、學(xué)生實踐等環(huán)節(jié)。3.2多元混合式教學(xué)過程實施。學(xué)校機(jī)器人工程專業(yè)“控制工程基礎(chǔ)”課程為48課時。線上自主學(xué)習(xí)分配24課時，主要進(jìn)行理論知識點(diǎn)的梳理；線下教學(xué)分配24學(xué)時，主要進(jìn)行疑難知識點(diǎn)的解答，控制方案論證并完成項目的實施。線上課程和線下課程穿插進(jìn)行。按照項目驅(qū)動多元混合式教學(xué)模式的實施原則，課程的教學(xué)過程按時間順序分為課前、課中、課后三個階段，各階段循環(huán)進(jìn)行。各個階段的教學(xué)安排如圖3所示。課程開始前，先進(jìn)行項目小組的劃分，每組3-5名學(xué)生。通過學(xué)習(xí)通平臺教學(xué)任務(wù)和項目大綱，學(xué)生在小組討論后，帶著問題再進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。線上教學(xué)小視頻的時長一般在10分鐘以內(nèi)。學(xué)生可自由選擇在線學(xué)習(xí)時間，也可根據(jù)自身的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力確定視頻播放速度。線上學(xué)習(xí)過程穿插在線測評，可檢查學(xué)習(xí)效果，測評結(jié)果作為線下課堂教學(xué)的參考依據(jù)。線下課堂以學(xué)生匯報分享、實踐操作為主，教師參與點(diǎn)評及總結(jié)歸納。課堂教學(xué)中，教師采用分段式教學(xué)法將教學(xué)內(nèi)容組織起來，以集中學(xué)生的注意力。第一階段是對學(xué)生線上自學(xué)內(nèi)容隨堂測驗中的易錯知識點(diǎn)和復(fù)雜教學(xué)內(nèi)容的講解，有針對性地回答學(xué)生的問題。在知識點(diǎn)講解和答疑過程中，可以借助仿真軟件和實驗室設(shè)備等，化抽象為形象。第二階段組織學(xué)生以小組形式對課前布置的項目任務(wù)進(jìn)行分析、討論并匯報。第三階段在小組匯報的基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)評，對不合理的控制方案，給出合理的改進(jìn)意見和建議，并講解涉及綜合理解及實踐應(yīng)用的知識點(diǎn)。第四階段為項目的實施。此階段為實踐檢驗環(huán)節(jié)，學(xué)生動手操作，搭建控制系統(tǒng)，分析控制性能，本環(huán)節(jié)對學(xué)生的綜合能力要求較高。每次課程，每個階段分配的時間不盡相同。課后教師的主要任務(wù)包括答疑、討論互動、作業(yè)批改等。個別問題一對一答疑，共性問題可以采用群聊等方式。對某些疑難知識點(diǎn)，教師可在學(xué)習(xí)通相關(guān)討論話題，引起學(xué)生的思考，教師應(yīng)及時回應(yīng)學(xué)生對討論話題的回復(fù)。線上作業(yè)的客觀題，超星平臺可以自行批改作業(yè)，教師只需要統(tǒng)計學(xué)生的答題得分情況，主觀題需要教師批閱，以全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)生的項目報告，方案多樣化，需花費(fèi)教師花費(fèi)較多時間和精力來批閱。

4過程化考核

項目驅(qū)動式多元混合式教學(xué)法的檢查和評估主要考核以下四個方面的內(nèi)容。（1）控制系統(tǒng)的理論分析包括數(shù)學(xué)模型的建立和系統(tǒng)性能分析。主要通過線上SPOC課程學(xué)習(xí)和測驗情況來評價，占總評的20%。（2）控制器的設(shè)計。控制系統(tǒng)仿真演示，占總評的30%。（3）系統(tǒng)實現(xiàn)。通過軟件編程實現(xiàn)設(shè)計的控制算法，并驅(qū)動硬件系統(tǒng)實現(xiàn)特定的功能，即控制系統(tǒng)的實物演示，占總評的30%。（4）團(tuán)隊協(xié)作、語言表達(dá)、報告撰寫等方面的能力。通過答辯匯報、小組討論、項目報告等來進(jìn)行考核，占20%。考核方式包括生生互評，學(xué)生自評、教師評價。過程化考核注重學(xué)習(xí)的全過程，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，從而促進(jìn)知識的理解、消化和吸收。

5教學(xué)效果對比

運(yùn)用控制變量法做對比實驗，以基礎(chǔ)相當(dāng)?shù)膬蓚€班級為研究對象。對17機(jī)器人1班（57人）進(jìn)行常規(guī)課堂教學(xué)，18機(jī)器人1班（49人）進(jìn)行項目式混合教學(xué)。通過問卷調(diào)查和總評成績來分析教學(xué)效果。問卷調(diào)查結(jié)果顯示項目驅(qū)動多元混合式教學(xué)班級學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)目標(biāo)非常明確的比例均在50%以上，而常規(guī)教學(xué)法的班級這一比例在30%左右。在學(xué)成績方面，項目驅(qū)動多元混合式教學(xué)班級的優(yōu)秀率、良好率均高于常規(guī)教學(xué)班級，不及格率低于常規(guī)教學(xué)班級。采用項目驅(qū)動多元混合式教學(xué)的班級在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)目標(biāo)、專業(yè)技能提升、綜合成績等方面都有較大的提升。

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作者:唐艷鳳 朱穎 張亞婉 單位:廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院