張 倩，張德祥，李國麗

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

“自動控制原理”課程，是研究自動控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，為自動控制系統(tǒng)的分析和綜合提供基本理論支持與方法研究。作為電氣工程、自動化、測控等專業(yè)在控制理論方面入門性質(zhì)的專業(yè)核心課程，它前承“電路分析”“數(shù)字電子技術(shù)”“模擬電子技術(shù)”等基礎(chǔ)課程，后為“現(xiàn)代控制理論”“計算機控制”“過程控制”等專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。因此在教學(xué)內(nèi)容[1]、教學(xué)方法[2]、教學(xué)形式[3]、工程應(yīng)用[4]、思政教育[5]等方面均有前沿而深入的研究。目前該課程在教學(xué)形式方面的改革多集中在理論課程方面，如：將“MOOC+SPOC”模式與“自動控制原理”課程教學(xué)相結(jié)合，進行混合教學(xué)模式的探索，讓學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)的理論知識[6]。但相關(guān)實驗課程的教學(xué)改革受場地、設(shè)備限制，存在一定困難。本文在網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容梳理、實驗線上教學(xué)、混合式考核方式等方面進行改進。通過本課程的教學(xué)，可使學(xué)生獲得扎實的自動控制原理知識，系統(tǒng)地掌握控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理及分析設(shè)計方法，為識別、表達、分析電氣工程中的實際復(fù)雜工程問題并提出有效控制方案奠定基礎(chǔ)。

1 學(xué)情分析及教學(xué)內(nèi)容

“自動控制原理”課程一方面教學(xué)范圍廣、知識點多、公式計算量大，另一方面與實際系統(tǒng)有緊密聯(lián)系[7]。根據(jù)我院已有的2012～2018級達成度、學(xué)評學(xué)、學(xué)評教數(shù)據(jù)分析，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍存在三類困難：①時域系統(tǒng)分析計算的準(zhǔn)確性、快速性；②頻域概念的理解和曲線繪制；③與實際系統(tǒng)的結(jié)合以及原有知識體系的貫穿。

從實際問題出發(fā)，將工程應(yīng)用中的建模、分析、設(shè)計問題以框圖的形式分解為實際系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)框圖、傳遞函數(shù)模型、系統(tǒng)時域分析、根軌跡分析、頻域分析、系統(tǒng)校正等內(nèi)容，以達到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的指標(biāo)要求，如圖1所示。分別在圖中標(biāo)注對應(yīng)經(jīng)典控制理論中第一章～六章內(nèi)容。

圖1 “自動控制原理”教學(xué)內(nèi)容分析(經(jīng)典控制理論)

該教學(xué)內(nèi)容圖將繁雜的知識點以工程問題的解決為思路，有邏輯的串聯(lián)起來，使學(xué)生了解各章節(jié)內(nèi)容在實際應(yīng)用中扮演的角色，增加學(xué)習(xí)的興趣，提高應(yīng)用的能力。

2 基于MOOC的線上線下理論教學(xué)

近兩年來，MOOC 在全國范圍內(nèi)崛起，給知識傳播以及高等教育帶來了巨大的變革。隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的普及，我國高等學(xué)校也越來越多地采用網(wǎng)絡(luò)來進行學(xué)術(shù)交流和知識傳播。MOOC 教學(xué)模式的產(chǎn)生，實現(xiàn)了優(yōu)秀教育資源的公開化，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，MOOC 教學(xué)模式更側(cè)重于模塊化教學(xué)，對重點知識進行提煉。

本教學(xué)團隊將MOOC 教學(xué)模式引入到專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)過程當(dāng)中，以此作為學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)資源。將“自動控制原理”的理論教學(xué)內(nèi)容分解為32個知識點，通過每節(jié)課15分鐘的教學(xué)模塊進行講授，從而做到重點突出，有的放矢。在MOOC 教學(xué)模式下，學(xué)生可以根據(jù)自身情況有選擇地進行學(xué)習(xí)，更有利于學(xué)習(xí)者掌握知識內(nèi)容。知識點分解對應(yīng)的章節(jié)內(nèi)容如表1所示。

表1 MOOC課程知識點表

本教學(xué)團隊制作的MOOC課程已在安徽省網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺上線，如圖2(a)、圖2(b)所示，網(wǎng)址為http://www.ehuixue.cn/index/Orgclist/coursecid=33153與線下教學(xué)相比，MOOC課程的內(nèi)容較為精煉，課件也是針對15分鐘教學(xué)時間專門設(shè)計、制作，把課程中主要知識點呈現(xiàn)給學(xué)生。操作流程如下：

(a)課程封面

(1)在教師講授新課前，會推送學(xué)習(xí)資源，包括視頻、課件等。

(2)要求學(xué)生以MOOC課程資源預(yù)習(xí)，并以提問的形式進行監(jiān)督、考核。

(3)課后會在課程網(wǎng)絡(luò)平臺上編寫作業(yè)題、試題，作業(yè)線上提交和批改，覆蓋所有知識點。

(4)定期組織線上單元測試，并提供題庫供學(xué)生期末復(fù)習(xí)，提高同學(xué)們的計算能力。這些為學(xué)生線上學(xué)習(xí)提供了學(xué)習(xí)環(huán)境和資源，與線下課堂教學(xué)有機結(jié)合，達到更佳的學(xué)習(xí)效果。

同理心對于做好辦公室工作尤其重要，在日常工作中，要有意識地安排一些活動，形成一種氛圍去培養(yǎng)辦公室工作人員的同理心，這有利于我們做好辦公室的工作。但同時，也要正確認(rèn)識同理心，在合理利用同理心做好工作的同時，也要合理規(guī)避同理心帶來的負(fù)面影響，加強制度的約束力和執(zhí)行力。確保同理心能在合適的范圍得到充分的利用，服務(wù)于我們的辦公室工作。

3 應(yīng)用口袋儀器的實驗教學(xué)設(shè)計

針對疫情期間暴露的線上實驗教學(xué)困難的問題，改進現(xiàn)有實驗設(shè)施，引入口袋實驗設(shè)備，與原有唐都試驗箱、Matlab仿真軟件相結(jié)合，形成線上線下實驗教學(xué)體系。

口袋實驗室的理念最初由斯坦福大學(xué)的Clifton Roozeboom 博士提出。他利用超高密度集成工藝技術(shù)將傳統(tǒng)實驗箱的功能集成在一塊如火柴盒大小的線路板上[8]。目前，電氣工程和自動化專業(yè)的口袋實驗室多應(yīng)用于“電子技術(shù)”“單片機”等課程[9]。本文在“自動控制原理”課程中引入口袋實驗設(shè)備，設(shè)計了一階系統(tǒng)時域響應(yīng)、高階系統(tǒng)穩(wěn)定分析、頻率特性曲線等六個實驗內(nèi)容，形成線上線下實驗教學(xué)體系。

本實驗選用硬木課堂EPI-m102型口袋儀器，外圍尺寸約20 cm*2 cm*6 cm，內(nèi)部核心實驗班如圖3所示，與筆記本電腦、臺式機等上位機以USB線連接。

圖3 硬木課堂EPI-m102型口袋儀器

可在實驗課開設(shè)前發(fā)給學(xué)生，學(xué)生無需到指定實驗室，可在宿舍、圖書館、自習(xí)室或家中進行實驗操作和學(xué)習(xí)。圖4為學(xué)生在寢室，應(yīng)用口袋儀器進行的一階系統(tǒng)時域響應(yīng)實驗。圖5為上位機界面截圖。

圖4 應(yīng)用口袋儀器的一階系統(tǒng)時域響應(yīng)實驗

圖5 口袋儀器上位機界面截圖

4 線上線下混合式教學(xué)考核方式

經(jīng)過理論和實驗教學(xué)線上線下的改革，形成了“自動控制原理”的一套完善的教學(xué)閉環(huán)——“MOOC平臺預(yù)習(xí)(線上)→導(dǎo)入新課(線上/下)→講授新課(線下)→習(xí)題分析(線上/下)→Matlab仿真(線上)→口袋實驗(線上)/試驗箱(線下)驗證→布置作業(yè)(線上)→章節(jié)總結(jié)(線下)→課程設(shè)計(線上/下)→MOOC平臺復(fù)習(xí)(線上)”。

原理論課程考核方案為總評成績(100%)= 平時成績(30%)+期末考試成績(70%)。其中平時成績的統(tǒng)計較為粗糙，一般根據(jù)出勤率和作業(yè)完成情況，給出大致評價分?jǐn)?shù)。線上線下混合式教學(xué)改革后相應(yīng)的課程評價方式也應(yīng)有針對性改進，提出更為全面細致的評價方案?？傇u成績(100%)= 平時評價成績(50%)+期末考試評價成績(50%)。其中，平時評價成績(50%)=平時常規(guī)考核(課前觀看視頻10%+課上簽到考勤5%+課堂互動5%+小測驗10%+作業(yè)20%)。理論課程考核方式兩者的區(qū)別，如圖6(a)、6(b)所示。

(a)原理論課程考核方式

實驗課程考核方式也由原來單一的操作考核，改進為總評成績(100%)= Matlab仿真實驗(30%)+線下試驗箱操作實驗(40%)+線上口袋儀器操作實驗(30%)，如圖7所示。

圖7 線上線下混合教學(xué)實驗課程考核方式

5 教學(xué)改革實施成效

線上線下混合教學(xué)模式在近三年逐漸推進，從“自動控制原理”理論與實驗課程中學(xué)生的成績分布情況，如表2、表3所示?？煽吹綄嵭薪虒W(xué)改革后，理論成績逐年提升。實驗課程改革是在2020～2021年推行，可見該學(xué)年實驗成績分布較前兩個學(xué)年有明顯的優(yōu)化趨勢。

表2 近三年理論課程分?jǐn)?shù)分布表

表3 近三年實驗課程成績分布表

除以上成績的提高外，近三年，團隊教師指導(dǎo)本科生成效顯著提高：發(fā)表/錄用科研論文8篇，其中SCI 源刊4 篇，CSCD 以及中文核心期刊論文3 篇；指導(dǎo)本科生專利申報4 項，其中實審發(fā)明專利1 項，授權(quán)實用新型專利2項；指導(dǎo)本科生獲各類教學(xué)成果獎6 項。

6 結(jié)語

本文研究了“自動控制原理”課程的特征和學(xué)情，設(shè)計并制作了MOOC線上課程資源，引入口袋儀器設(shè)備，形成理論與實驗相結(jié)合的線上線下混合教學(xué)體系，并對考核方案進行改進。未來將深化線上教學(xué)改革，推廣MOOC課程資源，收集平臺教學(xué)數(shù)據(jù)，研究出版基于口袋儀器的線上教學(xué)指導(dǎo)用書，進一步優(yōu)化線上線下混合教學(xué)體系。由課程改革和實施成效可見，本文提出的教學(xué)改革方法可有效提高學(xué)生理論、實驗課程成績，并取得較好的競賽、科研成果。