胡汪洋,江善和,陳世軍,張朝龍
(安慶師范大學(xué) 電子工程與智能制造學(xué)院,安徽 安慶)
為深化推進(jìn)新工科建設(shè),2020 年5 月,教育部印發(fā)了《未來(lái)技術(shù)學(xué)院建設(shè)指南(試行)》的通知,指出要把握新工科“新的工科專(zhuān)業(yè)、工科的新要求”建設(shè)內(nèi)涵,突破常規(guī)、突破約束、突破壁壘,探索專(zhuān)業(yè)學(xué)科交叉合作規(guī)律,探索未來(lái)科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才培養(yǎng)新模式,探索工程人才培養(yǎng)的中國(guó)方案[1-2]。
“新工科”是指新興工科專(zhuān)業(yè),如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)算等原來(lái)沒(méi)有的專(zhuān)業(yè),一是對(duì)傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)(電子信息科學(xué)技術(shù)、建筑工程、機(jī)械、材料、自動(dòng)化、交通工程、冶金、采礦、系統(tǒng)工程等等)的升級(jí)改造,實(shí)現(xiàn)更新的理念、更好的模式、更高的教育質(zhì)量。二是強(qiáng)調(diào)新結(jié)構(gòu)和新體系,新結(jié)構(gòu)要與社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配,既面向當(dāng)前急需,又考慮未來(lái)發(fā)展,新體系是促進(jìn)學(xué)校教育與社會(huì)教育的有機(jī)結(jié)合[3]。
《自動(dòng)控制原理》課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案中綜合性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課,以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論,涉及電路分析、機(jī)械原理等專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)前序課程,核心內(nèi)容包括自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成和結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)(穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性)、過(guò)程分析(時(shí)域法、頻域法等)、類(lèi)型特點(diǎn)(連續(xù)、離散、線性、非線性等)、綜合校正和設(shè)計(jì)方法等[4]。在長(zhǎng)期的教學(xué)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)該課程主要存在重難點(diǎn)內(nèi)容抽象性強(qiáng),高等數(shù)學(xué)理論要求高,注重理解與實(shí)踐相結(jié)合,課程章節(jié)前后關(guān)聯(lián)性密切等特點(diǎn),部分學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱,如跟不上課程節(jié)奏及容易造成后續(xù)學(xué)習(xí)困難。
結(jié)合我校地方性地方應(yīng)用型高水平大學(xué)辦學(xué)定位,主要圍繞“區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)”充分發(fā)揮支撐作用。同時(shí)在人才培養(yǎng)理念革新和教育教學(xué)模式進(jìn)行改革[5-7],以培養(yǎng)適應(yīng)于未來(lái)工程科技發(fā)展需求的復(fù)合型、創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才,培育學(xué)生具備比較扎實(shí)的行業(yè)背景知識(shí)、較強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)和溝通交流等多重能力。圍繞以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為中心的新工科教育理念,我們提出更新一種與之相符的自控原理課程教學(xué)方案,面向全體學(xué)生,關(guān)注學(xué)習(xí)成效,建設(shè)質(zhì)量文化,持續(xù)提升學(xué)校工程人才培養(yǎng)水平。
所在教研室在11 月29 日聆聽(tīng)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳剛教授《面向智能制造的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革》主題報(bào)告,報(bào)告中以《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)舉例,一些大學(xué)不講信號(hào)流圖,確實(shí)用處不大且僅限于考試,Routh-Hurwitz 穩(wěn)定性判據(jù)、Nyquist穩(wěn)定性判據(jù)也提倡少講;例如華北電力大學(xué)(保定)的教學(xué)改革試驗(yàn),不講復(fù)頻域法,頻域法也少講,這是過(guò)程控制行業(yè)的特色,過(guò)程控制系統(tǒng)有純滯后,甚至是大純滯后、大慣性,在頻域、復(fù)頻域中建模、分析和設(shè)計(jì)都很不方便,反倒是在時(shí)域中研究更容易理解,分析、設(shè)計(jì)更加方便。一些大學(xué)不講根軌跡,控制器設(shè)計(jì)增多了PID 控制器內(nèi)容,但主要還是超前、滯后、超前滯后校正網(wǎng)絡(luò)。
因《自動(dòng)控制原理》課程內(nèi)容與電路分析、機(jī)械原理、高等數(shù)學(xué)等知識(shí)關(guān)聯(lián)性大,如有源無(wú)緣電路網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)、拉氏變換、卷積分、傅里葉級(jí)數(shù)、Routh-Hurwitz 判據(jù)等基礎(chǔ)概念或原理都是必備掌握要點(diǎn)[8],且該課程中針對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)域和頻域性能分析等章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)本身就有一定的抽象性,而學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度和理解能力差異性較大,導(dǎo)致部分學(xué)生不能及時(shí)理解通透知識(shí)要點(diǎn),出現(xiàn)掉節(jié)奏跟不上教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容現(xiàn)象,反復(fù)呈現(xiàn)非良性循環(huán)后學(xué)習(xí)積極性逐漸降低,甚至放棄該課程學(xué)習(xí)。
因?qū)W校當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室硬件條件有限,延用的還是老版的DSP 試驗(yàn)箱,結(jié)合示波器、信號(hào)發(fā)生器做理論課程中有關(guān)“典型環(huán)節(jié)”的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),內(nèi)容上較為單一,且實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置較為固定,第二、第三課堂進(jìn)行的不夠深入,因此往往學(xué)生理解理論僅停留在完成實(shí)驗(yàn),而主動(dòng)思考控制原理和分析解決問(wèn)題的能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)??山⒁则?yàn)證型實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容為輔,課程綜合涉及和創(chuàng)新設(shè)計(jì)為主的拓展實(shí)踐教學(xué)體系。
傳統(tǒng)第一課堂向線上線下混合式新型第一課堂正處于逐漸轉(zhuǎn)換的過(guò)程,當(dāng)前《自動(dòng)控制原理》課程線上線下教學(xué)結(jié)合方式較為單一,第一課堂中還是以PPT 多媒體輔助課堂教學(xué)為主,線下MOOC 資源輔助課堂教學(xué)和自主學(xué)習(xí)方式融合不夠,結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐、教研室同行和學(xué)生深度評(píng)價(jià),該課程MOOC 資源的主體作用還有待進(jìn)一步充分挖掘,融入課堂教學(xué)過(guò)程需一定時(shí)間積累才能形成完整課程教學(xué)體系。
在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)研究中,應(yīng)注重挖掘思政元素,突出應(yīng)用目的,例如在講反饋原理是,將自己的現(xiàn)狀與理想做差比較,由認(rèn)識(shí)自己的進(jìn)步增加自信心(正反饋),由防止產(chǎn)生倦怠避免停止進(jìn)步(負(fù)反饋);在講系統(tǒng)輸入量和輸出量時(shí),教會(huì)學(xué)生當(dāng)遇到挫折“系統(tǒng)”遭遇外來(lái)干擾量時(shí),應(yīng)以一種積極心態(tài)改變自己的“固有特性”,我們?cè)诟蓴_存在的情況下仍要保持穩(wěn)定和不斷地輸出,同時(shí)教育學(xué)生不僅要在校園學(xué)習(xí)生涯學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí),更要培養(yǎng)堅(jiān)強(qiáng)的意志力和敢于受挫的能力;在講控制系統(tǒng)綜合校正章節(jié)時(shí),教會(huì)學(xué)生在人生偏離預(yù)期時(shí),注重“三省吾身”避免誤入歧途,在過(guò)程中及時(shí)“校正”。只要教師注重從學(xué)生人文關(guān)懷的角度出發(fā),勤于總結(jié)思考類(lèi)比,每章節(jié)均可挖掘思政元素,達(dá)到理想教學(xué)效果[8]。
圍繞解決自動(dòng)控制原理傳統(tǒng)課程中側(cè)重點(diǎn)不明確、重難點(diǎn)內(nèi)容不易掌握、學(xué)生主動(dòng)思考不強(qiáng)、課堂線上線下融合不夠等問(wèn)題,圍繞新工科背景下地方性應(yīng)用型高水平大學(xué)辦學(xué)目標(biāo),初步探索了針對(duì)該課程如圖1 所示的“三維融合”的改革教學(xué)模式。
圖1 教學(xué)改革模式總體設(shè)計(jì)
在每次授課前兩天, 在MOOC 教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上發(fā)布課程預(yù)習(xí)教案,具體內(nèi)容包括本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)、重難點(diǎn)和問(wèn)題清單;在新知識(shí)學(xué)習(xí)前需要復(fù)習(xí)哪些知識(shí)點(diǎn); 列出問(wèn)題清單, 通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí),實(shí)現(xiàn)課前自學(xué)。下表1 是以《自動(dòng)控制原理》第四章根軌跡繪制為例進(jìn)行說(shuō)明。
表1 根軌跡繪制章節(jié)預(yù)習(xí)教案
(1)加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源共享。把傳統(tǒng)第一課堂教學(xué)方式優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)有效結(jié)合,教師的教學(xué)行為由課堂上擴(kuò)展到了課堂外,學(xué)生除了課堂學(xué)習(xí)外,當(dāng)出現(xiàn)課程跟不上掉節(jié)奏時(shí),采取“先記后補(bǔ)”學(xué)習(xí)方式,課上先記錄,課下自習(xí)時(shí)間通過(guò)校園MOOC 平臺(tái)、線上互動(dòng)平臺(tái)及時(shí)消化課程計(jì)劃內(nèi)容,加以鞏固。結(jié)合課程教材實(shí)際,在本學(xué)期所帶專(zhuān)業(yè)課程中為學(xué)生推送了與教材匹配清華大學(xué)董景新教授主講的《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)視頻資源共享,保障學(xué)生跟上節(jié)奏與學(xué)習(xí)進(jìn)度。
圖2 校園MOOC 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)課前預(yù)習(xí)教案
(2)探索網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源輔助授課方式。通過(guò)選擇合適網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行重難點(diǎn)理論講解或啟發(fā)性授課,例如在第四章根軌跡章節(jié),是具體分析和設(shè)計(jì)線性定常控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的圖解方法,使用簡(jiǎn)便并在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛,屬于重難點(diǎn)內(nèi)容,現(xiàn)有教材中列舉了實(shí)例講解如何利用基本法則與公式畫(huà)出根軌跡圖,但漸近線與實(shí)軸交點(diǎn)交角、分離點(diǎn)坐標(biāo)、實(shí)軸虛軸上軌跡交點(diǎn)等各法則對(duì)應(yīng)求解公式的證明方法未有說(shuō)明,課堂中若花費(fèi)大量時(shí)間深入講解較為困難,這種情況下選擇利用華中科技大- 自動(dòng)控制原理(合集)MOOC 資源的詳細(xì)證明方法和優(yōu)質(zhì)實(shí)例演示動(dòng)畫(huà)PPT,采取網(wǎng)課資源輔助教學(xué)并將資源共享學(xué)生的方式,邊看教學(xué)資源邊做重點(diǎn)講解,幫助同學(xué)們課堂理解和課后復(fù)習(xí)。在第一章緒論部分,圍繞控制系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用發(fā)展,播放機(jī)器人發(fā)展史紀(jì)錄短片和自動(dòng)生產(chǎn)線碼垛機(jī)械手臂操作短視頻,目的是通過(guò)尋找非直接教學(xué)型網(wǎng)絡(luò)資源輔助授課,啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步理解控制系統(tǒng)對(duì)工程應(yīng)用的重要性,激發(fā)同學(xué)們產(chǎn)生學(xué)好該課程的愿望,同時(shí)該方式對(duì)活躍課堂氛圍有較好的影響。新型教學(xué)模式既可以發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,又可以發(fā)揮學(xué)生的主體性作用。尤其是“重、難點(diǎn)”系列微視頻,拓展了多樣化教學(xué)模式和第一課堂育人主渠道,讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中有途徑做到“溫故而知新”。
(3)理論結(jié)合工程實(shí)踐創(chuàng)新案例講解。結(jié)合“新工科”教學(xué)模式改革和《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)大綱,把課程教學(xué)重點(diǎn)放在了控制系統(tǒng)模型建立、思路講解和案例分析上,基本按照“一點(diǎn)一例”的方式,注重加強(qiáng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的應(yīng)用理解,例如在講授第二章建立受控機(jī)械對(duì)象數(shù)學(xué)模型章節(jié)時(shí),以個(gè)人研究課題顆粒物小袋包裝糾偏控制系統(tǒng)和空中料柱預(yù)測(cè)補(bǔ)償稱(chēng)重控制系統(tǒng)為例,舉例說(shuō)明了控制系統(tǒng)的六大基本環(huán)節(jié)和相應(yīng)輸入輸出控制變量,前者是位置參數(shù)信號(hào),后者是稱(chēng)重精度,并由此引出介紹了控制系統(tǒng)性能分析三要素,即穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性,采取結(jié)合案例分析講解方式,幫助于學(xué)生產(chǎn)生“浸入式”思考,強(qiáng)化他們對(duì)理論知識(shí)在工程實(shí)踐應(yīng)用上的理解。
(4)提升適應(yīng)新形勢(shì)線上線下混合式教學(xué)能力。在疫情期間對(duì)18 自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)同學(xué)采取了線上授課方式,建立騰訊會(huì)議學(xué)習(xí)群共享上課界面,演示了matlab 實(shí)例操作過(guò)程,并且采取網(wǎng)頁(yè)錄制功能,幫助同學(xué)們可以回放上課視頻復(fù)習(xí)實(shí)踐,由此提高學(xué)生將理論知識(shí)和工程實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合。
(1)構(gòu)建師生良好互動(dòng)氛圍,必須依靠平時(shí)有效的課堂外教學(xué)管理,設(shè)置“教師在線答疑專(zhuān)區(qū)”,一是針對(duì)學(xué)生提出的個(gè)別性問(wèn)題,建立qq 班級(jí)課程交流群,在線上答疑時(shí)間展開(kāi)有針對(duì)性交流討論,在定期討論過(guò)程中就和學(xué)生形成了良性互動(dòng),有助于掌握學(xué)生對(duì)每章節(jié)內(nèi)容的理解程度,從而適當(dāng)調(diào)整課程講解進(jìn)度。二是針對(duì)學(xué)生存在的共性問(wèn)題通過(guò)上傳解題詳細(xì)步驟附件或微視頻至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái),如根軌跡分離點(diǎn)高階方程求解步驟、奈氏圖判斷穩(wěn)定性方法等,供學(xué)生下載后隨時(shí)觀看或暫?;胤沤饣?也有利于自主學(xué)習(xí)。三是鼓勵(lì)學(xué)霸分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和方法,形成學(xué)生間互幫互學(xué)濃厚氛圍。
(2) 加強(qiáng)課后練習(xí), 除了布置傳統(tǒng)的練習(xí)作業(yè)外,也可在校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)布置線上作業(yè),圍繞培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐應(yīng)用能力提升,注重布置結(jié)合工程實(shí)踐案例的作業(yè),設(shè)計(jì)了關(guān)于控制系統(tǒng)matlab 仿真階段性作業(yè),包括建立爐溫控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型、轉(zhuǎn)化零極點(diǎn)增益模型、串并聯(lián)閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,構(gòu)建水位控制系統(tǒng)PID 控制器,并繪制其線性定常連續(xù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、斜坡響應(yīng)、加速度響應(yīng)曲線等。要求學(xué)生盡可能用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題,強(qiáng)化獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新意識(shí)。
在本學(xué)期面向2019 機(jī)制專(zhuān)業(yè)學(xué)生授課過(guò)程中,采用了以上分析的學(xué)習(xí)資源共享、網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)、工程實(shí)踐案例講解、線上線下混合等多維結(jié)合的教學(xué)模式改革后,著重依靠學(xué)生的自主學(xué)習(xí),強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生理論結(jié)合工程實(shí)踐應(yīng)用基本素養(yǎng),培養(yǎng)學(xué)生分析工程實(shí)際問(wèn)題并嘗試綜合運(yùn)用所學(xué)解決問(wèn)題的能力。在這種情況下,不能采用傳統(tǒng)考核方式,而要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生中間學(xué)習(xí)過(guò)程給予關(guān)注和評(píng)價(jià),圍繞平時(shí)課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、考核,注重評(píng)價(jià)多元化和考核過(guò)程化,考核內(nèi)容和分值如表2 所示。
表2 課程考核綜合成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)說(shuō)明表
結(jié)合2020 機(jī)制(專(zhuān)升本)和2019 機(jī)制兩個(gè)專(zhuān)業(yè)自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革實(shí)踐效果,采取對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)及期末考試成績(jī)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖3 所示,反映出學(xué)生期末考試成績(jī)與課中表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成績(jī)之間具有非常好的正相關(guān)性,期末成績(jī)較好同學(xué)均在課中參與師生互動(dòng)率較高,并且19 機(jī)制專(zhuān)業(yè)學(xué)生期末綜合平均成績(jī)?yōu)?4.3 分,在同標(biāo)準(zhǔn)情況下比2020 級(jí)機(jī)制(專(zhuān)升本)該專(zhuān)業(yè)課程期末平均綜合成績(jī)高15.5 分,及格率、優(yōu)秀率均有較高提升,這也表明了高質(zhì)量的師生互動(dòng)更加有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化吸收。綜合來(lái)看,采取三維融合教學(xué)模式得到了授課專(zhuān)業(yè)學(xué)生的積極支持,不僅體現(xiàn)在學(xué)生到課率上升,而且明顯感受到學(xué)生聽(tīng)課更加認(rèn)真,課中互動(dòng)效果明顯,課堂氣氛活躍,取得了預(yù)期的教學(xué)效果。
圖3 課中表現(xiàn)成績(jī)與期末考試成績(jī)的相關(guān)分析
教育理論中強(qiáng)調(diào)知識(shí)的掌握共分為知識(shí)獲取、知識(shí)理解、知識(shí)拓展、知識(shí)糾錯(cuò)和知識(shí)應(yīng)用5 個(gè)階段,這與自動(dòng)控制原理課程教學(xué)的最終目標(biāo)不謀而合,就是在有限的時(shí)間內(nèi)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)學(xué)生的將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化到工程實(shí)踐的能力。因此本課題的研究重點(diǎn)是如何讓學(xué)生既扎實(shí)學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí),又充分提高學(xué)習(xí)效率,達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。
針對(duì)這一核心問(wèn)題,本文結(jié)合新工科背景和所在學(xué)校的辦學(xué)定位,從智慧教學(xué)的內(nèi)涵意義考察,初步探究了關(guān)于自動(dòng)控制原理課程三維融合教學(xué)改革模式,采取啟發(fā)性和鼓勵(lì)式的教學(xué)方法,借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)資源提升學(xué)生課前課后自主學(xué)習(xí)能力,將課中寶貴時(shí)間充分應(yīng)用于師生高質(zhì)量互動(dòng)學(xué)習(xí),有效掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度,對(duì)應(yīng)調(diào)整課程進(jìn)度安排;利用校園MOOC 平臺(tái)等多種教學(xué)資源和教學(xué)手段,精心備好授課教案,設(shè)計(jì)新穎實(shí)用的工程實(shí)踐案例并按“一講一練”方式投入教學(xué),培養(yǎng)學(xué)生靈活思考和創(chuàng)新思維方式,讓學(xué)生們真正清楚“新工科”的內(nèi)涵意義,從質(zhì)上提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐解決問(wèn)題和自主學(xué)習(xí)的能力。此外,我們將教學(xué)中間過(guò)程評(píng)價(jià)貫穿了課程考核全過(guò)程,客觀評(píng)價(jià)了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)掌握的學(xué)習(xí)效果,進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提升和創(chuàng)新實(shí)踐思維養(yǎng)成,提高自動(dòng)控制原理課程本科教學(xué)質(zhì)量,促進(jìn)學(xué)校適應(yīng)型工程人才培養(yǎng)水平持續(xù)提升。該模式下的教學(xué)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程借鑒推廣。