基于SPOC的自动控制理论课程教学模式改革研究

作者:未知

  摘要:自动控制理论课程是电气工程及其自动化专业的核心课程。针对该课程教学内容多与教学学时少的问题,以及学生较难利用本课程原理解决实际控制系统复杂工程问题的现状,提出利用小规模限制性在线课程(SPOC)来进行控制理论课程教学模式改革。首先建立了基于SPOC的线上线下混合式自动控制理论教学模式的整体框架,通过增加课外线上学习时间解决了教学学时少的问题。接着说明课程改革的具体实施方案,在实施翻转课堂中增强了学生解决实际控制复杂工程问题的能力。
  关键词:SPOC;混合式教学;翻转课堂;自动控制理论课程
  中图分类号:G642.0     文献标志码:A     文章编号:1674-9324(2020)11-0155-02
   一、自动控制理论课程教学模式现状
  自动控制理论课程是三峡大学电气与新能源学院电气工程及其自动化专业的学科基础课,是一门理论与实践并重,工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。通过对本课程的学习,要求学生掌握自动控制的基本理论和基本分析方法,能应用控制理论对自动控制系统进行性能分析,能对系统进行校正和提出改善系统性能的途径和方法。学习本课程要求学生较好地掌握高等数学、线性代数、复变函数、积分变换和电路等课程;同时该课程的学习效果又直接对电气工程及其自动化专业的电力系统分析、电力系统自动化、配电网分析等课程产生直接影响。
  本课程的教学目标包括:(1)能结合工程问题,理解自动控制的基本概念和实际自动控制系统的工作原理;(2)能运用相关理论知识建立自动控制系统特别是电气工程领域对象的微分方程模型、传递函数模型以及状态空间模型并正确求解;(3)能对自动控制系统进行时域分析、根轨迹分析、频域分析及状态空间分析,并从多方面对自动控制系统进行评价;(4)能按要求性能指标,应用频域法、根轨迹法和状态空间法设计控制系统;(5)能针对一个实际的控制工程问题,使用MATLAB软件进行模型建立、性能分析和控制器设计。
  本课程长期以来采用传统的教学模式,即以教师课堂讲授为主,辅助学生课外复习做作业。从近几年该课程的考试通过率、课程达成度指标等数据,以及学生毕业设计、学科竞赛等实践环节来看,此种传统教学模式存在两个主要问题。一是教学内容多与教学学时少之间存在矛盾。专业人才培养方案中要求掌握较多的自动控制理论来解决复杂的工程问题,使得自动控制理论课程知识点多,在有限的课堂学时下教学进度较快,学生难以跟上。二是该课程理论性较强,学生不会有效利用该课程的基本原理解决控制系统复杂工程实际问题。
  本文针对自动控制理论传统教学模式存在的问题,利用基于SPOC的线上线下混合式教学模式改革自动控制理论教学,全文内容安排如下:第二部分介绍SPOC,第三部分建立基于SPOC的线上线下混合式自动控制理论教学模式整体框架,第四部分说明课程改革具体实施方案。
  二、SPOC
  MOOC(Massive Open Online Course,大规模开放性在线课程,常译为慕课)是目前国内外大力发展的在线教育形式,为不同层次、不同类型的受教育者提供个性化、多样化、高质量的教育服务,促进学习者主动学习、释放潜能、全面发展。MOOC是信息技术、智能技术与教育教学的深度融合,必将引起教育理念、教学内容、教育教学模式与方法的深刻变革。自2012年MOOC元年之后,MOOC平台建设日益升温。Coursera、Udacity、edX三大课程提供商的兴起,给更多学生提供了系统学习的可能。我国也大力发展MOOC平台,以中国大学MOOC为代表的平台运营日益成熟,大量在校生和毕业生利用MOOC平台提供的课程开展在线学习。
  但是在利用MOOC进行教学过程中,仍存在一些问题。没有先修条件、没有规模限制和缺乏师生互动是MOOC的主要局限。由于不设先修条件,学生的知识基础参差不齐,不仅损害了学生学习的自信心,也影响了教师教学的积极性[1]。没有规模限制和缺乏师生互动使得MOOC教学很难适应不同学习基础、不同学习习惯的学生。
  SPOC是将MOOC教学资源如微视频、学习资料、训练与测验、机器自动评分、站内论坛等应用到小规模的实体校园的一种课程教育模式,实质是将优质MOOC课程资源与课堂教学有机结合,借以翻转教学流程,变革教学结构,提升教学质量,既能充分发挥MOOC的优势,又能有效地弥补MOOC的短板与传统教学的不足[2]。SPOC在MOOC的基础上增加了实体课堂教师面授教学的环节,整个教学过程中为学生提供了更多与教师沟通的渠道和机会,可以有针对性地为学生提供契合其学习特点并量身定制的课程。
  三、自动控制理论课程教学模式改革的整体框架
  自动控制理论课程作为三峡大学电气工程及其自动化专业的学位课,目前在大三上学期安排56个学时完成教学任务,共3.5个学分。
  开展课程教学,需要在各MOOC平台上遴选需要的课程资源,包括讲课视频、讲义、习题等;继而在此基础上开展基于SPOC的混合式教学过程。混合式教学过程采用线上线下相结合的形式,即首先利用在线课堂实现课前学习,然后在实体课堂上开展研讨,并在课后利用在线课堂练习巩固知识点,实现翻转课堂。课程的评价将结合在线课堂和实体课堂的表现综合进行。
  四、自动控制理论课程教学模式改革实施方案
  为开展本文提出的基于SPOC的课程教学模式改革,针对三峡大学电气与新能源学院电气工程及其自动化专业的电气英才班学生开展试点,具体实施方案如下。
  1.自动控制理论课程的MOOC教学资源准备。在开课之前,分析学生的前导课程学习情况、本课程的教学大纲以及学生的学习习惯,进而确定MOOC教学资源。本课程的在线学习资源拟结合三峡大学电气工程及其自动化专业的人才培养方案,采用引进模式。通过国内中国大学MOOC、清华学堂在线、好大学这三大MOOC平台,检索对应的课程资源,确定采用中国大学MOOC平台上的自动控制原理这门国家精品MOOC课程作为学习资源。
  2.基于SPOC的自动控制理论课程混合式教学过程。本课程在中国大学MOOC平台上采用异步方式拷贝课程资源到三峡大学开设自动控制理论课程的SPOC空间中去,所有学生和课程组老师均加入这个SPOC课程。混合式教学过程以解决问题为主线,包括课前学习、课堂研讨和课后练习三个环节。
  课前学习的主要任务是引发问题。课前学习环节在线上课堂实施。首先在开课之初先向学生介绍课程内容和教学方式,然后要求学生在中国大学MOOC平台注册。课堂研讨在传统的实体课堂中展开,在三峡大学智慧教室中进行,采取分组讨论方式,教学过程主要分三个阶段。首先教师根据SPOC平台记录的学生在线学习情况,对学生的疑问进行分析,对重难点加以解释。然后教师根据不同学生表现出来的信息,提供一些难度较高但不相同的习题,供学生进行知识点迁移训练,实现真正意义上的因材施教。
  课后练习环节的主要任务是问题深化。课后练习环节在线上课堂实施,是对前期活动的巩固、升华,并为下一阶段的教学做准备。
  五、总结与展望
  基于SPOC的自动控制理论课程教学模式,可解决该课程教学内容多与教学学时少的矛盾,提高学生利用本課程原理解决实际控制系统复杂工程问题的能力。由于实体课堂教学不再详细讲解知识点,因此倒逼学生自主在线上学习,并针对具体问题综合利用所学知识点解决工程复杂问题。本课程的教学模式改革可以推广到其他课程并对其他工科课程建设起到示范作用。
  未来还需要对课程评价开展进一步研究,从课程的评价主体、评价内容、评价方式和评价功能方面进行全方位的教学改革,建立多元教学评价体系,避免由单一考试考核导致的学生突击学习现象,实现以评促教,以评促学。
  参考文献:
  [1]康叶钦.在线教育的“后MOOC时代”——SPOC解析[J].清华大学教育研究,2014,35(1):85-93.
  [2]曾明星,李桂平,周清平,等.从MOOC到SPOC:一种深度学习模式建构[J].电化教育,2015,(11):28-34.
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