基于雨课堂的系统建模与仿真课程混合教学模式改革
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作者:刘雁 宁飞
[摘要]论文在分析了系统建模与仿真课程的内容及特点的基础上，结合雨课堂的应用领域，提出了课程教学模式的应用方案，分别从学生的参与度、学生的科研能力，以及课程的教学内容、教学方式与考核方式等方面分析了雨课堂应用于系统建模与仿真课程的优化效果。
[关键词]系统建模与仿真;雨课堂;混合教学模式;课程优化
[中图分类号]G642.421 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2020）05-0053-03
一、系统建模与仿真课程改革的背景
随着现代教育技术及教育手段的不断更新和优化，互联网技术在高等教育改革中发挥了巨大的作用。从2012年开始，面向普通人群的大规模开放在线MOOC（massive open online eotlrses）课程呈井喷式涌现，引起了高等教育工作者的高度重视。但是，随着这种网络化学习方式的盛行，学生的学习效果并没有得到实质性提高，在教学过程中师生互动存在一定困难，学生较难完成知识的深度学习和理解。尤其是对于高校在校学生而言，课堂内的传统教学更有利于学生学习能力的提高。因此，2013年，福克斯首次提出了SPOC（small pri-vate online COUlee）课程，完美地解决了网络学习的互动困難，但扩大了传统课堂知识容量受限的缺陷。随着SPOC课堂教学方式的发展，高等院校的教学方式也处于不断的改革探索之中。目前，除了基于MOOC平台的SPOC翻转课堂以外，还不断地发展出了新的基于网络的教学平台，如雨课堂、Google Classroom和课堂派等，为现代高等教育注入了新的理念和活力。
为了适应现代高等教育改革以及国内外工程领域发展的需要，我们综合考虑所教授的研究生课程系统建模与仿真的内容以及学生的理论基础，引入了清华大学和学堂在线推出的混合式教学平台雨课堂，利用其网络在线传输功能，完成课前文字资料、视频的传输，课中的实时互动，课后的数据总结等工作。将其作为该课程混合教学模式改革的一项内容，目的是增强课程的教学效果，提高学生的科学思维和自主学习能力，帮助学生加深系统模型概念的认知，使学生能够选择合理的方式对系统模型进行仿真分析并应用于工程实践中。
二、系统建模与仿真课程的内容及特点
系统建模与仿真作为一门研究生公共基础课，与研究生未来的科研工作紧密相连。课程设置的目的是帮助研究生从宏观上学习系统的概念、系统模型的特征、系统模型的构建方式以及进行系统模型仿真分析的方法，进而能够自主设计系统模型，并判断所设计系统模型的有效性。课程可以帮助学生建立科学的系统建模思维并提供有效而实用的系统建模方法，此类方法现已成功地通过计算机仿真加以实现并用于工程实践中。希望学生通过课程的学习能够将工程实践中的系统和理论模型有机地结合起来，并将理论仿真结果合理地应用于工程实践中。
这门系统建模与仿真课程主要为非电类专业（以机械和机电类专业为主）研究生开设。为了满足学生的科学研究和工程实践需要，内容由浅入深，采用与学科相关的系统模型实例进行分析，帮助学生在学习过程中不断提高专业兴趣，增加科学研究的乐趣，并为日后的研究工作奠定坚实的科学理论基础和技术基础。
这门课程主要由以下三部分内容组成：（1）宏观系统地介绍关于系统、模型以及仿真的相关理论知识;根据系统模型的分类介绍相关的数学变换方法及数学基础理论;引入一两种完成系统仿真所需要的工程软件，如Muhisim、Matlab等。（2）循序渐进、由浅入深地提供相关学科的系统模型，如从开环系统人手，引入闭环系统，并研究不同的闭环控制策略对系统性能的影响，让学生逐步学会如何实现系统建模、仿真分析及系统设计。（3）根据学生所学学科特点，引入与学科相关的工程系统建模实例，进行课堂讨论分析，拓宽学生的研究思路，帮助学生在科学研究中实现有所突破。
三、雨课堂在系统建模与仿真课程改革中的应用
在引入雨课堂之前，系统建模与仿真课程采用的沟通工具主要是电子邮件、QQ以及微信等。其中，电子邮件实时性较差，而QQ以及微信虽然实时性较强，但在课堂互动方面存在一定缺陷，如果信息交流量过多的话，有用的信息可能会被淹没，教师的主导作用不明显。因此，采用此类交流平台主要还是使用其传递文件和发布通知的功能，实时的师生交流和教学文件的在线浏览存在一定困难。在这种情况下，课程的学习效果会受到一定的影响。而采用雨课堂教学平台，教师的主导作用明显，课前、课中和课后师生都可以顺畅交流，使用也十分便捷。因此，本课程引入了雨课堂教学平台，以达到实时传输文件及讨论交流的目的。
（一）雨课堂的应用特点
雨课堂作为微信中的一个插件，在使用上十分简单、有效、方便。学生和教师通过扫码，在微信系统中即可实现实时沟通。雨课堂作为智慧教学平台，可以提升课堂的教学体验，使师生之间的互动增加、教学氛围更为轻松。和传统课堂以及网络MOOC课程的单向传输授课方式相比，雨课堂适度增加了一些师生互动的元素，例如弹幕、投票、单选题、多选题以及上传手机课件、试卷与视频等功能，可以使学生更主动地思考和参与讨论。在课堂教学过程中，学生通过手机端随时可以将听课意见以及想法反馈给教师，而教师通过监控学生的上课反馈情况，即时查看并统计结果，可以更加有效地调整知识传授的方式和内容。
（二）雨课堂在系统建模与仿真课程中的应用
系统建模与仿真课程的授课对象是研究生，因此课程内容的设置较为灵活。可以根据学生的学科以及理论基础调整需要研究和分析的系统模型。很多相关的研究内容需要在课上和课下及时地与学生交流，而这种交流需要全体选修学生的全程参与。鼓励学生参与的目的主要有：增加学生科学研究的兴趣，激发其研究热情和向往;拓宽其研究思路，帮助其解决科学研究中遇到的瓶颈问题。
在教学过程中，我们设置了以雨课堂为教学平台，师生之间完成从课前、课中到课后的多方位沟通的课程教学模式，如图1所示。 可以看出，在教学实践过程中，学生不再是被动地接受理论知识，同时也在反馈给教师。而教师首先是在课前传输给学生相关的必要的理论预备知识，在课中和课后帮助学生完成系统建模和仿真教学的过程中将收集到的反馈信息经过进一步的加工整理后再传输给学生。这一互动过程，不仅仅发生在课堂之上，在课程结束之后还在延续。从这种方式互动中受益的不仅仅是学生，教师也受益匪浅。学生借助平台的牵引力，或被动或主动地吸收、消化以及将所学到的理论知识应用于系统仿真项目之中，并将系统模型构建的方式、思路以及分析结果反馈给教师。而教师可以结合平台和现场教学的实时互动结果，及时地掌握学生的学习情况，进而对教学内容和方式进行小幅度的调整和改进，以提升课堂教学和学生学习的效果。
四、雨课堂在系统建模与仿真课程教学模式改革中的应用效果及课程优化
我们从2017年开始将雨课堂平台应用到系统建模与仿真课程中。经过两个学年的教学实践，教学效果明显，主要从以下几个方面体现出来。
（一）学生的参与度
采用雨课堂之后，学生对课程的参与度大幅提高。雨课堂与我们日常采用的实时交流平台的区别在于，它不是单纯地完成交流功能，而是充分考虑到教学的需求，尤其是上传实时项目讨论内容、课件和视频十分便捷，而且雨课堂具有让主讲教师将学生提拔为协同教师的功能。当某个学生作为某个项目的主持或者对某个项目起到主导作用时，即可以从学生的角色转换为协同教师的角色。此时，教师可以把课堂的主导权转交给协同教师，以方便协同教师随时推送自己的课件以及语音讲解等相关内容与同学们分享，并进行课题的互动讨论。这种方式可以极大地提高学生的参与度。
（二）学生的科研能力
采用雨课堂之后，学生更加主动地参与到项目的思考和研究中，科研思维和能力进步较快。比如我们在介绍连续系统的建模和仿真方法时，首先是推导出系统的数学模型，然后采用Matlab编程或者Simulink构建系统的仿真模型，最后完成系统的仿真分析。由于存在多种方式构建系统的数学模型，如微分方程、传递函数、零极点增益和状态空间模型，系统的仿真模型也存在差异。在研究生的课程教学中，所提出的项目都是开放式的研究项目，教师通常不会限定系统数学模型的类型以及构建方式，学生可以在一定范围内自由发挥。因此，学生往往会推导出多种形式的模型，如果构建的模型经过仿真论证发现其与教师预设的一致，即可认为正确。但是，也有可能存在教师没有考虑到的系统模型的仿真结果，这就可能出现不同的结论，这时互动就十分重要。
没有使用雨课堂平台之前，学生在有不同想法或者思路的时候，通常会和老师进行单方面的沟通。当然，教师可以与学生分别从数学模型的构建和系统仿真的实现方面进行讨论。但是，由于受上课时间和交流条件的限制，一些优秀的设计思路可能会错过在学生中间的及时共享，其他对项目感兴趣的学生也无法深入参与。当“黄金”讨论时段（即课内时段）错过以后，由于相关的文件以及讨论观点没有以合适的方式传输、存储，学生和教师对于项目分析的敏感度也会有所降低，而且其中细微的缺陷也较难被发现，这样对提高学生学习能力的帮助就不十分明显。而引入雨课堂之后，学生无论是在模型构建阶段还是在系统仿真阶段，一旦有新的思路，即可以借助雨课堂平台实时传输文字、图形和语音，而对项目感兴趣的学生也可以实现同步交流。这种同步互動是不受时间、地点限制的。
现代研究生对于新的、有一定深度的知识具有明显的好奇心和挑战欲望，尤其是与其未来事业发展相关的学科知识，他们参与的热情很高。因此，通常有较多的学生参与到项目的讨论之中，而在这一过程中，学生的科研思维和能力都会有较快的进步。
（三）教学内容及方式
系统建模与仿真课程是针对研究生开设的，因而其教学起点较高。学生在学习过程中经常会提出创新类的思路和方法，如果采用传统的教学方式，教师下课之后往往会忽略甚至忘记相关内容，从而错过了优化课程教学的机会。但是，雨课堂等在线平台的产生，可以实时记录课堂中学生和教师经过思考而产生的新的数学模型、仿真模型和方法，以方便教师在课后进行系统的整理总结，为后续课程的备课提供素材来优化教学内容和教学课件，提高课程的教学效果。
（四）考核机制
课程的考核机制不仅仅是教师需要考虑的事情，学生往往也很关注课程的考核方式，而教师考虑更多的是考核的合理性和公平性。引入雨课堂之前，系统建模与仿真课程的考核方式较为单一，教师主要根据课后的实验报告和课堂上学生对系统模型的构建和仿真结果以及结果分析给出考核成绩。引入雨课堂之后，教师在考核中可以充分考虑学生在课前、课中和课后的活跃度和表现定量地给出考核结果，这样的考核会更加客观、合理。
五、总结
经过两年的教学模式改革实践，雨课堂平台在系统建模与仿真课程的教学过程中发挥了很大的作用。在课前，我们预先推送课程学习所需要的预备知识，如Matlab和Simulink的使用方法等，节约了大量的课堂教学时间;在课中，集中精力与学生讨论研究系统建模的方法、仿真实现和结论分析;在课后，可以从平台导出课前和课中的相关数据进行后续项目的深入研究，还可以用于最终的考核。而学生在课前可以利用教师推送的视频、语音或者文字资料学习相关预备知识;在课堂上可以进行项目研究、设计系统仿真模型并进行仿真分析，还可以与老师和同学利用雨课堂进行在线交流或者线下讨论;课后可以进一步完善系统建模及分析工作，也可以进一步完成后期的深入研究讨论。
采用雨课堂平台进行课程教学的每一个环节，学生不再被动地完成理论和实践知识的学习，而始终作为主要参与者主动地融入整个教学环节之中。在这一过程中，学生可以获得全新的学习体验，并最大限度地培养自主学习、创新思维和采用科学方法解决问题的能力。
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