徐紅梅 張帆 李超 原帥

摘 ? 要：針對控制工程基礎課程的內容和特點，采用BOPPPS教學模型，將教學過程設計為導言、目標、前測、參與式學習、后測和總結六個環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)學生的中心地位。構建知識學習、技能培養(yǎng)和素養(yǎng)培養(yǎng)的綜合培養(yǎng)目標，并形成完善的評價體系。本文以控制系統(tǒng)的微分方程為例，闡述BOPPPS教學模型在控制工程基礎教學工程中的實際應用情況。實踐證明相比傳統(tǒng)教學模式BOPPPS教學模型顯著改善了教學效果，為高校工程類專業(yè)基礎課教學改革提供了有益借鑒。

關鍵詞：BOPPPS ?控制工程 ?微分方程 ?教學模型

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0175-04

Abstract： Aimed at the characteristics and the existing problems of Control Engineering， the BOPPPS model is applied to develop a specific teaching pattern. It lets the learners dominate the learning process through six steps with bridge-in， outcomes， pre-test， participatory learning， post- test and summary. Comprehensive training objectives of knowledge learning， skill training and accomplishment training are reconstructed， and a perfect evaluation system is set up. Taking the mathematical model of the control system as example， this paper proposes a practical and effective teaching model based on the BOPPPS model. The application of the BOPPPS model in the course has significantly improve teaching effectiveness through enhancing the learner's participation，which provide a good reference for teaching reformation of other engineering disciplines.

Key Words： BOPPPS; Control Engineering; Differential equation; Teaching model

“控制工程基礎”是機械工程學院機械設計及其自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課[1]，該課程主要介紹控制系統(tǒng)的基本概念和時域以及頻域的分析方法，內容較抽象、理論性和實踐性都很強，數(shù)學推導較多，具有一定的深度和難度，但同時該課程也是培養(yǎng)工程技術人員的學科基礎課。

我院“控制工程基礎”課程課時為32學時（包含8學時實驗），由于學時少和內容多，很難將所有的內容講授完畢，學生難以理解抽象的控制理論，再加上薄弱的數(shù)學背景知識，無法掌握重難點，所以導致學習積極性下降。在傳統(tǒng)教學模式中，教師是教學的主體。教師灌輸式講授占據(jù)了課堂大部分時間。教學內容以及如何開展教學基本由教師根據(jù)教學大綱和自身經驗決定。教師主要關注是否按照既定教學計劃完成課程講授，卻極少關心學生學習成效如何、學生能力和素質是否得到提高[2]。

根據(jù)圖1學習金字塔的數(shù)據(jù)來看，采用傳統(tǒng)的講授教學模式，效果不理想。學生對相關知識掌握程度并不深，課程的理論與實踐相結合的程度遠遠不夠。

本文針對“控制工程基礎”課程的內容和特點，基于BOPPPS教學模型，強調學生在課堂中的主動角色，突出了其參與式學習，并借助互聯(lián)網載體，創(chuàng)建課程教學平臺，使學生隨時隨地的參與虛擬課堂的教學活動中，以此來提高學生的學習興趣和彌補課時不足的現(xiàn)狀。同時利用MATLAB提供的仿真實驗平臺彌補我院實驗手段的不足，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，為學生自己設計創(chuàng)新實驗打下基礎，達到教學與人才培養(yǎng)目標的最優(yōu)化。

1 ?BOPPPS 教學模型

1.1 BOPPPS發(fā)展現(xiàn)狀

BOPPPS 教學模型最初由ISW（加拿大教師技能培訓工作坊）根據(jù)加拿大不列顛哥倫比亞省對教師的資格認證所創(chuàng)建[3]，最初主要用于教師的技能培訓使用，在培訓過程中主要采用以教學實踐為主的方式通過集中強化訓練以提高教師教學技能和教學的有效性。BOPPPS教學模型是一個基于Kolb體驗式學習模型的教學框架，以建構主義和交際法為理論依據(jù)，以有效教學設計著稱，是一個強調學生參與和反饋的閉環(huán)教學過程模型，BOPPPS有效教學模式結構如圖2所示。

根據(jù)2019年5月中國知網（CNKI）數(shù)據(jù)庫最新檢索，2011—2013年，國內有關 BOPPPS 的研究文獻僅有6篇。但是2017和2018年相關文獻分別增加了104篇和216篇，總文獻數(shù)量已達到574篇。

1.2 BOPPPS的涵義

BOPPPS 理念遵從教育學和心理學有關人類注意力持續(xù)時間的規(guī)律，鑒于人集中注意力的時間最多不超過15min，將課堂教學分隔為導言（ Bridge-in） 、目標（ Objective/Outcome） 、先測（ Pre-assessment ） 、參 與 式 學 習 （ Participatory Learning） 、后測（ Post-assessment） 及總結（ Summary） 等6個起承轉合的部分[4]。

通過導言引起學生的好奇心使其產生學習動力導入新內容的學習;目標階段根據(jù)布魯姆學習目標分類[5]的認知、情感和技能三個方面明確的指出通過學習應該達到的要求和水平;預評價階段主要用來評測學生現(xiàn)在所知道的和所理解的，用于指導教學后續(xù)安排，以及提醒學生自己已經學會的知識;課堂參與階段主要是采用積極的學習策略使學生深度參與到課堂中來實現(xiàn)教學目標的過程;后測階段主要是確定學生在經過本次課堂學習后與教學目標相關聯(lián)的知識掌握程度;總結階段主要是給教師和學生提供一個共同反思的機會，學生反思自己學到了什么，教師反思本次授課存在的問題或為下次課程內容打下埋伏。

2 ?教改目標

（1）基于BOPPPS教學模式，深入課程改革，逐步培養(yǎng)學生主動獲取知識、提出問題、分析問題、應用知識、解決問題等方面的能力，使學生們能夠真正的做到工學結合，全方位發(fā)展。

（2）改革教學內容，形成相對全面的理論教學體系，構建符合新工科需求的實踐教學體系。

（3）將控制工程基礎課程教育與對專業(yè)的整體認識有機統(tǒng)一起來，并結合工程項目訓練對學生的自我更新知識的能力和團隊交流能力，以及對掌握、運行和調控能力進行整體培養(yǎng)。

（4）充分掌握控制工程理論中的重點、難點知識，對后續(xù)的專業(yè)課有感性的認識，為以后課程的學習提供良好的基礎。

（5）通過控制工程基礎中引入MATLAB仿真實驗，提高并擴展學生對工程實踐的興趣，讓學生從被動接受轉為主動研究的學習方式，使學生自組織、自分工、自實施等團隊間組織、交流合作的能力得以提升。

3 ?教改思路

基于BOPPPS教學模式和我院現(xiàn)實的教學情況，提出如圖3所示的教改思路，并根據(jù)“控制工程基礎”中的重點、難點，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型并畫出相應的框圖，掌握實際物理系統(tǒng)的控制原理;掌握時域分析中系統(tǒng)的響應分析指標穩(wěn)、快、準;掌握頻域分析中的數(shù)學模型及系統(tǒng)響應并建立Bode 圖的方法;掌握由Bode圖進行頻域分析及PID調節(jié)器使用等。以控制系統(tǒng)數(shù)學模型、控制系統(tǒng)時域分析以及控制系統(tǒng)頻域分析三個方向作為控制工程基礎三級項目的選題。

4 ?教改研究的具體內容

4.1 激發(fā)學習興趣，提高教學效率和授課質量

BOPPPS教學模型強調促使學習者成為教學的主體，明確學習者的學習目標，激發(fā)學習者的興趣，使學生全方位的參與學習而不是僅僅聽講，并且教師要及時的獲得學生的學習反饋進而調整和指導后續(xù)的教學活動。

4.2 創(chuàng)建在線課程，彌補課時量不足

該課程主要突出講解控制系統(tǒng)的基本組成及其概念、系統(tǒng)的數(shù)學模型、系統(tǒng)時域和頻域分析方法、系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其誤差分析、控制系統(tǒng)的綜合與校正。目前課時安排是32課時，遠遠不能滿足課程要求。有很多知識無法在課上詳細講解，學生課下學習又會遇到各種困難。采用在線課程可以有效的補充課時量不足的問題，增加學生自主學習的時間。

4.3 MATLAB仿真增加理論與實踐結合

由于我院實驗條件的限制，該課程的實驗課借助煙臺大學來完成，課時較少，只有8個學時，實驗時間安排不能保證切好切合課程進度。另一方面由于某些實驗環(huán)節(jié)與理論的結合不緊密，學生對于實踐環(huán)節(jié)的認識和重視度不夠，動手能力不強，不利于培養(yǎng)學生綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

將MATLAB及其提供的Simulink仿真軟件應用到課程教學中，可以改變傳統(tǒng)的單一課堂教學模式，簡化公式的推導和概念的敘述，增強教學的直觀性和生動性，有利于學生加深對所學知識的理解。利用MATLAB提供的仿真實驗平臺還具備實驗教學無法擁有的許多優(yōu)點，它不受外界復雜因素的干擾，不會造成人身傷害，大大節(jié)約實驗成本，既可以演示復雜控制系統(tǒng)的未知結果，又可以改變系統(tǒng)參數(shù)，演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的結果或趨勢。因此它既能彌補實驗手段的不足，又能培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，為學生自己設計創(chuàng)新實驗打下基礎，達到教學與人才培養(yǎng)目標的最優(yōu)化。

4.4 完善教學評定標準，注重綜合能力的考核

目前課程的成績一般是由平時成績（30%）和考試成績（70%）來組成，對平時成績缺乏量化的細則，沒有對創(chuàng)新能力的激勵和考核，不利于深化人才培養(yǎng)模式改革。在線課程中添加課程思政，引導學生價值追求和培養(yǎng)學術精神，評價體系中可以細化每一項任務的完成情況以及相應的分數(shù)，注重綜合素質的培養(yǎng)。

5 ?基于BOPPPS模型的教學設計

本文以課程中第二章第一節(jié)控制系統(tǒng)的微分方程為例，闡述BOPPPS教學模型在控制工程基礎教學工程中的實際應用情況。微分方程是控制系統(tǒng)的一種基本數(shù)學模型，是列寫傳遞函數(shù)的基礎。在建立數(shù)學模型的基礎上才能對系統(tǒng)進行分析、綜合，因此本節(jié)在整個課程中具有承上啟下的作用。BOPPPS教學模型的控制系統(tǒng)的微分方程教學設計如表1所示。

5.1 導言

導言的作用是幫助學生專注或連接即將要介紹的課程內容，激發(fā)學生學習興趣以及強烈的求知欲。本文通過由松下和保時捷設計精誠合作，投資金額超1.5億元，歷時28個月共同打造的高端洗衣機ALPHA來引入，如圖4所示。詢問大家是否了解洗衣機的工作原理，關于洗衣機的優(yōu)化設計我們還能做什么？優(yōu)化的前提是首先去定量的分析控制系統(tǒng)，而基本方法就是建立數(shù)學模型再進行分析、綜合、校正。進而引出數(shù)學模型的重要性，激發(fā)學生的學習興趣。

5.2 目標

目標的設定要清楚，并且具有可操作性和可度量性，讓學生清晰的知道每節(jié)課要達到的教學目標。本節(jié)課中具體可評測的學習目標如下。

（1）知識學習。

掌握：列寫控制系統(tǒng)的微分方程。

（2）技能培養(yǎng)。

復述：數(shù)學模型的定義。

了解：構建數(shù)學模型在控制系統(tǒng)研究中的意義。

（3）素養(yǎng)培養(yǎng)。

激發(fā)大家的學習興趣以及民族的精神。

5.3 前測

讓同學回答齊次和非齊次線性微分方程的描述和求解方法，簡單回顧前面學習的控制系統(tǒng)的三個性能指標，并讓大家思考怎么進行量化的評價。激發(fā)學生進一步尋找問題的答案并且能對學生的學習情況進行摸底。

5.4 參與式學習

參與式學習是BOPPPS教學模型最重要的一個模塊，為保證學生有效的參與，首先用問題做引導。如圖5所示，列出一個簡單的彈簧-質量-阻尼系統(tǒng)，知道了輸入和輸出，讓大家思考還能列出哪些方程。如果聯(lián)立所有的方程求解能得到什么。然后再通過一個電氣系統(tǒng)-RLC電路如圖6所示提問學生能想到什么物理規(guī)律。最后對機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行同步推導并引導學生思考建模的方法和步驟。

因此在控制工程的數(shù)學模型章節(jié)中，充分調動學生的學習積極性，讓每個人都盡可能活躍地參與到課堂學習中來。

5.5 后測

后測主要評價教學目標的達成情況，與前面設立的教學目標要相呼應。通過無源RC網絡系統(tǒng)的數(shù)學建模來測試學生對知識的掌握情況，并提示大家注意負載效應。同時引導學生通過對數(shù)學建模的意義和對社會的促進作用的思考達成能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。后測的結果與前面學習環(huán)節(jié)的反饋，共同組成教師反思教學不足和教學改進的直接依據(jù)。

5.6 總結

通過圖7簡要總結微分方程和數(shù)學模型的涵義以及列寫微分方程的基本步驟，使學生整體上把握課程理論體系和學習目標。

同時引導學生求解微分方程雖然可以描述運動規(guī)律，但是計算比較復雜，特別是對高階系統(tǒng)更難，并且無法從微分方程的解中清晰地找出改進系統(tǒng)品質的方案。引出下節(jié)課要講的傳遞函數(shù)和框圖，激發(fā)學生的求知欲。

6 ?教改實踐效果

我院在基于BOPPPS教學模型的控制工程基礎課程教學改革中取得了良好的效果。以2018—2019第1學期為例，總數(shù)為71人的大班授課中，學生上課的積極性明顯提高，課堂氛圍變活躍了，通過有趣的導言激發(fā)了學生的求知欲，大家在選擇座位的時候主動往前排坐。BOPPPS教學模型以學生為中心，逐步培養(yǎng)其主動獲取知識、提出問題、分析問題、應用知識、解決問題等方面的能力，使學生們能夠真正的做到工學結合，全方位發(fā)展。同時將控制工程基礎課程學習與對專業(yè)的整體認識有機統(tǒng)一起來，整體培養(yǎng)掌握、運行和調控的能力。

參考文獻

[1] 孔祥東，王益群.控制工程基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 賈馮睿，李小玲，潘顥丹，等.傳熱學精品資源共享課程建設的探索與實踐[J].大學教育，2016（3）：113-114.

[3] S J LOU，W Y DZAN，C Y LEE，C C CHUNG.Learning effectiveness of applying TRIZ-integrated BOPPPS[J].International Journal of Engineering Education，2014（ 30）：1303-1312.

[4] C C CHUNG，W Y DZAN，R C SHIH，S J LOU. Study on BOPPPS application for creativity learning ectiveness[J].International Journal of Engineering Education，2015（31）：648–660.

[5] （美）布魯姆，等.教育目標分類學（第一分冊：認知領域）[M].羅黎輝，等，譯.上海：華東師范大學出版社，1986.