黃江茵

(廈門(mén)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

0 引言

在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)中，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是一門(mén)核心主干課程[1]。該課程要求學(xué)生在掌握系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)控制需求設(shè)計(jì)離散控制器，并在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)上，該課程的教學(xué)是由理論授課環(huán)節(jié)輔以仿真控制實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)構(gòu)成，但在新冠疫情的影響下，首次采用了全線(xiàn)上教學(xué)模式進(jìn)行授課。雖然采用騰訊會(huì)議、雨課堂[2]、慕課相結(jié)合等線(xiàn)上教學(xué)模式及時(shí)彌補(bǔ)了疫情期間無(wú)法線(xiàn)下集中授課的不便，但依然存在著不少局限性，如難以保證聽(tīng)課效率、難以及時(shí)了解反饋、難以充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果等問(wèn)題。同樣，傳統(tǒng)的純線(xiàn)下教學(xué)環(huán)節(jié)也存在著自身的弊端，如授課方式單一[3]、信息共享薄弱、實(shí)踐環(huán)節(jié)受實(shí)驗(yàn)室條件制約較大等。本文探索了一種針對(duì)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的線(xiàn)上線(xiàn)下混合式授課方式，旨在取長(zhǎng)補(bǔ)短，提升教學(xué)效果。

1 混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)線(xiàn)下教學(xué)模式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過(guò)板書(shū)推導(dǎo)詳細(xì)講解核心知識(shí)點(diǎn)，可直觀感受到學(xué)生的掌握情況并及時(shí)調(diào)整授課節(jié)奏，也能夠通過(guò)隨堂小測(cè)、提問(wèn)討論等使學(xué)生的注意力集中在課堂之上。但由于授課手段較為陳舊，大量的理論知識(shí)容易造成學(xué)生的注意力下降，也不利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)研究探索的良好習(xí)慣。線(xiàn)上教學(xué)則能夠?qū)@些不足加以彌補(bǔ)，教師能夠通過(guò)線(xiàn)上授課平臺(tái)分享大量學(xué)習(xí)資源，運(yùn)用平臺(tái)自帶的多種類(lèi)型課堂互動(dòng)形式活躍課堂氣氛，提升學(xué)生的參與度，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。為了更好地做到線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)模式融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最大程度完善課程教學(xué)，首先應(yīng)對(duì)本課程的核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)詳細(xì)的教學(xué)方案。

1.1 線(xiàn)下教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

按照教學(xué)大綱，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程共56學(xué)時(shí)，其中48個(gè)理論學(xué)時(shí)，8個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。課程的核心知識(shí)點(diǎn)主要包括：Z變換與Z反變換、差分方程與脈沖傳遞函數(shù)計(jì)算、數(shù)字控制器的連續(xù)化、離散化設(shè)計(jì)方法及其編程實(shí)現(xiàn)、數(shù)字程序插補(bǔ)技術(shù)等[4]。各知識(shí)點(diǎn)涉及的理論和公式較多，為保證學(xué)生充分掌握Z(yǔ)變換相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)，上述知識(shí)點(diǎn)均通過(guò)線(xiàn)下授課環(huán)節(jié)進(jìn)行講解?？紤]到后續(xù)將通過(guò)線(xiàn)上環(huán)節(jié)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，并引入企業(yè)控制器設(shè)計(jì)施行案例，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的控制器程序設(shè)計(jì)調(diào)試能力等，在不改變課程總學(xué)時(shí)的前提下，將線(xiàn)下線(xiàn)上授課比例調(diào)整為各50%，即28學(xué)時(shí)線(xiàn)下理論授課環(huán)節(jié)，28學(xué)時(shí)線(xiàn)上能力提升環(huán)節(jié)。在28學(xué)時(shí)的線(xiàn)下授課環(huán)節(jié)中，教師需要加快授課進(jìn)度，要求學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)工作，刪減理論過(guò)于老舊的、實(shí)踐性較低或者與其他課程重復(fù)的知識(shí)點(diǎn)，提高授課效率，要求學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)高效掌握課程所有理論知識(shí)，為后續(xù)以控制器設(shè)計(jì)實(shí)踐為主的線(xiàn)上教學(xué)環(huán)節(jié)奠定足夠的理論基礎(chǔ)。

1.2 線(xiàn)上教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

如前文所述，線(xiàn)上教學(xué)環(huán)節(jié)共安排28學(xué)時(shí)，授課目標(biāo)為配合線(xiàn)下教學(xué)環(huán)節(jié)，運(yùn)用平臺(tái)軟件全方位衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)情況；強(qiáng)化學(xué)生的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)能力，并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)接觸企業(yè)主流控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，了解不同企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用。根據(jù)這個(gè)目標(biāo)，線(xiàn)上授課內(nèi)容為指定典型工業(yè)對(duì)象模型，設(shè)計(jì)多種數(shù)字控制器并編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)，對(duì)比控制效果；通過(guò)網(wǎng)上調(diào)研、視頻共享、分組答辯等形式，了解高新企業(yè)的智能生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)，討論控制需求和可用技術(shù)；邀請(qǐng)校企合作企業(yè)導(dǎo)師參與在線(xiàn)課堂，通過(guò)視頻方式提出企業(yè)亟待解決的控制難題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)可行解決方案，并進(jìn)行線(xiàn)上討論。

2 實(shí)施過(guò)程與效果分析

線(xiàn)上線(xiàn)下混合式“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程授課過(guò)程中，主要采取兩種模式交叉遞進(jìn)的形式進(jìn)行授課。其中，線(xiàn)下授課與傳統(tǒng)授課方式相比，除了根據(jù)前文所述精簡(jiǎn)授課內(nèi)容，加快授課進(jìn)度外無(wú)太大的變動(dòng)，故本文以下部分著重對(duì)線(xiàn)上授課環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。

2.1 線(xiàn)上授課模式實(shí)施過(guò)程

首先，為了保證學(xué)生在較短的線(xiàn)下授課環(huán)節(jié)中高效消化核心知識(shí)，每堂線(xiàn)下理論課前，均通過(guò)我校網(wǎng)上課程中心教學(xué)平臺(tái)發(fā)布配套PPT、視頻資料，并布置思考題，要求學(xué)生通過(guò)自學(xué)基本掌握上課內(nèi)容；每堂線(xiàn)下理論課的課后，均開(kāi)放2小時(shí)針對(duì)該堂課的在線(xiàn)答疑和討論，并將提問(wèn)、討論的參與度作為期末總評(píng)成績(jī)考察的重要組成部分。圖1為在線(xiàn)上課程中心發(fā)布的課前學(xué)習(xí)指導(dǎo)，通過(guò)文檔、PPT和視頻資源幫助學(xué)生梳理課堂核心知識(shí)點(diǎn)；圖2為課后答疑記錄，學(xué)生可在該平臺(tái)上提出疑問(wèn)，教師和其余同學(xué)均可在線(xiàn)回答，參與討論。

圖1 線(xiàn)上課程中心學(xué)習(xí)指導(dǎo)

圖2 線(xiàn)上平臺(tái)課后答疑記錄

隨后，要求學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，針對(duì)指定工業(yè)典型二階、三階系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制器、最少拍控制器和Smith預(yù)估控制器，對(duì)比分析控制效果，給出改進(jìn)方案。作為能力提升訓(xùn)練，要求學(xué)生利用課余時(shí)間設(shè)計(jì)一個(gè)綜合應(yīng)用小軟件，可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)設(shè)計(jì)上述幾種數(shù)字控制器，給出控制器模型，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者被控對(duì)象模型自動(dòng)整定參數(shù)，給出模擬控制效果。本部分線(xiàn)上環(huán)節(jié)共分配12個(gè)學(xué)時(shí)，旨在幫助學(xué)生鞏固課程核心知識(shí)點(diǎn)，熟練掌握根據(jù)被控對(duì)象模型、控制需求設(shè)計(jì)不同類(lèi)型數(shù)字控制器的步驟，同時(shí)強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的編程能力和設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用軟件的能力。

緊接著，充分利用線(xiàn)上教學(xué)模式信息資源豐富、易分享、不受授課場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)室條件制約的優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)的僅基于Matlab和簡(jiǎn)單被控對(duì)象進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)仿真課進(jìn)行深化和擴(kuò)展，增設(shè)2～3個(gè)企業(yè)常用主流建模、控制器設(shè)計(jì)軟件介紹和使用授課環(huán)節(jié)。配合軟件教學(xué)視頻和在線(xiàn)說(shuō)明文檔等，讓學(xué)生通過(guò)了解和熟悉這些軟件，深化控制系統(tǒng)的運(yùn)行概念，梳理知識(shí)脈絡(luò)。本部分線(xiàn)上環(huán)節(jié)共分配8個(gè)學(xué)時(shí)。圖3為采用Cimatron軟件進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)模擬的在線(xiàn)學(xué)習(xí)分享界面。

圖3 Cimatron軟件在線(xiàn)學(xué)習(xí)分享

最后，針對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的最終目標(biāo)，線(xiàn)上授課環(huán)節(jié)將邀請(qǐng)與學(xué)校有緊密校企合作的工程師、本校本專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生作為企業(yè)指導(dǎo)教師，在征得企業(yè)同意的前提下，用網(wǎng)絡(luò)視頻方式，介紹某一典型工業(yè)控制實(shí)例，并提出若干個(gè)亟待解決的控制技術(shù)問(wèn)題，學(xué)生根據(jù)企業(yè)指導(dǎo)教師的介紹，通過(guò)課余查閱資料、整合所需知識(shí)等方式給出可行方案，最終通過(guò)PPT答辯形式完成方案介紹和論證，企業(yè)指導(dǎo)教師根據(jù)答辯表現(xiàn)和方案可行性給出評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)同樣作為課程總評(píng)成績(jī)的一部分。本部分線(xiàn)上環(huán)節(jié)共分配8個(gè)學(xué)時(shí)。圖4為校企合作企業(yè)提供的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)視頻。

圖4 焊接機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)視頻資料

2.2 學(xué)生成績(jī)綜合評(píng)價(jià)方案

傳統(tǒng)的純線(xiàn)下教學(xué)模式，學(xué)生成績(jī)綜合評(píng)價(jià)一般由30%平時(shí)成績(jī)與70%期末卷面分構(gòu)成。在線(xiàn)上線(xiàn)下混合教學(xué)模式下，由于顯著提高了學(xué)生線(xiàn)上聽(tīng)課的參與度和工作量，對(duì)學(xué)生的日常表現(xiàn)、核心知識(shí)掌握度和實(shí)踐應(yīng)用能力都有了更高的要求。相應(yīng)的，應(yīng)該制定一套針對(duì)混合教學(xué)模式的學(xué)生成績(jī)綜合評(píng)價(jià)方案，弱化期末考試卷面分占比，提升線(xiàn)上環(huán)節(jié)參與度、完成度的考評(píng)占比。經(jīng)過(guò)綜合考量，將考評(píng)方案調(diào)整為：平時(shí)表現(xiàn)占比60%，期末卷面占比40%；其中，平時(shí)表現(xiàn)由課程平臺(tái)課前預(yù)習(xí)、課后答疑參與度、控制器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)表現(xiàn)、主流控制軟件應(yīng)用能力、企業(yè)工程問(wèn)題分析與解決能力構(gòu)成，每項(xiàng)占比基本均衡。

2.3 教學(xué)效果分析

經(jīng)過(guò)一個(gè)教學(xué)周期的改革，結(jié)合在線(xiàn)授課平臺(tái)給出的綜合數(shù)據(jù)、企業(yè)指導(dǎo)老師和學(xué)生反饋以及最終考評(píng)成績(jī)分析，線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”改革獲得了良好的效果。首先，線(xiàn)下教學(xué)環(huán)節(jié)精簡(jiǎn)了老舊、理論性過(guò)強(qiáng)或?qū)嵺`性過(guò)低的內(nèi)容，剩余內(nèi)容均為課程核心知識(shí)點(diǎn)，且與后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)緊密相扣，加快了授課進(jìn)度，使學(xué)生意識(shí)到配合線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行自學(xué)、答疑的重要性，平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，改革施行前后，平臺(tái)的訪(fǎng)問(wèn)人數(shù)由不足每周20人次，上升到每周100人次以上，學(xué)生提出的問(wèn)題也更加有廣度和深度。其次，線(xiàn)上授課環(huán)節(jié)較大地提升了對(duì)學(xué)生實(shí)際掌握控制器設(shè)計(jì)步驟和技術(shù)的考察要求，學(xué)生通過(guò)逐一答辯形式接受教師提問(wèn)，對(duì)被控對(duì)象分析、控制器設(shè)計(jì)有了更系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在我校加大力度培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用人才教學(xué)目標(biāo)的背景下，本文探討了一種線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程改革手段。首先通過(guò)提煉課程核心知識(shí)點(diǎn)、構(gòu)建網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)資源庫(kù)等手段加快線(xiàn)下環(huán)節(jié)的授課進(jìn)度，隨后采用線(xiàn)上教學(xué)模式，配合常用線(xiàn)上教學(xué)軟件，增大實(shí)踐類(lèi)線(xiàn)上課程的學(xué)時(shí)比例，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合分析、設(shè)計(jì)能力，通過(guò)邀請(qǐng)企業(yè)工程人員擔(dān)任線(xiàn)上指導(dǎo)教師，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解課程知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。最后，通過(guò)調(diào)整課程評(píng)價(jià)體系，對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)和能力進(jìn)行了更加客觀的綜合考量，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的效果。實(shí)踐結(jié)果表明，通過(guò)實(shí)施該混合式教學(xué)方法以來(lái)，有效促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升了學(xué)生查閱資料、迫切求教的主動(dòng)性，課程考核結(jié)果也體現(xiàn)出了較好的成績(jī)?？偠灾捎镁€(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)方法，獲得了學(xué)生的一致好評(píng)，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化授課策略，全面提升學(xué)生綜合專(zhuān)業(yè)能力奠定了良好的基礎(chǔ)。