“翻转课堂”在控制系统仿真课程中的应用研究

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　　[摘 要]本研究采用“翻转课堂”对控制系统仿真课程开展教学改革，在教学模式和教学内容、学习方式、教学实施过程和教学效果评价等方面进行了全方位设计：一方面，进行了适合于控制系统仿真课程特色的教学流程设计，以提高学生自主学习意识为主线，围绕学生课前、课中和课后三个阶段的学习资源和活动进行了综合设计;另一方面提出了采用立体式教学资源与动手实践相结合的混合式授课方式。设计的教学新方法，充分给予学生自主学习、独立思考、勇于提问、自主安排学习进度的机会，激发了学生的自主学习意识，达到了提高教学效果的目的。
　　[关键词]翻转课堂;系统仿真;实践教学;教学改革
　　[中图分类号] TG156 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）06-0066-03
　　“翻转课堂”是一种新兴的教学模式，这种教学模式借助新的信息技术将传统的以教师授课、学生听讲，教师为主、学生被动接受知识的授业形式，转换为学生是课堂的主体，教师是课堂内容的编导和指导者的教学方法[1-2]。由于该模式以激发学生的自主学习积极性为宗旨，侧重学生实践能力的培养，因此在自动化专业的相关课程中得到了一定的应用，并取得了良好的教学效果[3-4]。
　　控制系统仿真课程是控制理论、计算数学和计算机相关知识的交叉学科，它是分析和设计各类复杂系统的强有力工具。由于在课程中使用仿真软件MATLAB，需要安排在计算机机房上课，教师在课堂中针对该软件的使用方法、工具箱函数、Simulink控制系统框图的搭建、图形用户界面系统仿真工具的使用方法等进行讲授、演示和说明。针对控制系统仿真，国内一些高校已有具有成效的改革和尝试[5-6]，但依然存在一些突出的问题。例如，如果实践环节由教师演示学生同时操作验证，则不仅需要时间长，而且由于学生进度的不同将严重影响授课质量。而课堂中一半时间讲授和演示，一半时间交给学生进行题目练习的形式，虽然保证了教学进度，但又由于讲授的时间大幅度缩短，造成简单的内容一带而过，需要精讲的内容显得过于仓促，学生对新内容不熟悉，刚进入状态课堂练习就结束，不得不在课后使用较多时间重复操作而造成学习效率低下。针对综合设计题目教师更是难以当面与学生沟通和指导，无法保证实践环节的效果。
　　针对以上问题，综合理论结合实践的教学要求，课题组依据“翻转课堂”的优势特色，设计了针对控制系统仿真课程的立体式教学新方法。首先，课前安排预习教材、发布学习资料和重点教学环节的微视频，课中首先以考查题目和项目任务两种形式发布本章节的要求，指导学生观看课件、视频，独立操作。考查题目是本章节的基础内容，是必须通过练习完成的任务，而项目任务是设计或综合类题目，要求学生结合本章所学内容并综合前面章节的知识才能够完成。其次，安排学生相互交流完成题目任务，教师在课堂中随机查看任务完成情况，随时接受学生的提问，协助学生解决疑难问题。最后，安排助教检查每人的考查题目完成情况，记录问题并汇总。课后通过安排复习巩固型练习（包含课堂中未讲授的知识点的设计类问题），让学生综合运用学科中涉及的其他课程内容来完成。依据自动化专业综合实践性课程的特点和要求，结合工程教育专业认证的内容目标，通过对该类型课程教学改革的探索和应用型研究，所设计的课程学习新模式取得了满意的教学效果，大幅度提高了教学质量和学生满意度。
　　一、“翻转课堂”教学模式
　　基于“翻转课堂”的教学模式重在模型和内容的设计，鉴于控制系统仿真课程在学生动手实践环节的重点要求，其设计的实质是将知识传递的过程由单纯的课内讲解、演示转变为课前准备、课内实践和课后独立练习三个阶段。
　　在中国海洋大学本科教育教学项目的研究基础上，结合自动化专业课程实践教学环节贯穿课程始终的特点[7-8]，课题组设计撰写了由电子工业出版社出版的《基于MATLAB的控制系统仿真》教材。该教材依循“翻转课堂”的教学思路，尝试性地提供了多项教学特色，减少了教师讲授时间，大幅度增加了学生自主学习和实际动手的环节，教师能够有更多的时间与学生进行交流和讨论。教材初版和涉及的教学资料在本校进行了实践，教师采用重点讲授、协作指导和问题讨论的形式满足学生的需要和促进学生的个性化学习。
　　（一）课程内容的设计特点
　　1.教学信息更加清晰。课堂开始前教师发布本次课程需要的教学资料和实践要求、教学PPT、演示视频、章节要求、需要完成的考查题目等内容，此外给出项目任务引导学生以“任务驱动”[9]的方式思考设计类和综合类问题;引导学生按照自己的理解情况安排学习进度，以需要掌握的知识重点为主线，以考查题目为任务导向，以学生个体为教学单元，边学、边练、边讨论，通过教师个性化的有效辅导全面提升学生的学习效果。其中，章节要求是在控制系统原理课程理论部分基础上进行设计的，即侧重于“用知识做什么”。而考查题目的设计则是将具体的任务与使用MATLAB/Simulink实现理论分析和控制系统仿真的目的进行有效的结合。
　　2.演示视频针对性强。课程中设计了13个演示视频，时长均在3～10min左右，内容针对性强，都是各章节综合性较强的操作演示或设计方法展示，包含完整的知识点讲解、例题分析与练习。相关视频的二维码设计在重点内容的教材当页，通过扫描二维码方便学生在阅读教材的同时能够注意力集中地观看视频，提升学生自主学习的能力。以PID-Tuner控制器设计环节的微视频为例，鉴于该方法涉及步骤多，参数调节时需要多次重复，设计了下拉菜单和按右键以对应不同任务要求的多项分支选择;以解决题目问题为主线，将重复调试部分步骤缩减并快进显示，增加暂停画面和采用标注的形式突出过程中的重点难点，对多项分支选择部分采取可选择内容全部显示和标注，但仅侧重主要选项的演示。
　　3.重新构建学习方式。第一阶段，要求学生积极利用课堂时间了解本章节需要掌握的知识重点，通过阅读教材内容、查看课程所提供的课件和例题资料、观看演示視频，进而完成每章节指定的考查题目。第二阶段，学生完成本章节指定的考查题目，对具有分析性质及综合性的题目自主地与其他同学进行交流，讨论实现方法。学生在解决问题的过程中积极主动地构建知识，依据教师设计的章节知识框架，有选择地针对自己的理解和掌握情况分配学习时间。从过去有限的课堂教学指导转换为面向学生具体问题需要的“一对一”辅导，并形成讨论，教师可以不正面回答，而是以提问方式先了解产生该疑问的原因，再引导学生自己找出答案。第三阶段，学生在课堂外完成教师给出或教材中要求的课后练习题。教师将课堂中学生的提问、讨论的过程、题目完成情况进行汇总、整理和分类，有针对性地完善教案、视频、PPT等内容。 　　（二）教师与助教的角色设计
　　本文所阐述的新教学方法，依据“翻转课堂”理念进行设计，在提供了大量教学资源之后，需要给教师重新定位，并进行角色的设计[10]。一般情况下自动化专业的选课人数都较多，如果仅有1名教师担任超过80人的新教学模式下的教学任务，则难以达到所期望的教学效果，需要安排助教协助教师进行课堂教学，因此对助教的角色进行定位和任务设计就显得十分必要。
　　首先，教师教学从传统的知识传授转换为对学生的能力培养，这就对教师提出了更高的要求：（1）应当熟练掌教学资源的所有内容，这样才能够在课堂中随时回答学生提出的具体问题;（2）不断地分析总结和整理学生在操作过程中常见的错误，遇到问题后能够快速地帮助学生解决，提高课堂中的指导效率，以便能够照顾和关注到更多的学生;（3）需要把握MATLAB新版本的使用方法，由于该仿真软件的功能根据版本的迭代不断地更新和升级，这就要求教师能够依据新功能更新教学资源中的内容，并可以引导学生自行尝试新功能。
　　其次，助教的定位是辅助教师完成教学任务，主要任务是指导学生学习教材内容、完成指定的考查题目，检查基础知识完成情况并做好记录。本项目实施过程中安排了教师所指导的研究生担任课程助教，助教不但在本科阶段学习过控制系统仿真课程，并且能够在自己的研究课题中熟练使用MATLAB软件，能较好地协助教师教学。
　　最后，是教师与助教的角色配合。课前教师与助教进行教学任务的讲解与安排，指出本章节重点内容和需要考查题目的具体要求，课中助教协助发布教学资源、回答学生基础操作类的疑问、检查各章节中指定的考查题目，对于发现的问题及时和教师沟通，由教师解决或指导学生完成任务，课后根据课程中检查的情况，对本章节的教学效果进行评估。
　　二、实施与教学效果
　　（一）教学实施过程
　　按照模型和内容的设计要求，教学的实施过程按照课前、课中和课后三个环节进行。
　　1.课前，要求学生复习C语言等其他已经学习的程序设计知识，复习自动控制原理的相关基础知识，每节课前预习教材内容。原理性的内容安排在自动控制原理课程中学习，并与本课程在同一学期进行授课，需要掌握两个课程的进度情况。从控制系统建模章节开始到时域分析、根轨迹和频域分析，基本保证在学生结束该理论部分学习的一周后开始进入该环节的仿真课程，在减少内容复习负担的同时通过仿真实验加强对理论的理解。而系统校正部分由于是综合设计环节，需要学生按照一定的性能指标要求掌握几种系统的校正方法，则在理论课程开始前一周进行仿真实验，掌握串联校正和反馈校正模型、PID参数整定和PID-Tuner的使用方法，为理论课程学习提供支撑。
　　2.授课过程中，学生按照教师给定的考查题目边学边练，完成每章节后的练习题，在指定的答疑和讨论时间段与教师或助教积极互动;向教师或教学助理进行讲解和演示，教师则分别针对学生的具体情况和具体问题进行提问、解答和讨论。在两学期的教学项目实施过程中，由于自动化2015级和 2016级学生人数较多（分别为82人和85人），由教师随堂随时回答学生问题，由助教按照章节要求检查指定题目的完成情况，遇到疑难问题由教师解答。遇到多名学生提出类似问题的情况时，可临时中断自主练习和课堂讨论，由教师统一针对此类问题的解决方法和操作上的注意点进行讲解，做到共性问题集体解决，个性问题单独答疑。课堂交流中发现有学生采用创新方法解决项目问题时，则安排该学生到教师机上演示自己设计的方法，并进行讲解，同时回答其他学生提出的问题，做到互学互教。此外，由于MATLAB中工具箱函数的语法形式较为丰富，所提供的讲义、PPT等资料不能够全部覆盖，所以提倡学生在学习中使用网络手段调查更丰富的使用方法，鼓励学生对设计类题目采用不同的方法解決问题。最后，助教负责将共性问题和设计上的新方法汇总，以备后期修改和完善。
　　经统计，指导和答疑平均13次/课时，每次约2～6分钟，13个章节中前7章基础部分回答次数多，用时短，后6章，特别是后4章综合性强，能够单独指导和答疑的次数明显减少，用时较长。课前预习较好和掌握能力强的学生提问次数多，约17%的学生虽然按照要求完成了指定题目，但16次课程中没有主动提出过问题。
　　3.课后，学生完成部分课后练习题。教师汇总、整理课堂中的问题，将共性问题作为统一讲解内容补充到课程的教材、课件和PPT中;将个性问题或操作方式问题，整理为问答集的形式，提供给全体学生自行参考。此外，由于所涉及的仿真程序和模型较多，教师可根据课程教材中知识内容的学习进度分章节提供模板，引导学生自行分类整理，方便在设计中参考使用的同时达到督促复习的目的。
　　（二）教学效果评价
　　课程的考核方式采用课堂考查、项目实验报告与课程上机考核，综合计分的形式，综合考查学生的学习效果，所占比例分别为10%、20%、70%。针对13个章节的指定考查题目，学生完成后主动要求教师或助教进行检查，由学生边操作边解释完成步骤和内容，教师不仅查看完成的正确率，还根据学生的讲述对学生是否主动学习进行判断，并纳入评价中，学生主动完成讲解5个题目以上即得到10%，完成设计型实验题目并提交实验报告即得到20%。
　　上机考试占总成绩的70%，可以自行携带笔记本电脑，使用课程中的例题、自己设计的程序和Simulink模型，针对给出的试题单独作答。与本教学项目实施前相比，上机考试题目在难度上有了明显提高，80%由分析类题目、设计类题目和综合类题目组成，90%的题目有多个子问题，最多的题目有4个子问题需要依据前后关系分析回答，考查学生实际分析问题和解决问题的能力。从两学期的成绩看，80分以上的学生数量明显增加，达到70%和74%，不及格的学生人数均仅为1人。
　　三、结语
　　本文依据教育部“新工科”的人才培养机制，以创新能力和实践能力培养为目标，将“翻转课堂”教学模式应用在控制系统仿真课程，通过中国海洋大学本科教育教学项目两个年级的教学实践，完成了课程内容的设计，打破了原有的教师主讲、学生被动观看、被动接受知识的现状，充分给予学生自主学习、独立思考、勇于提问、自主安排学习进度的机会，激发了学生的自主学习意识。本文所提出的教学新模式不仅提供“翻转课堂”所需的完整的立体化资源，同时要求教师不断吸收新知识、新方法、新案例，更新课程内容，准备丰富的关联知识来解答学生所提出的具有挑战性的问题。此外，课程还将课内外整体学习状态、自主性和学习效果纳入课程的评价体系中，创新了教学效果的评价方法，有效地提高了学生课堂中的学习效率和解决实际问题的能力。与传统授课方式相比，新教学模式使学生学习积极主动、课堂气氛活跃、知识获得感强，达到了预期的设计目的。
　　[ 参 考 文 献 ]
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　　[责任编辑：钟 岚]
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