基于“雨課堂”的智能控制理論與工程應(yīng)用課程混合式教學(xué)改革

馬靜 緱林峰 彭凱

[摘? ? ? ? ? ?要]? 以“雨課堂”為核心構(gòu)建智能控制理論與工程應(yīng)用課程的混合式教學(xué)，融入“新工科”理念，借助新式信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)課前導(dǎo)學(xué)、線上自主學(xué)習(xí)、課堂重點(diǎn)難點(diǎn)講解、線下線上深度討論、過(guò)程性多元化考核等方式，將“教師教授為主”的傳統(tǒng)式教學(xué)模式向以“學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的”新型教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。同時(shí)兼顧專業(yè)課理論性強(qiáng)和專業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，教師在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)線上引導(dǎo)和線下督促，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 雨課堂;智能控制理論與工程應(yīng)用;混合式教學(xué);自主學(xué)習(xí)

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）31-0043-03

一、引言

“雨課堂”是一款基于PowerPoint和微信的教學(xué)輔助軟件，將課前預(yù)習(xí)、實(shí)時(shí)課堂、課后復(fù)習(xí)全程教學(xué)活動(dòng)融為一體，使教學(xué)過(guò)程從單純的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槿轿?、立體的教學(xué)活動(dòng);同時(shí)教師和學(xué)生的全程互動(dòng)及教學(xué)過(guò)程中的各種情況和數(shù)據(jù)都能夠及時(shí)反饋到教師手中，便于教師全面掌握教學(xué)過(guò)程和效果;將原來(lái)不可量化的教學(xué)過(guò)程和效果通過(guò)背后大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換成可以供教師借鑒和吸收的結(jié)果。為教師新的教學(xué)手段，如MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等使用提供基礎(chǔ)，促進(jìn)“教”與“學(xué)”的過(guò)程更加輕松，更加有效。另外，智能控制理論與工程應(yīng)用作為控制專業(yè)、研究生專業(yè)課程，具有概念多、理論性強(qiáng)、計(jì)算公式多的特點(diǎn)，內(nèi)容抽象，比較難以理解。在以課堂教學(xué)為主的教學(xué)過(guò)程中，由于課堂時(shí)間的限制，學(xué)生的理解比較困難;所以該課程需要借助以“雨課堂”為核心的現(xiàn)代化教學(xué)工具，創(chuàng)新學(xué)科和專業(yè)建設(shè)理念與實(shí)踐，開發(fā)“人工智能控制+新工科”導(dǎo)向的課程，從人工智能基礎(chǔ)和人工智能共性技術(shù)層面建設(shè)“人工智能+新工科”課程體系，結(jié)合多種教學(xué)手段和方法共同實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

二、課程改革內(nèi)容

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

智能控制理論與工程應(yīng)用是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)方向選修課，是經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的新發(fā)展。目的是使學(xué)生能更深入地了解控制理論的發(fā)展前沿。任務(wù)主要是使學(xué)生對(duì)智能控制的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、智能控制器的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用等有基本的了解。為學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中對(duì)智能控制的深入研究和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

本課程改變?cè)械膯我唤虒W(xué)內(nèi)容，依據(jù)“雨課堂”的特點(diǎn)將教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。

理論教學(xué)主要包括：（1）模糊控制。模糊集合的基本概念，模糊集合及模糊關(guān)系的運(yùn)算，能夠進(jìn)行精確量與模糊量的相互轉(zhuǎn)換及精確化計(jì)算方法;根據(jù)控制系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)，包括輸入輸出變量的確定、隸屬度函數(shù)的選取、模糊控制規(guī)則的建立及在工程中的應(yīng)用等。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，掌握BP算法及Hopfield網(wǎng)絡(luò)等不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);掌握基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識(shí)和控制方法以及工程中的實(shí)現(xiàn)。（3）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。（4）遺傳算法等智能算法。（5）專家控制系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括：（1）二維模糊控制器設(shè)計(jì)和應(yīng)用。（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（3）非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識(shí)器設(shè)計(jì)。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)。（5）模糊神經(jīng)模型參考自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)。

（二）授課形式改革

智能控制理論與工程應(yīng)用課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)包括課前預(yù)習(xí)、課堂講授及習(xí)題課、課外作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)、考試考查等。這些教學(xué)環(huán)節(jié)將借助“雨課堂”實(shí)現(xiàn)，采用“課堂教學(xué)+在線教學(xué)”的混合式教學(xué)方式，具體如下。

課前，預(yù)習(xí)內(nèi)容的推送和學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)。由于“雨課堂”是一款綜合多功能教學(xué)軟件，教師可以借助多種資源構(gòu)成自己的教學(xué)內(nèi)容，所以課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容可以包括PPT課件、教師講解聲音、MOOC等教學(xué)視頻;教師可以根據(jù)課程特點(diǎn)和個(gè)人的教學(xué)習(xí)慣定制符合自己教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)節(jié)奏的教學(xué)設(shè)計(jì)。用于課前預(yù)習(xí)的多素材PPT講義發(fā)送到雨課堂后，可設(shè)置預(yù)習(xí)截止時(shí)間，學(xué)生可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)邊學(xué)邊練，同時(shí)學(xué)生的預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)情況可以直接反饋給教師，教師可以根據(jù)預(yù)習(xí)情況決定課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。

課堂上，教師開啟雨課堂后，學(xué)生掃描實(shí)時(shí)生成的二維碼進(jìn)入課堂（相當(dāng)于簽到），授課PPT課件會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在教室投影和學(xué)生手機(jī)中，既能按正常PPT形式播放，又能讓學(xué)生在每頁(yè)P(yáng)PT下選擇“收藏”和“不懂”按鈕，幫助學(xué)生收藏難點(diǎn)，同時(shí)將不懂的內(nèi)容反饋給教師，教師可以據(jù)此調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和速度。另外，雨課堂中也有試題發(fā)布功能，能將試題在課堂上發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生在手機(jī)上作答，答題情況、答案等會(huì)及時(shí)通知教師和學(xué)生，兩者都能及時(shí)獲得學(xué)習(xí)效果檢測(cè)結(jié)果。為了增加課程的趣味性，雨課堂中還有彈幕、紅包、分組等功能。

課后，通過(guò)雨課堂學(xué)生可以看到所有課堂的教學(xué)內(nèi)容，復(fù)習(xí)方便;另外，教師也可以通過(guò)雨課堂獲得所有的授課信息，并推送其他復(fù)習(xí)內(nèi)容，反饋復(fù)習(xí)結(jié)果，便于教師把握教學(xué)效果。

所以，課前、課上、課后的雨課堂應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)教師對(duì)教學(xué)過(guò)程的全面掌握，能夠完成課前預(yù)習(xí)、課堂互動(dòng)教學(xué)、課后復(fù)習(xí)等工作，并通過(guò)量化和分析教學(xué)數(shù)據(jù)獲得教學(xué)規(guī)律和方法的總結(jié)。

三、課程混合式教學(xué)改革思路

以“雨課堂”軟件為基礎(chǔ)構(gòu)建智能控制理論與工程應(yīng)用課程的多功能、混合式教學(xué)資源，進(jìn)行教學(xué)手段、方法和模式的改革，課程混合教學(xué)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

智能控制理論與工程應(yīng)用作為一門理論性較強(qiáng)的課程，需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，作為學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生要能將理論知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，掌握實(shí)際系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)師生互動(dòng)和多形式的課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生要根據(jù)教師布置的任務(wù)及推送的相關(guān)資料進(jìn)行自學(xué)，并隨時(shí)與教師進(jìn)行交流，完成教師發(fā)布的練習(xí)或作業(yè)。

針對(duì)智能控制理論與工程應(yīng)用不同章節(jié)設(shè)計(jì)不同的教學(xué)方法和手段，充分利用“雨課堂”達(dá)到教學(xué)內(nèi)容和手段的完美結(jié)合。如學(xué)生通過(guò)課前自學(xué)應(yīng)基本掌握智能控制相關(guān)概念知識(shí)，課堂學(xué)習(xí)主要是對(duì)知識(shí)進(jìn)行深化，學(xué)生通過(guò)參與教學(xué)活動(dòng)，展示自己的學(xué)習(xí)程度，對(duì)學(xué)習(xí)中遇到的疑難問(wèn)題及時(shí)向教師反饋，積極參與討論，深化學(xué)習(xí)。課堂上教師主要講授智能控制中的重點(diǎn)、難點(diǎn)以及課前練習(xí)中錯(cuò)誤率較高的問(wèn)題（模糊數(shù)學(xué)到模糊控制原

理的轉(zhuǎn)換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的原理等），并結(jié)合實(shí)例講解、小組討論、學(xué)生匯報(bào)、答疑等多種形式進(jìn)行深入探討，通過(guò)實(shí)時(shí)答題、簡(jiǎn)單測(cè)評(píng)等方式掌握和監(jiān)督學(xué)生對(duì)難點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況。

因此，在智能控制理論與工程應(yīng)用的混合式教學(xué)過(guò)程中既強(qiáng)調(diào)學(xué)生的“主體”作用，也重視教師的“主導(dǎo)”作用，通過(guò)兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)最佳的教學(xué)效果?；旌鲜浇虒W(xué)思路如圖2所示（見文末圖）。

以第一章智能控制概論為例大致說(shuō)明教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)思路，如下表所示。

四、課程改革后的優(yōu)勢(shì)和可能遇到的問(wèn)題

以“雨課堂”為核心的混合式教學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論與工程應(yīng)用課程的優(yōu)勢(shì)主要在于：

（1）對(duì)課程內(nèi)容重新規(guī)劃，不僅是教師自身資源，還有浩瀚的網(wǎng)絡(luò)資源，大大擴(kuò)充了課程容量;理論、實(shí)例、實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，課堂、PPT課件、MOOC視頻等多渠道加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

（2）傳統(tǒng)課堂中信息的傳遞方向是以單向?yàn)橹鳎處煙o(wú)法及時(shí)掌控課堂上的教學(xué)效果。雨課堂軟件抓住了學(xué)生利用手機(jī)微信社交的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生有相當(dāng)?shù)奈Α?/p>

（3）雨課堂把課件推送到學(xué)生的手機(jī)上，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容。既避免了以前學(xué)生在網(wǎng)站下載相關(guān)內(nèi)容的繁瑣，也解決了坐在后面的學(xué)生可能看不清楚課件的問(wèn)題。

（4）采用雨課堂授課后，軟件自動(dòng)生成課堂小結(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)名統(tǒng)計(jì)。

（5）在上課時(shí)，教師根據(jù)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置試卷，當(dāng)堂作答，促進(jìn)學(xué)生集中注意力;同時(shí)彈幕功能也便于學(xué)生和教師及學(xué)生之間的互動(dòng)。

（6）以“雨課堂”為基礎(chǔ)的混合式教學(xué)便于教師在課堂調(diào)節(jié)講課進(jìn)度，以適應(yīng)不同學(xué)生的需求;故對(duì)學(xué)生類型和人數(shù)沒有過(guò)多要求，對(duì)小班和大班都可以適用。教學(xué)初期可以以小班為試點(diǎn)，逐漸推廣、完善。

當(dāng)然這種基于新型現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中由于條件的限制，可能會(huì)遇到的主要問(wèn)題是：

（1）網(wǎng)絡(luò)順暢是保證課程順利進(jìn)行的基礎(chǔ);教師需做好雙重準(zhǔn)備。

（2）學(xué)生需要在課下花費(fèi)很多的時(shí)間自己學(xué)習(xí)，如果多門課都采用這樣的教學(xué)方式，學(xué)生自我學(xué)習(xí)壓力比較大;可通過(guò)逐步試點(diǎn)，讓教師和學(xué)生都逐步找到合適的比例和方法。

五、總結(jié)

借助“雨課堂”進(jìn)行智能控制理論與工程應(yīng)用課程混合式教學(xué)改革，是以研究生的綜合能力培養(yǎng)為目標(biāo)，全面提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）以“雨課堂”為基礎(chǔ)，多教學(xué)手段和方法相融合

利用“雨課堂”這一智慧教學(xué)工具能夠服務(wù)課前、課上、課后的每一個(gè)環(huán)節(jié)，讓師生連接更加緊密。教師在教學(xué)過(guò)程中受約束程度降低，可以有更多的時(shí)間、精力和條件來(lái)更好地組織教學(xué)活動(dòng)，使教與學(xué)的過(guò)程更為生動(dòng)、輕松。

（二）充分利用網(wǎng)絡(luò)和多媒體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)課時(shí)“立體提升”

課堂上的計(jì)算機(jī)、投影等多媒體加上在線學(xué)習(xí)平臺(tái)和學(xué)習(xí)資源等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在保證課堂基本課時(shí)量的同時(shí)，不分時(shí)段和場(chǎng)所地?cái)U(kuò)充網(wǎng)絡(luò)課時(shí)量。讓學(xué)生根據(jù)自己的能力和興趣不斷學(xué)習(xí)。既完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，又突破教學(xué)大綱對(duì)課時(shí)量的嚴(yán)格限制。

（三）采用適用于“雨課堂”的多種教學(xué)模式，形成教學(xué)的“雙主”模式

以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”的“雙主”模式的形成，使學(xué)習(xí)過(guò)程的中心從教師轉(zhuǎn)移到學(xué)生。在這個(gè)過(guò)程中，教師和學(xué)生都要注意自己的角色轉(zhuǎn)換。

（四）打造全方位的交流環(huán)境，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)資源

混合式教學(xué)是傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)在線環(huán)境的高度融合，打造全方位的交流環(huán)境，教師可以根據(jù)不同的客觀條件變化，動(dòng)態(tài)合理地選擇教學(xué)資源和教學(xué)方式，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德毅，馬楠.智能時(shí)代新工科：人工智能推動(dòng)教育改革的實(shí)踐[J].高等工程教育研究，2017（5）.

[2]林健.面向未來(lái)的中國(guó)新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017（2）：26-35.

編輯 馮永霞