“翻轉(zhuǎn)課堂”在控制系統(tǒng)仿真課程中的應(yīng)用研究

張磊 周麗芹 任憑 戈立 王琨

[摘 要]本研究采用“翻轉(zhuǎn)課堂”對控制系統(tǒng)仿真課程開展教學(xué)改革，在教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式、教學(xué)實施過程和教學(xué)效果評價等方面進行了全方位設(shè)計：一方面，進行了適合于控制系統(tǒng)仿真課程特色的教學(xué)流程設(shè)計，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識為主線，圍繞學(xué)生課前、課中和課后三個階段的學(xué)習(xí)資源和活動進行了綜合設(shè)計;另一方面提出了采用立體式教學(xué)資源與動手實踐相結(jié)合的混合式授課方式。設(shè)計的教學(xué)新方法，充分給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、勇于提問、自主安排學(xué)習(xí)進度的機會，激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，達到了提高教學(xué)效果的目的。

[關(guān)鍵詞]翻轉(zhuǎn)課堂;系統(tǒng)仿真;實踐教學(xué);教學(xué)改革

[中圖分類號] TG156[文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0066-03

“翻轉(zhuǎn)課堂”是一種新興的教學(xué)模式，這種教學(xué)模式借助新的信息技術(shù)將傳統(tǒng)的以教師授課、學(xué)生聽講，教師為主、學(xué)生被動接受知識的授業(yè)形式，轉(zhuǎn)換為學(xué)生是課堂的主體，教師是課堂內(nèi)容的編導(dǎo)和指導(dǎo)者的教學(xué)方法[1-2]。由于該模式以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性為宗旨，側(cè)重學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，因此在自動化專業(yè)的相關(guān)課程中得到了一定的應(yīng)用，并取得了良好的教學(xué)效果[3-4]。

控制系統(tǒng)仿真課程是控制理論、計算數(shù)學(xué)和計算機相關(guān)知識的交叉學(xué)科，它是分析和設(shè)計各類復(fù)雜系統(tǒng)的強有力工具。由于在課程中使用仿真軟件MATLAB，需要安排在計算機機房上課，教師在課堂中針對該軟件的使用方法、工具箱函數(shù)、Simulink控制系統(tǒng)框圖的搭建、圖形用戶界面系統(tǒng)仿真工具的使用方法等進行講授、演示和說明。針對控制系統(tǒng)仿真，國內(nèi)一些高校已有具有成效的改革和嘗試[5-6]，但依然存在一些突出的問題。例如，如果實踐環(huán)節(jié)由教師演示學(xué)生同時操作驗證，則不僅需要時間長，而且由于學(xué)生進度的不同將嚴重影響授課質(zhì)量。而課堂中一半時間講授和演示，一半時間交給學(xué)生進行題目練習(xí)的形式，雖然保證了教學(xué)進度，但又由于講授的時間大幅度縮短，造成簡單的內(nèi)容一帶而過，需要精講的內(nèi)容顯得過于倉促，學(xué)生對新內(nèi)容不熟悉，剛進入狀態(tài)課堂練習(xí)就結(jié)束，不得不在課后使用較多時間重復(fù)操作而造成學(xué)習(xí)效率低下。針對綜合設(shè)計題目教師更是難以當(dāng)面與學(xué)生溝通和指導(dǎo)，無法保證實踐環(huán)節(jié)的效果。

針對以上問題，綜合理論結(jié)合實踐的教學(xué)要求，課題組依據(jù)“翻轉(zhuǎn)課堂”的優(yōu)勢特色，設(shè)計了針對控制系統(tǒng)仿真課程的立體式教學(xué)新方法。首先，課前安排預(yù)習(xí)教材、發(fā)布學(xué)習(xí)資料和重點教學(xué)環(huán)節(jié)的微視頻，課中首先以考查題目和項目任務(wù)兩種形式發(fā)布本章節(jié)的要求，指導(dǎo)學(xué)生觀看課件、視頻，獨立操作。考查題目是本章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容，是必須通過練習(xí)完成的任務(wù)，而項目任務(wù)是設(shè)計或綜合類題目，要求學(xué)生結(jié)合本章所學(xué)內(nèi)容并綜合前面章節(jié)的知識才能夠完成。其次，安排學(xué)生相互交流完成題目任務(wù)，教師在課堂中隨機查看任務(wù)完成情況，隨時接受學(xué)生的提問，協(xié)助學(xué)生解決疑難問題。最后，安排助教檢查每人的考查題目完成情況，記錄問題并匯總。課后通過安排復(fù)習(xí)鞏固型練習(xí)（包含課堂中未講授的知識點的設(shè)計類問題），讓學(xué)生綜合運用學(xué)科中涉及的其他課程內(nèi)容來完成。依據(jù)自動化專業(yè)綜合實踐性課程的特點和要求，結(jié)合工程教育專業(yè)認證的內(nèi)容目標(biāo)，通過對該類型課程教學(xué)改革的探索和應(yīng)用型研究，所設(shè)計的課程學(xué)習(xí)新模式取得了滿意的教學(xué)效果，大幅度提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生滿意度。

一、“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式

基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式重在模型和內(nèi)容的設(shè)計，鑒于控制系統(tǒng)仿真課程在學(xué)生動手實踐環(huán)節(jié)的重點要求，其設(shè)計的實質(zhì)是將知識傳遞的過程由單純的課內(nèi)講解、演示轉(zhuǎn)變?yōu)檎n前準(zhǔn)備、課內(nèi)實踐和課后獨立練習(xí)三個階段。

在中國海洋大學(xué)本科教育教學(xué)項目的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合自動化專業(yè)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)貫穿課程始終的特點[7-8]，課題組設(shè)計撰寫了由電子工業(yè)出版社出版的《基于MATLAB的控制系統(tǒng)仿真》教材。該教材依循“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)思路，嘗試性地提供了多項教學(xué)特色，減少了教師講授時間，大幅度增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實際動手的環(huán)節(jié)，教師能夠有更多的時間與學(xué)生進行交流和討論。教材初版和涉及的教學(xué)資料在本校進行了實踐，教師采用重點講授、協(xié)作指導(dǎo)和問題討論的形式滿足學(xué)生的需要和促進學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。

（一）課程內(nèi)容的設(shè)計特點

1.教學(xué)信息更加清晰。課堂開始前教師發(fā)布本次課程需要的教學(xué)資料和實踐要求、教學(xué)PPT、演示視頻、章節(jié)要求、需要完成的考查題目等內(nèi)容，此外給出項目任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生以“任務(wù)驅(qū)動”[9]的方式思考設(shè)計類和綜合類問題;引導(dǎo)學(xué)生按照自己的理解情況安排學(xué)習(xí)進度，以需要掌握的知識重點為主線，以考查題目為任務(wù)導(dǎo)向，以學(xué)生個體為教學(xué)單元，邊學(xué)、邊練、邊討論，通過教師個性化的有效輔導(dǎo)全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。其中，章節(jié)要求是在控制系統(tǒng)原理課程理論部分基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，即側(cè)重于“用知識做什么”。而考查題目的設(shè)計則是將具體的任務(wù)與使用MATLAB/Simulink實現(xiàn)理論分析和控制系統(tǒng)仿真的目的進行有效的結(jié)合。

2.演示視頻針對性強。課程中設(shè)計了13個演示視頻，時長均在3～10min左右，內(nèi)容針對性強，都是各章節(jié)綜合性較強的操作演示或設(shè)計方法展示，包含完整的知識點講解、例題分析與練習(xí)。相關(guān)視頻的二維碼設(shè)計在重點內(nèi)容的教材當(dāng)頁，通過掃描二維碼方便學(xué)生在閱讀教材的同時能夠注意力集中地觀看視頻，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。以PID-Tuner控制器設(shè)計環(huán)節(jié)的微視頻為例，鑒于該方法涉及步驟多，參數(shù)調(diào)節(jié)時需要多次重復(fù)，設(shè)計了下拉菜單和按右鍵以對應(yīng)不同任務(wù)要求的多項分支選擇;以解決題目問題為主線，將重復(fù)調(diào)試部分步驟縮減并快進顯示，增加暫停畫面和采用標(biāo)注的形式突出過程中的重點難點，對多項分支選擇部分采取可選擇內(nèi)容全部顯示和標(biāo)注，但僅側(cè)重主要選項的演示。

3.重新構(gòu)建學(xué)習(xí)方式。第一階段，要求學(xué)生積極利用課堂時間了解本章節(jié)需要掌握的知識重點，通過閱讀教材內(nèi)容、查看課程所提供的課件和例題資料、觀看演示視頻，進而完成每章節(jié)指定的考查題目。第二階段，學(xué)生完成本章節(jié)指定的考查題目，對具有分析性質(zhì)及綜合性的題目自主地與其他同學(xué)進行交流，討論實現(xiàn)方法。學(xué)生在解決問題的過程中積極主動地構(gòu)建知識，依據(jù)教師設(shè)計的章節(jié)知識框架，有選擇地針對自己的理解和掌握情況分配學(xué)習(xí)時間。從過去有限的課堂教學(xué)指導(dǎo)轉(zhuǎn)換為面向?qū)W生具體問題需要的“一對一”輔導(dǎo)，并形成討論，教師可以不正面回答，而是以提問方式先了解產(chǎn)生該疑問的原因，再引導(dǎo)學(xué)生自己找出答案。第三階段，學(xué)生在課堂外完成教師給出或教材中要求的課后練習(xí)題。教師將課堂中學(xué)生的提問、討論的過程、題目完成情況進行匯總、整理和分類，有針對性地完善教案、視頻、PPT等內(nèi)容。

（二）教師與助教的角色設(shè)計

本文所闡述的新教學(xué)方法，依據(jù)“翻轉(zhuǎn)課堂”理念進行設(shè)計，在提供了大量教學(xué)資源之后，需要給教師重新定位，并進行角色的設(shè)計[10]。一般情況下自動化專業(yè)的選課人數(shù)都較多，如果僅有1名教師擔(dān)任超過80人的新教學(xué)模式下的教學(xué)任務(wù)，則難以達到所期望的教學(xué)效果，需要安排助教協(xié)助教師進行課堂教學(xué)，因此對助教的角色進行定位和任務(wù)設(shè)計就顯得十分必要。

首先，教師教學(xué)從傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)換為對學(xué)生的能力培養(yǎng)，這就對教師提出了更高的要求：（1）應(yīng)當(dāng)熟練掌教學(xué)資源的所有內(nèi)容，這樣才能夠在課堂中隨時回答學(xué)生提出的具體問題;（2）不斷地分析總結(jié)和整理學(xué)生在操作過程中常見的錯誤，遇到問題后能夠快速地幫助學(xué)生解決，提高課堂中的指導(dǎo)效率，以便能夠照顧和關(guān)注到更多的學(xué)生;（3）需要把握MATLAB新版本的使用方法，由于該仿真軟件的功能根據(jù)版本的迭代不斷地更新和升級，這就要求教師能夠依據(jù)新功能更新教學(xué)資源中的內(nèi)容，并可以引導(dǎo)學(xué)生自行嘗試新功能。

其次，助教的定位是輔助教師完成教學(xué)任務(wù)，主要任務(wù)是指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)教材內(nèi)容、完成指定的考查題目，檢查基礎(chǔ)知識完成情況并做好記錄。本項目實施過程中安排了教師所指導(dǎo)的研究生擔(dān)任課程助教，助教不但在本科階段學(xué)習(xí)過控制系統(tǒng)仿真課程，并且能夠在自己的研究課題中熟練使用MATLAB軟件，能較好地協(xié)助教師教學(xué)。

最后，是教師與助教的角色配合。課前教師與助教進行教學(xué)任務(wù)的講解與安排，指出本章節(jié)重點內(nèi)容和需要考查題目的具體要求，課中助教協(xié)助發(fā)布教學(xué)資源、回答學(xué)生基礎(chǔ)操作類的疑問、檢查各章節(jié)中指定的考查題目，對于發(fā)現(xiàn)的問題及時和教師溝通，由教師解決或指導(dǎo)學(xué)生完成任務(wù)，課后根據(jù)課程中檢查的情況，對本章節(jié)的教學(xué)效果進行評估。

二、實施與教學(xué)效果

（一）教學(xué)實施過程

按照模型和內(nèi)容的設(shè)計要求，教學(xué)的實施過程按照課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)進行。

1.課前，要求學(xué)生復(fù)習(xí)C語言等其他已經(jīng)學(xué)習(xí)的程序設(shè)計知識，復(fù)習(xí)自動控制原理的相關(guān)基礎(chǔ)知識，每節(jié)課前預(yù)習(xí)教材內(nèi)容。原理性的內(nèi)容安排在自動控制原理課程中學(xué)習(xí)，并與本課程在同一學(xué)期進行授課，需要掌握兩個課程的進度情況。從控制系統(tǒng)建模章節(jié)開始到時域分析、根軌跡和頻域分析，基本保證在學(xué)生結(jié)束該理論部分學(xué)習(xí)的一周后開始進入該環(huán)節(jié)的仿真課程，在減少內(nèi)容復(fù)習(xí)負擔(dān)的同時通過仿真實驗加強對理論的理解。而系統(tǒng)校正部分由于是綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，需要學(xué)生按照一定的性能指標(biāo)要求掌握幾種系統(tǒng)的校正方法，則在理論課程開始前一周進行仿真實驗，掌握串聯(lián)校正和反饋校正模型、PID參數(shù)整定和PID-Tuner的使用方法，為理論課程學(xué)習(xí)提供支撐。

2.授課過程中，學(xué)生按照教師給定的考查題目邊學(xué)邊練，完成每章節(jié)后的練習(xí)題，在指定的答疑和討論時間段與教師或助教積極互動;向教師或教學(xué)助理進行講解和演示，教師則分別針對學(xué)生的具體情況和具體問題進行提問、解答和討論。在兩學(xué)期的教學(xué)項目實施過程中，由于自動化2015級和 2016級學(xué)生人數(shù)較多（分別為82人和85人），由教師隨堂隨時回答學(xué)生問題，由助教按照章節(jié)要求檢查指定題目的完成情況，遇到疑難問題由教師解答。遇到多名學(xué)生提出類似問題的情況時，可臨時中斷自主練習(xí)和課堂討論，由教師統(tǒng)一針對此類問題的解決方法和操作上的注意點進行講解，做到共性問題集體解決，個性問題單獨答疑。課堂交流中發(fā)現(xiàn)有學(xué)生采用創(chuàng)新方法解決項目問題時，則安排該學(xué)生到教師機上演示自己設(shè)計的方法，并進行講解，同時回答其他學(xué)生提出的問題，做到互學(xué)互教。此外，由于MATLAB中工具箱函數(shù)的語法形式較為豐富，所提供的講義、PPT等資料不能夠全部覆蓋，所以提倡學(xué)生在學(xué)習(xí)中使用網(wǎng)絡(luò)手段調(diào)查更豐富的使用方法，鼓勵學(xué)生對設(shè)計類題目采用不同的方法解決問題。最后，助教負責(zé)將共性問題和設(shè)計上的新方法匯總，以備后期修改和完善。

經(jīng)統(tǒng)計，指導(dǎo)和答疑平均13次/課時，每次約2～6分鐘，13個章節(jié)中前7章基礎(chǔ)部分回答次數(shù)多，用時短，后6章，特別是后4章綜合性強，能夠單獨指導(dǎo)和答疑的次數(shù)明顯減少，用時較長。課前預(yù)習(xí)較好和掌握能力強的學(xué)生提問次數(shù)多，約17%的學(xué)生雖然按照要求完成了指定題目，但16次課程中沒有主動提出過問題。

3.課后，學(xué)生完成部分課后練習(xí)題。教師匯總、整理課堂中的問題，將共性問題作為統(tǒng)一講解內(nèi)容補充到課程的教材、課件和PPT中;將個性問題或操作方式問題，整理為問答集的形式，提供給全體學(xué)生自行參考。此外，由于所涉及的仿真程序和模型較多，教師可根據(jù)課程教材中知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)進度分章節(jié)提供模板，引導(dǎo)學(xué)生自行分類整理，方便在設(shè)計中參考使用的同時達到督促復(fù)習(xí)的目的。

（二）教學(xué)效果評價

課程的考核方式采用課堂考查、項目實驗報告與課程上機考核，綜合計分的形式，綜合考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，所占比例分別為10%、20%、70%。針對13個章節(jié)的指定考查題目，學(xué)生完成后主動要求教師或助教進行檢查，由學(xué)生邊操作邊解釋完成步驟和內(nèi)容，教師不僅查看完成的正確率，還根據(jù)學(xué)生的講述對學(xué)生是否主動學(xué)習(xí)進行判斷，并納入評價中，學(xué)生主動完成講解5個題目以上即得到10%，完成設(shè)計型實驗題目并提交實驗報告即得到20%。

上機考試占總成績的70%，可以自行攜帶筆記本電腦，使用課程中的例題、自己設(shè)計的程序和Simulink模型，針對給出的試題單獨作答。與本教學(xué)項目實施前相比，上機考試題目在難度上有了明顯提高，80%由分析類題目、設(shè)計類題目和綜合類題目組成，90%的題目有多個子問題，最多的題目有4個子問題需要依據(jù)前后關(guān)系分析回答，考查學(xué)生實際分析問題和解決問題的能力。從兩學(xué)期的成績看，80分以上的學(xué)生數(shù)量明顯增加，達到70%和74%，不及格的學(xué)生人數(shù)均僅為1人。

三、結(jié)語

本文依據(jù)教育部“新工科”的人才培養(yǎng)機制，以創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，將“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式應(yīng)用在控制系統(tǒng)仿真課程，通過中國海洋大學(xué)本科教育教學(xué)項目兩個年級的教學(xué)實踐，完成了課程內(nèi)容的設(shè)計，打破了原有的教師主講、學(xué)生被動觀看、被動接受知識的現(xiàn)狀，充分給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨立思考、勇于提問、自主安排學(xué)習(xí)進度的機會，激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識。本文所提出的教學(xué)新模式不僅提供“翻轉(zhuǎn)課堂”所需的完整的立體化資源，同時要求教師不斷吸收新知識、新方法、新案例，更新課程內(nèi)容，準(zhǔn)備豐富的關(guān)聯(lián)知識來解答學(xué)生所提出的具有挑戰(zhàn)性的問題。此外，課程還將課內(nèi)外整體學(xué)習(xí)狀態(tài)、自主性和學(xué)習(xí)效果納入課程的評價體系中，創(chuàng)新了教學(xué)效果的評價方法，有效地提高了學(xué)生課堂中的學(xué)習(xí)效率和解決實際問題的能力。與傳統(tǒng)授課方式相比，新教學(xué)模式使學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動、課堂氣氛活躍、知識獲得感強，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]