項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)多元混合式教學(xué)設(shè)計(jì)研究

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摘要:在《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，為了提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，本文提出以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線，利用超星泛雅網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)建設(shè)“異步SPOC”課程資源。結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)例，利用MATLAB及LabView軟件實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，具體包括學(xué)生自主學(xué)習(xí)式、教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)式、翻轉(zhuǎn)課堂討論式等多種舉措相結(jié)合。此教學(xué)方法充分發(fā)揮了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體作用。研究表明該教學(xué)方法可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，進(jìn)一步提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞:控制工程基礎(chǔ)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；異步SPOC；翻轉(zhuǎn)課堂

1引言

“控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)器人工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課，要求掌握自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)理論分析結(jié)合工程實(shí)際[1]。本課程涉及的知識(shí)面較廣、概念抽象、公式多且復(fù)雜[2]。傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)以課堂講授為主，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，課程知識(shí)點(diǎn)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。教師在授課過(guò)程中，如何簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，化抽象為形象，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力已成為亟待探索與研究的課題。基于問(wèn)題學(xué)習(xí)，將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法應(yīng)用于本課程的教學(xué)，引入學(xué)習(xí)通和超星泛雅在線教學(xué)平臺(tái)，建設(shè)異步SPOC課程資源。學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)，線下集中講解疑難知識(shí)點(diǎn)和項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，采用團(tuán)隊(duì)式和翻轉(zhuǎn)式相結(jié)合的教學(xué)方式，不但能使學(xué)生易于掌握控制工程基礎(chǔ)的基本知識(shí)和技能，而且可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和職業(yè)技能[3-4]。

2貫穿式項(xiàng)目教學(xué)法

2.1項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法意義。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法將知識(shí)點(diǎn)分解融合到項(xiàng)目中，在指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目的過(guò)程中，學(xué)生掌握相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)并提高實(shí)踐技能。該教學(xué)法為以學(xué)生為中心，能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、解決問(wèn)題的能力，充分挖掘?qū)W生潛能[5]，有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神、創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。控制工程基礎(chǔ)課程具有知識(shí)點(diǎn)多涉及面廣、數(shù)學(xué)公式和定理推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn)[6]，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)不易把握全局和各部分內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，理論和實(shí)際聯(lián)系困難。建立一套以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線，實(shí)踐帶動(dòng)理論、理論指導(dǎo)實(shí)踐的教學(xué)方案，有助于提高學(xué)生理解和應(yīng)用理論知識(shí)。結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程，將課程內(nèi)容分成系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)性能的分析和系統(tǒng)性能的校正三大模塊。在每個(gè)教學(xué)模塊中，循序漸進(jìn)地強(qiáng)化基本理論知識(shí)。2.2貫穿式項(xiàng)目教學(xué)的設(shè)計(jì)2.2.1教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。廣東工業(yè)大學(xué)為應(yīng)用型本科院校，注重提高學(xué)生的實(shí)踐能力和職業(yè)技能。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程重視系統(tǒng)物理意義的理解，淡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。如控制系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的計(jì)算公式，推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，教學(xué)中可不進(jìn)行推導(dǎo)演算，直接得出結(jié)論。此外，還可借助MATLAB仿真軟件，搭建控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，直接從仿真結(jié)果圖上讀出系統(tǒng)的時(shí)域及頻域性能指標(biāo)。對(duì)于內(nèi)容陳舊且工程實(shí)際中較少使用的知識(shí)點(diǎn)從教學(xué)內(nèi)容中刪除，如第四章控制系統(tǒng)的根軌跡分析法，根軌跡的繪制規(guī)則多且計(jì)算量大，實(shí)用價(jià)值低。2.2.2貫穿式項(xiàng)目設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法中，所有需要學(xué)習(xí)和掌握的專業(yè)知識(shí)都圍繞項(xiàng)目展開(kāi)。將工程項(xiàng)目實(shí)例分為基本、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)環(huán)節(jié)，采用“應(yīng)用理論應(yīng)用”的教學(xué)方式，由“問(wèn)題”引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的基本理論。現(xiàn)以“直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)”為例，說(shuō)明貫穿式項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。在這一項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，串連《控制工程基礎(chǔ)》課程的重要知識(shí)點(diǎn)。直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)各部分功能模塊與課程各個(gè)章節(jié)知識(shí)的關(guān)系如圖1所示。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)由五個(gè)子任務(wù)功能模塊構(gòu)成，每個(gè)子任務(wù)功能模塊都對(duì)應(yīng)課程的知識(shí)點(diǎn)，整個(gè)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涵蓋了課程全部章節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容。直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制單閉環(huán)控制雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其層層遞進(jìn)的控制系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。在每一級(jí)別的控制系統(tǒng)中，均穿插時(shí)域分析和頻域分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和學(xué)生基礎(chǔ)，還可列出多個(gè)典型的控制系統(tǒng)實(shí)例，如磁盤驅(qū)動(dòng)器讀取系統(tǒng)、電熱水壺水溫控制系統(tǒng)、水箱水位控制系統(tǒng)等。其他貫穿式項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程與直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)類似。在課程開(kāi)始前，編制項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)大綱和任務(wù)書。

3多元混合式教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1教學(xué)組織。本課程基于項(xiàng)目任務(wù)來(lái)組織教學(xué)，帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化，從而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。教學(xué)模式采用線上線下混合教學(xué)。線上教學(xué)，依托學(xué)習(xí)通（手機(jī)端）和超星泛雅（電腦端）線上學(xué)習(xí)平臺(tái)，引用河北大學(xué)《自動(dòng)控制原理》在線開(kāi)放MOOC資源，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，對(duì)MOOC資源做適當(dāng)修改形成異步SPOC在線課程。課程內(nèi)容的開(kāi)放根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度來(lái)進(jìn)行，線上平臺(tái)主要完成理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過(guò)線上學(xué)習(xí)平臺(tái)的通知、討論、群聊、搶答等方式學(xué)習(xí)任務(wù)、在線答疑等，方便師生互動(dòng)。線下教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展主要為了提高工程實(shí)踐能力和職業(yè)技能。教學(xué)過(guò)程中，借助實(shí)驗(yàn)室條件和MATLAB、LabView等仿真軟件，真正做到理論應(yīng)用于實(shí)踐，提高學(xué)生的職業(yè)技能。線下教學(xué)形式包括知識(shí)點(diǎn)講解、小組討論、學(xué)生匯報(bào)、學(xué)生實(shí)踐等環(huán)節(jié)。3.2多元混合式教學(xué)過(guò)程實(shí)施。學(xué)校機(jī)器人工程專業(yè)“控制工程基礎(chǔ)”課程為48課時(shí)。線上自主學(xué)習(xí)分配24課時(shí)，主要進(jìn)行理論知識(shí)點(diǎn)的梳理；線下教學(xué)分配24學(xué)時(shí)，主要進(jìn)行疑難知識(shí)點(diǎn)的解答，控制方案論證并完成項(xiàng)目的實(shí)施。線上課程和線下課程穿插進(jìn)行。按照項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)多元混合式教學(xué)模式的實(shí)施原則，課程的教學(xué)過(guò)程按時(shí)間順序分為課前、課中、課后三個(gè)階段，各階段循環(huán)進(jìn)行。各個(gè)階段的教學(xué)安排如圖3所示。課程開(kāi)始前，先進(jìn)行項(xiàng)目小組的劃分，每組3-5名學(xué)生。通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)教學(xué)任務(wù)和項(xiàng)目大綱，學(xué)生在小組討論后，帶著問(wèn)題再進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。線上教學(xué)小視頻的時(shí)長(zhǎng)一般在10分鐘以內(nèi)。學(xué)生可自由選擇在線學(xué)習(xí)時(shí)間，也可根據(jù)自身的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力確定視頻播放速度。線上學(xué)習(xí)過(guò)程穿插在線測(cè)評(píng)，可檢查學(xué)習(xí)效果，測(cè)評(píng)結(jié)果作為線下課堂教學(xué)的參考依據(jù)。線下課堂以學(xué)生匯報(bào)分享、實(shí)踐操作為主，教師參與點(diǎn)評(píng)及總結(jié)歸納。課堂教學(xué)中，教師采用分段式教學(xué)法將教學(xué)內(nèi)容組織起來(lái)，以集中學(xué)生的注意力。第一階段是對(duì)學(xué)生線上自學(xué)內(nèi)容隨堂測(cè)驗(yàn)中的易錯(cuò)知識(shí)點(diǎn)和復(fù)雜教學(xué)內(nèi)容的講解，有針對(duì)性地回答學(xué)生的問(wèn)題。在知識(shí)點(diǎn)講解和答疑過(guò)程中，可以借助仿真軟件和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備等，化抽象為形象。第二階段組織學(xué)生以小組形式對(duì)課前布置的項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分析、討論并匯報(bào)。第三階段在小組匯報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)不合理的控制方案，給出合理的改進(jìn)意見(jiàn)和建議，并講解涉及綜合理解及實(shí)踐應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)。第四階段為項(xiàng)目的實(shí)施。此階段為實(shí)踐檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生動(dòng)手操作，搭建控制系統(tǒng)，分析控制性能，本環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高。每次課程，每個(gè)階段分配的時(shí)間不盡相同。課后教師的主要任務(wù)包括答疑、討論互動(dòng)、作業(yè)批改等。個(gè)別問(wèn)題一對(duì)一答疑，共性問(wèn)題可以采用群聊等方式。對(duì)某些疑難知識(shí)點(diǎn)，教師可在學(xué)習(xí)通相關(guān)討論話題，引起學(xué)生的思考，教師應(yīng)及時(shí)回應(yīng)學(xué)生對(duì)討論話題的回復(fù)。線上作業(yè)的客觀題，超星平臺(tái)可以自行批改作業(yè)，教師只需要統(tǒng)計(jì)學(xué)生的答題得分情況，主觀題需要教師批閱，以全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)生的項(xiàng)目報(bào)告，方案多樣化，需花費(fèi)教師花費(fèi)較多時(shí)間和精力來(lái)批閱。

4過(guò)程化考核

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式多元混合式教學(xué)法的檢查和評(píng)估主要考核以下四個(gè)方面的內(nèi)容。（1）控制系統(tǒng)的理論分析包括數(shù)學(xué)模型的建立和系統(tǒng)性能分析。主要通過(guò)線上SPOC課程學(xué)習(xí)和測(cè)驗(yàn)情況來(lái)評(píng)價(jià)，占總評(píng)的20%。（2）控制器的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)仿真演示，占總評(píng)的30%。（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制算法，并驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定的功能，即控制系統(tǒng)的實(shí)物演示，占總評(píng)的30%。（4）團(tuán)隊(duì)協(xié)作、語(yǔ)言表達(dá)、報(bào)告撰寫等方面的能力。通過(guò)答辯匯報(bào)、小組討論、項(xiàng)目報(bào)告等來(lái)進(jìn)行考核，占20%。考核方式包括生生互評(píng)，學(xué)生自評(píng)、教師評(píng)價(jià)。過(guò)程化考核注重學(xué)習(xí)的全過(guò)程，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，從而促進(jìn)知識(shí)的理解、消化和吸收。

5教學(xué)效果對(duì)比

運(yùn)用控制變量法做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以基礎(chǔ)相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)班級(jí)為研究對(duì)象。對(duì)17機(jī)器人1班（57人）進(jìn)行常規(guī)課堂教學(xué)，18機(jī)器人1班（49人）進(jìn)行項(xiàng)目式混合教學(xué)。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查和總評(píng)成績(jī)來(lái)分析教學(xué)效果。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)多元混合式教學(xué)班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)目標(biāo)非常明確的比例均在50%以上，而常規(guī)教學(xué)法的班級(jí)這一比例在30%左右。在學(xué)成績(jī)方面，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)多元混合式教學(xué)班級(jí)的優(yōu)秀率、良好率均高于常規(guī)教學(xué)班級(jí)，不及格率低于常規(guī)教學(xué)班級(jí)。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)多元混合式教學(xué)的班級(jí)在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)目標(biāo)、專業(yè)技能提升、綜合成績(jī)等方面都有較大的提升。

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作者:唐艷鳳 朱穎 張亞婉 單位:廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院