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基于项目驱动的混合式教学探索与实践

2021-02-23 336 上传者：管理员

摘要：在《控制工程基础》课程教学中，为了提高学生的自主学习和实践创新能力，本文提出以项目驱动为主线，利用超星泛雅网上教学平台建设“异步SPOC”课程资源。结合工程项目实例，利用MATLAB及LabView软件实现项目驱动式教学，具体包括学生自主学习式、教师引导学习式、翻转课堂讨论式等多种举措相结合。此教学方法充分发挥了学生在教学活动中的主体作用。研究表明该教学方法可以激发学生学习主观能动性，进一步提高学生工程实践能力和团队协作能力。

关键词：
异步SPOC
控制工程基础
教学方法
翻转课堂
项目驱动
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1、引言

“控制工程基础”是机器人工程专业的一门基础必修课，要求掌握自动化应用技术的理论基础，强调理论分析结合工程实际[1]。本课程涉及的知识面较广、概念抽象、公式多且复杂[2]。传统的教学活动以课堂讲授为主，与实际应用脱节，课程知识点难度大，学生学习兴趣不高。教师在授课过程中，如何简化理论推导，化抽象为形象，调动学生积极性，培养学生的自主学习能力和创新实践能力已成为亟待探索与研究的课题。基于问题学习，将项目驱动法应用于本课程的教学，引入学习通和超星泛雅在线教学平台，建设异步SPOC课程资源。学生线上自主学习，线下集中讲解疑难知识点和项目的实现，采用团队式和翻转式相结合的教学方式，不但能使学生易于掌握控制工程基础的基本知识和技能，而且可以提高学生的工程实践能力、团队协作能力和职业技能[3,4]。

2、贯穿式项目教学法

2.1项目驱动式教学法意义

项目驱动式教学法将知识点分解融合到项目中，在指导学生完成项目的过程中，学生掌握相关理论知识点并提高实践技能。该教学法为以学生为中心，能有效提高学生学习自主性、解决问题的能力，充分挖掘学生潜能[5]，有利于培养学生的团队精神、创新思维和实践能力。

控制工程基础课程具有知识点多涉及面广、数学公式和定理推导复杂等特点[6]，学生在学习时不易把握全局和各部分内容之间的关联，理论和实际联系困难。建立一套以项目驱动为主线，实践带动理论、理论指导实践的教学方案，有助于提高学生理解和应用理论知识。结合理论教学内容和项目实施过程，将课程内容分成系统数学模型的建立、系统性能的分析和系统性能的校正三大模块。在每个教学模块中，循序渐进地强化基本理论知识。

2.2贯穿式项目教学的设计

2.2.1教学内容的设计

广东工业大学为应用型本科院校，注重提高学生的实践能力和职业技能。根据教学目标设计课程内容，教学过程重视系统物理意义的理解，淡化数学公式的推导。如控制系统的时域性能指标的计算公式，推导过程复杂且费时费力，教学中可不进行推导演算，直接得出结论。此外，还可借助MATLAB仿真软件，搭建控制系统的数学模型，直接从仿真结果图上读出系统的时域及频域性能指标。对于内容陈旧且工程实际中较少使用的知识点从教学内容中删除，如第四章控制系统的根轨迹分析法，根轨迹的绘制规则多且计算量大，实用价值低。

2.2.2贯穿式项目设计

在项目驱动式教学法中，所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目展开。将工程项目实例分为基本、中级、高级三个环节，采用“应用理论应用”的教学方式，由“问题”引导学生自主学习，使学生掌握控制系统的基本理论。现以“直流伺服电机控制系统”为例，说明贯穿式项目驱动教学法。在这一项目设计过程中，串连《控制工程基础》课程的重要知识点。直流伺服电机控制系统各部分功能模块与课程各个章节知识的关系如图1所示。

图1项目子任务功能模块与课程内容对应

伺服电机控制系统由五个子任务功能模块构成，每个子任务功能模块都对应课程的知识点，整个伺服电机控制系统的设计涵盖了课程全部章节的重点内容。直流伺服电机控制系统从简单的开环控制单闭环控制双闭环控制系统，其层层递进的控制系统关系如图2所示。在每一级别的控制系统中，均穿插时域分析和频域分析。

根据实验室条件和学生基础，还可列出多个典型的控制系统实例，如磁盘驱动器读取系统、电热水壶水温控制系统、水箱水位控制系统等。其他贯穿式项目的实施过程与直流电机伺服控制系统类似。在课程开始前，编制项目驱动大纲和任务书。

图2层层递进的控制系统

3、多元混合式教学过程的设计与实施

3.1教学组织

本课程基于项目任务来组织教学，带着问题学习，最终实现“教、学、做”一体化，从而提高学生的工程实践能力。教学模式采用线上线下混合教学。线上教学，依托学习通（手机端）和超星泛雅（电脑端）线上学习平台，引用河北大学《自动控制原理》在线开放MOOC资源，结合学校的实际情况，对MOOC资源做适当修改形成异步SPOC在线课程。课程内容的开放根据项目进度来进行，线上平台主要完成理论知识的学习。通过线上学习平台的通知、讨论、群聊、抢答等方式发布学习任务、在线答疑等，方便师生互动。线下教学活动的开展主要为了提高工程实践能力和职业技能。教学过程中，借助实验室条件和MATLAB、LabView等仿真软件，真正做到理论应用于实践，提高学生的职业技能。线下教学形式包括知识点讲解、小组讨论、学生汇报、学生实践等环节。

3.2多元混合式教学过程实施

学校机器人工程专业“控制工程基础”课程为48课时。线上自主学习分配24课时，主要进行理论知识点的梳理；线下教学分配24学时，主要进行疑难知识点的解答，控制方案论证并完成项目的实施。线上课程和线下课程穿插进行。按照项目驱动多元混合式教学模式的实施原则，课程的教学过程按时间顺序分为课前、课中、课后三个阶段，各阶段循环进行。各个阶段的教学安排如图3所示。

课程开始前，先进行项目小组的划分，每组3-5名学生。通过学习通平台发布教学任务和项目大纲，学生在小组讨论后，带着问题再进行在线学习，提高学习兴趣，明确学习目标。线上教学小视频的时长一般在10分钟以内。学生可自由选择在线学习时间，也可根据自身的基础和学习能力确定视频播放速度。线上学习过程穿插在线测评，可检查学习效果，测评结果作为线下课堂教学的参考依据。

图3多元混合式教学过程

线下课堂以学生汇报分享、实践操作为主，教师参与点评及总结归纳。课堂教学中，教师采用分段式教学法将教学内容组织起来，以集中学生的注意力。第一阶段是对学生线上自学内容随堂测验中的易错知识点和复杂教学内容的讲解，有针对性地回答学生的问题。在知识点讲解和答疑过程中，可以借助仿真软件和实验室设备等，化抽象为形象。第二阶段组织学生以小组形式对课前布置的项目任务进行分析、讨论并汇报。第三阶段在小组汇报的基础上进行点评，对不合理的控制方案，给出合理的改进意见和建议，并讲解涉及综合理解及实践应用的知识点。第四阶段为项目的实施。此阶段为实践检验环节，学生动手操作，搭建控制系统，分析控制性能，本环节对学生的综合能力要求较高。每次课程，每个阶段分配的时间不尽相同。

课后教师的主要任务包括答疑、讨论互动、作业批改等。个别问题一对一答疑，共性问题可以采用群聊等方式。对某些疑难知识点，教师可在学习通发布相关讨论话题，引起学生的思考，教师应及时回应学生对讨论话题的回复。线上作业的客观题，超星平台可以自行批改作业，教师只需要统计学生的答题得分情况，主观题需要教师批阅，以全面掌握学生的学习情况。学生的项目报告，方案多样化，需花费教师花费较多时间和精力来批阅。

4、过程化考核

项目驱动式多元混合式教学法的检查和评估主要考核以下四个方面的内容。（1）控制系统的理论分析包括数学模型的建立和系统性能分析。主要通过线上SPOC课程学习和测验情况来评价，占总评的20%。（2）控制器的设计。控制系统仿真演示，占总评的30%。（3）系统实现。通过软件编程实现设计的控制算法，并驱动硬件系统实现特定的功能，即控制系统的实物演示，占总评的30%。（4）团队协作、语言表达、报告撰写等方面的能力。通过答辩汇报、小组讨论、项目报告等来进行考核，占20%。考核方式包括生生互评，学生自评、教师评价。过程化考核注重学习的全过程，可以增强学生学习动力，调动学生学习的积极性和自主性，从而促进知识的理解、消化和吸收。

5、教学效果对比

运用控制变量法做对比实验，以基础相当的两个班级为研究对象。对17机器人1班（57人）进行常规课堂教学，18机器人1班（49人）进行项目式混合教学。通过问卷调查和总评成绩来分析教学效果。问卷调查结果显示项目驱动多元混合式教学班级学生的学习兴趣浓厚，学习目标非常明确的比例均在50%以上，而常规教学法的班级这一比例在30%左右。在学习总评成绩方面，项目驱动多元混合式教学班级的优秀率、良好率均高于常规教学班级，不及格率低于常规教学班级。采用项目驱动多元混合式教学的班级在学习兴趣、学习目标、专业技能提升、综合成绩等方面都有较大的提升。

参考文献：

[1]陶洪峰.自动控制原理课程的混合式教学模式探索.大学教育,2019(3):62-64.

[2]杨秦敏,陈积明,曹伟伟,邱祁.课程教学与实际案例相融合的研究与实践-以“自动控制原理”课程为例.工业和信息化教育,2020(3):29-34.

[3]李传江,袁秀平.项目驱动教学在“控制工程基础”课程中的应用.黑龙江教育:高教研究与评估,2018(6):31-32.

[4]王庆凤,谢田雨,谷昱.电子信息工程专业“自动控制原理”课程教学改革探索与实践.教育教学论坛,2016(49):87-88.

[5]杨阳,张浩.以提升大学生创新能力为导向的项目式教学法的实践与探索.江苏科技信息,2020,37(20):47-49.

[6]王庆凤,李箐.基于机器人系统项目驱动的自动控制原理课程教学改革研究.中国现代教育装备,2019(23):30-32.

唐艳凤,朱颖,张亚婉.项目驱动多元混合式教学设计与探索[J].福建电脑,2021,37(02):125-127.