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摘要：面向国家教育部的新工科建设和课堂革命与创新要求，为了培养出符合新时代要求的综合素质高、应用能力强的创新性人才，文章以自动化专业控制理论体系课程为研究对象，设计了多层次教学目标，利用MOOC和SOPC的混合线上模式，结合线下翻转课堂和智慧课堂等线下实体课堂和互动工具模式进行了课堂改革和创新。控制理论体系课程的课堂革命与创新的目标是培养和提高自动化专业学生的综合素质和科研创新思考方法，让学生成为具有国际视野的新一代工科大学生。
关键词：控制理论体系；课堂革命；教学创新；MOOC；SOPC
本文引用格式：罗敏，等.控制理论体系课程的课堂革命与教学创新[J].教育现代化,2020,7(44):56-59.
Class Revolution and Teaching Innovation of the Control Theoretical System Curriculum
LUO Min，ZHANG Pei-zhi，LU Jin-bo
(School of Electrical Engineering and Information of Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan)
Abstract:For new engineering construction of the Ministry of Education,class revolution and innovation requirements,and meeting the requirements of cultivating the new age innovative talents with high comprehensive quality,strong application ability,this paper takes the automation major control theory course series as the research object,designs the multi-level teaching target,uses a mixture online mode of MOOC and SOPC,combined with offline flip classroom,wisdom of offline entity class,and interaction class tool model to carry out class reform and innovation.The goal of the classroom revolution and innovation in the control theory course series is to train and improve the overall quality and innovative thinking methods of the students majoring in automation,so that the students can become a new generation of engineering college students with international vision.
Key words:Control theory course series；Class revolution；Teaching innovation；MOOC；SOPC
一 引言
现今科技日新月异，工科高等教育需要培养更多解决问题和应用动手能力强、综合素质高的高级专业人才。而传统的工科课堂的目的志在培育学生掌握牢固的专业基础知识，具备专业的基础素养和一般工程应用能力。课堂是工科专业教学活动的场地，是新工科人才培育的基石。新工科的课堂革命与教学创新，要让课堂的教学具有高阶性、创新性和挑战性，在课堂应用实践中锻造新工科学生的综合素质。让每一个学生都发自内心地学习、让每一个人都成为内心幸福与宁静的人，这是新时代新工科大学创新教学理论的根本追求。不同于传统教学以书本知识逻辑为中心，新工科大学创新教学以学生个体逻辑为中心，课堂教学的主要目标是通过知识学习增强学生学习的获得感，把师生交往与学生发展看作衡量教学质量高低的根本指标，从而使学生的主体性得到尊重，使学生身心自由成长。大学的这些人才培养目标最终都应该落实到教学过程中[1]。
控制理论是以控制为核心的系统学科。控制理论体系课程包括《自动控制原理》《现代控制论》《控制系统仿真》等一系列控制类课程。其先修课程包括《高等数学》《复变函数》《线性代数》《电路原理》《信号与系统》等课程，后续课程为《过程控制》《计算机控制技术》《模糊控制》《智能控制》《自动化检测与仪表》等相关课程。
控制理论体系课程内容较多，概念抽象，对数学基础要求较高。该体系课程具有知识系统较为紧密、计算性强、作图方法多、涉及的数学基础知识较多、多学科交叉、理论性和实践性并重、技术手段更新快等教学困难和特点。控制理论作为一门工程科学，需要理解、发明、设计和维护人造工程系统。教学时的一个主要挑战是引导学生学习那些有助于有效理解和设计复杂物理系统的原理。新工科背景下的控制体系课程改革应培养能够解决从概念设计到实施和调试整个环节的学生。由于控制、通信和计算的融合，学生还需要在这些领域以及数学的广泛领域内具备知识。同时，控制理论体系课程作为自动化专业的核心基础课和专业课，对于培养自动化专业学生的专业创新能力和专业基础具有重要的地位和意义。
二控制理论体系课程教学设计改革
控制理论体系课程就课程内容上来说具有紧密的联系性，为了提高教学质量，培养符合新工科需求的创新型人才，需要对《自动控制原理》《现代控制论》《控制系统仿真》三门课程内容进行统一规划、科学安排、调整课程单元内容并适当增加新内容和新成果，改变以往课程体系分散独立的教学模式，理顺控制理论知识体系。
（一）突破教材的教学内容设计
在传统的控制理论体系课程教学中，《自动控制原理》《现代控制论》《控制系统仿真》三门课程分开教学，每门课程均以课程教材为核心，基于教学大纲，进行教学活动。而在新的高等教育中，需要工科教师以专业基础知识教育和学生的专业素养、实践应用能力和创新创业精神为主要教学目标，所以工科教材只能作为教学的主要参考资料，在选取时应注重基础性、专业性、探索性和创新性。并且选用各种所需的教学参考资料，如参考书、教辅材料、视频资料、教学资源网站、专业网站和论坛、专业最新论文和产品等，拓展学生的视野、扩大知识面、培养综合运用多种资源进行自学和在教师指导下学习的能力[2]。
在用好教材的基础上，拓展与课程内容相关的各种最新专业文献资料与最新发展动态，鼓励工科学生开展实践和探究学习，使学习不仅仅立足于一本教材的知识面，同时锻造学生的动手和实际解决问题的能力，适度引导学生进入探究思考专业前沿问题，发展科研创新能力[3-5]。
应该让教辅资料、网络教学资源、专业学术著作、最新的期刊论文等进入新工科的课堂，让高校重点实验室和创新创业中心的研究成果、大学教师的最新科研教学成果和研究方法进入高校课堂，扩展高等教育课堂知识容量、丰富高等教育课堂知识的内涵和外延。
（二）课程知识体系的重新设计
在传统的控制理论体系课程教学中，三门课程分开独立地讨论了每门课程各自的发展史、数学建模、控制系统分析方法和控制系统设计方法这四大知识块单元。由于学生学习的时候在不同的学期，由不同的教师分开教学，使得学生对控制论的这几大知识块单元不能形成系统的整体性知识体系和框架[1,2]。
可以按照“控制理论发展史——数学建模——控制系统分析方法——控制系统设计方法”四大教学知识单元，结合案例、应用和最新发展对《自动控制原理》《现代控制论》《控制系统仿真》三门课程进行整合和重新组织教学内容。控制理论体系课程知识单元块层次图如下图1所示。
按照新的知识体系教学，可以在每个独立的知识单元，完整地讨论发展史、基础知识点、经典和现代控制论的相同点与不同点、线性与非线性控制论的异同、连续与离散控制论的对比、MATLAB案例与分析、最新技术发展、实验室创新成果、教师教学科研创新成果与方法等。也可以更好地让学生理解单输入单输出系统、多输入多输出系统、非线性系统、复杂系统和几何分析法。有助于学生较好地理解各种控制论的异同，牢固掌握控制理论的基础知识和实践操作技术方法和建立完整的知识理论体系架构。通过丰富的案例和最新成果的接触学习，培养和提高学生的专业素养、科研创新思考方法和实践应用能力，塑造有国际化资质的新时代大学生。
三 课堂教学模式改革
（一）设计多层次教学目标
在课程备课阶段，教师应重新梳理教学大纲，对教学目标进行分层设计，可将其分为多个层次的教学目标。把课程知识体系中只需要了解、背记、初步理解等任务的知识点作为第一层次的知识点，让学生线上自学即可；课程的重要知识点单元设计为第二层次的知识点，通过线上MOOC（大规模在线课程、线上金课）和线下混合教学模式进行充分讨论和学习；课程中仅需要计算练习的知识点为第三层次的知识点，通过线上SOPC（小规模专属在线课程、教师针对性录制的课程）的多个例题的视频讲解；课程知识体系中需要深入探究和实践性的知识单元为第四层次的知识点，可通过线上MOOC金课，结合SOPC的案例分析和设计应用，再加上线下的探究式学习项目进行学习；课程体系中具有创新性和最前沿和复杂度最高的知识单元作为第五层次的知识，可以通过线上SOPC进行可选式、挑战性练习，并进行线上线下互动辅导。多层次教学目标体系结构图如下图2所示。
通过不同知识层次的划分和对学生的不同要求，鼓励学生掌握更多层次的知识点，引导学生对SOPC网络提供的各种辅助资源等进行自发性地课前预习和探索活动，提高专业应用能力。
在课堂中设计小测验，考察学生对课程重要知识点和低层次教学目标的学习效果，采取针对性的教学手段解决测验中反映出来的问题，及时调整相应的教学环节和内容，改进教学质量和效果。课堂活动主要应针对第二层次和第四层次的教学目标而设计。在课堂组织时，教师根据相应教学目标，灵活运用多种课堂教学模式，如采取基于案例的教学、启发式教学、互助式教学等来达到较好的教学效果。
（二）课堂教学模式改革
新工科高等教育教师教学应立足于应用创新能力和素质培养，鼓励学生自主学习，所以需要借用智慧课堂等新技术手段，进行课堂教学组织模式创新，加强学生的团队配合和主动参与的积极性。
采用MOOC和SOPC混合的线上模式，结合线下翻转课堂和智慧课堂等线下实体课堂和互动工具模式的整合。可以通过学生注册线上网站，访问MOOC金课的资源和SOPC网络资源进行线上预习和复习。线下利用翻转课堂和智慧课堂设计引导学生进行自主式和探究式的学习[3,4]。
运用不同的课堂教学模式的整合，结合丰富多彩的教学案例、探究式教学法、线上线下混合教学模式等不同的教学组织模式，提高学生在一门课程中接受到知识容量、扩展学生的国际视野、增强学生的运用各种技术手段和基础知识解决实际问题的能力、培养和加强学生的综合素质和创新能力，增强课程涉及到的知识的深度、广度，增大课程的难度和挑战性。
四改革课程评价方法
（一）过程动态性评价方式
基于最新的智慧课堂和大数据平台，可以对高校课堂进行全过程的学习数据跟踪、实时记录和综合分析，构建出实时动态课堂学习诊断与评价的智能化评价系统。学习评价从传统的主要针对期末考试试卷成绩的面向结果性的学习评价方法，向智能式、实时跟踪式、动态结果记录式的中间过程性评价方法转变。教学的学习评价与课堂教学整合，构成一种新的智能化评价体系。
通过线上和线下的诊断和评价体系融合，增加了教师和学生的互动时间和空间，通过过程性评价的及时信息反馈，可以让教师适时调整教学策略，并进行个性化教学服务。针对学有余力的同学，在线上设计更有挑战性和更深入的专业知识辅导单元；针对学习较差的同学增加重要知识点的辅导单元。
（二）非标准化试题设计
与传统学习评价方法相比，基于过程的动态评价方法可体现出学生在知识、能力、素质等方面的综合能力，考察学生是否具有分析解决专业复杂问题的能力和专业思维。
所以学习评价方法不应注重只让学生记住教科书式的标准答案，而应注重对学生能力和思维的综合拓展性训练。标准化的唯一答案的试题已经不适应现在的教学需求。需要教师设计非标准化答案的试题，采用更开放的模式，鼓励学生积极思考、努力创新能力。
高等教育的专业课程设计要有一定的难度和挑战性，要有足够的区分度。既能保障具有一般能力的学生掌握好课程的专业技能和基础知识，也需要给出足够的思考空间和难度给学有余力的学生去挑战学习更高阶、综合、复杂和具有前沿性的知识和技术。高校试题设计上应当允许学生在课程多个可能方向的发展，试题可以设计一些选做题，以提供给学生不同的发展和探索空间。
五 结语
新工科大学创新教学的四个原则是：民主化原则、延展性原则、探究性原则及参与性原则，简称“DEEP”原则。新工科大学创新教学四原则的隐层含义是现代新工科大学创新教学必须引领学生开展“深度学习”。新工科大学创新教学的四个基本原理是：知识建构性原理、能力实践性原理、创新挑战性原理及评价过程性原理。新工科大学创新教学的四个基本原理是在实践中更好地推进新工科大学创新教学的理论基石。“自动化专业控制理论体系课程课堂革命与教学创新”研究的架构和设计都是基于对新工科大学创新的四原则和四基本原理的剖析和研讨基础上开展的[6]。
2017年9月，教育部党组书记、部长陈宝生在《人民日报》发文：“坚持内涵发展，加快教育由量的增长向质的提升转变。把质量作为教育的生命线，坚持回归常识、回归本分、回归初心、回归梦想。深化基础教育人才培养模式改革，掀起‘课堂革命’，努力培养学生的创新精神和实践能力”。课堂是教育发展的关键环节，只有抓稳、抓好课堂这个核心环节，教育创新才能真正着地。因此陈宝生部长吹响了课堂革命和创新的号角。教师是学生学会学习方法的传授者，是学生破解知识难题和人生困惑的点拨者，是课堂教学资源的整合者，是学生学习的服务者。学习必须变成学生自己的事情。我们作为新工科大学教育的践行者，应该把这些新工科大学教育改革创新的原则、理论和希望脚踏实地的去实践和落实。
在高校，专业课程的教学是向工科学生学习专业知识的重要环节。在国家教育部对高校新工科建设和课堂革命的工科人才培养要求背景下，每门工科课程都应该按照新工科建设和课堂革命的指导思想进行课程体系优化与改革，以适应国家社会对高校工科人才的新需求。
参考文献
[1]董明，黄民德.“自动控制原理”课程教学改革与创新实践[J].中国电力教育，2010，181.
[2]涂继亮,邓洪峰,贾杰.基于创新人才培养全过程的自动控制原理课程教学体系研究与实践[J].南昌航空大学学报(社会科学版),2018,20(02):97-104.
[3]仇芝,赖欣,胡洁.基于创新思维培养的“信号与系统分析”课程教学模式与实验[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2019(03):19-22.
[4]段学超,崔传贞,千博,等.中法融合、面向新工科建设的自动控制理论课程体系优化[J].科教导刊(下旬),2018(06):102-103.
[5]陈红兵.自动化专业控制类课程教学内容优化的探讨[J].襄樊学院学报,2009,30(08):67-69.
[6]张培志,罗敏,青小渠.《电气控制与可编程序控制器》课程综合教学改革与实践[J].教育教学论坛,2015(39):103-105.
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