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摘要：控制工程基础课程理论性强，信息量大，涉及力学、数学、电学等方面知识，学生学习和教师教学都存在较大难度。为逐渐提升学生的学习兴趣，并提高控制工程基础的教学质量，本文阐述了课程组近年来所进行的教学模式改革探索与实践情况，对翻转课堂和虚拟现实融入到控制工程基础中的尝试进行了阐述和探讨，并提出了可能提升教学质量的其他辅助教学方法。
关键词：控制工程基础；翻转课堂；虚拟现实；教学改革
Education Mode Reform Discussion of the Foundation of Control Engineering Teaching under New Situation
CHEN Liai,LEI Jing-fa,SUN Hong,ZHANG Shu,WU Yue-bo
(College of Mechanical&Electrical Engineering,Anhui Jianzhu University,Anhui Hefei)
Abstract:The course“the foundation of control engineering”is provided with not only deep theory,but also informative.It involves knowledge such as mechanics,mathematics,electricity and so on,thus there is great difficulty in both students’learning and teachers’teaching.In order to improve the students’interest in learning and the teachers’teaching quality of“the foundation of control engineering”,this paper expounded the exploration and practice of teaching mode reform carried out by curriculum group in recent years.The flipped class mode and virtual reality technology were introduced into the course,and the teaching methods and implementation results were elaborated and discussed.Several other teaching methods which may improve teaching quality were put forward and had been introduced briefly.
Key words:Foundation of control engineering;Flipped class mode;Virtual reality;Teaching reform
一引言
十九大报告指出，中国特色社会主义进入新时代，我国社会主要矛盾是人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。伴随着高等教育在相当长时间里，高等教育发展的重要任务就是要进一步解决好发展不平衡不充分的问题，来满足人民日益增长的对更高质量、更加公平教育的需求。控制工程基础作为电子信息、机械仪表、动力工程等工科专业的专业基础课，阐述了控制的基本概念、基本理论与应用，主要研究系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性和方法，以期建立和揭示系统结构、参数、行为和性能之间确定和定量的关系[1]。目的在于培养学生的控制系统数学模型建立和系统动态性能分析能力，为后续相关课程的学习提供理论基础，而且为学生后续运用控制工程基础的基本原理和思想解决工程实际、甚至上升到方法论的角度影响学生的世界观等，都具有重要的指导意义。但是由于课程性质偏重理论性，传统教材及教学实施中缺少分析与工程应用，导致学生缺乏学习主动性和学习兴趣。因此，提升课堂学习效率、改善学生对该课程学习的主动性和学习兴趣、并引导学生学以致用，以及围绕学校的目标定位对控制工程基础课程的体系结构和教学模式进行改革，是一线教师面对的首要问题。
二教学改革情况
为帮助学生更好的理解课程内容，同时提升学生的动手操作能力，培养符合时代要求的高等人才，本文提出了将翻转课堂的教学理念和虚拟现实技术引入到课堂教学中，同时结合授课方式的改变，积极引导学生参与到教学过程中来，使学生成为课堂的主体。
（一)翻转课堂教学理念
翻转课堂是一种新型的教学模式，其在2012年引入我国后便受到广泛关注[2]，许多学校已经开始尝试翻转课堂的实践尝试[3,4]。翻转课堂的教学理念改变了以往教师讲、学生听，并通过课后训练内化知识的教学模式，转而注重学生通过现代化信息技术的辅助及个人自学提前掌握课堂基本内容和知识点，课堂时间用于师生互动、答疑解惑、扩展问题、探索深度，对于培养学生的创新思维具有积极的作用。
（二)虚拟现实学习理念
以沉浸式、交互性和创造性为基本特征的计算机高级人机交互技术被称为虚拟现实技术[5]，能有效的模拟人在自然环境中的感知，并能通过语言、视觉等方式进行实时地交互，基于虚拟现实的实验模型展现能为学生提供逼真、生动的感知学习资源，使得学习过程充分的形象化，学生由被动接受知识变成虚拟环境中的一名直接参与者[6,7]。结合虚拟现实的学习方式对调动学生学习的积极性、提高学生的学习兴趣、培养学生的实操技能等均能起到积极的促进作用。
三 教学方法的实施
主要介绍基于翻转课堂和虚拟现实的控制工程基础教学设计。
翻转课堂最理想的班级人数为20-30人[8]，借助网络平台例如学习通、精品课程等开展课前学习。授课教师根据教学内容进行教学设计，课前抽取和总结相应重要的知识点，并制作成ppt和微视频，微视频要求简短、精炼，教师直奔主题，语言精炼，长度一般控制为10-20分钟之内，确保学生集中精力在最短的时间内完成知识点的学习，以保证学生学习效果的最大化。在课堂学习前由教师将视频资源、ppt课件及其它辅助学习资料提前上传到网络平台。
翻转课堂的实施分课外和课堂两个环节。在课前的课外环节，学生借助教师上传的微视频和教学课件开展课前学习，并完成相应的练习题加强了解。课堂环节中主要进行授课教师提问、学生小组讨论、师生互动、教师讲解等环节。教师在课堂讲解中，在保证内容系统性和严谨性的前提下，教师的讲授侧重于知识点的证明过程和思路，不必过分追求数学证明定理的严密推理，主要测重呈现知识点间的逻辑关系、知识点的实际应用和与此相关的启发思考题，并对学生自学过程中存在的疑点进行答疑解惑，希望做到学生准确理解基本概念和基本原理的本质，避免学生生搬硬道和死记硬背。
例如：在进行误差分析与计算的教学时，教师首先根据教学大纲要求录制好误差、稳态误差、给定误差及扰动误差的区别及原理的微视频，并于课前提前发放给学生。并将全班同学分成几个小组，分组时考虑学生各自的特点和特长，负责本小组学习的开展和实施。全体同学结合老师提前发放的视频及资料，通过课前自学完成误差的基本概念及闭环系统系统误差的相关原理的学习，并和其他同学讨论遇到的问题。在课堂上由授课教师对学习中遇到的重难点及注意事项进行讲解，并对学生遇到的问题给予指导和反馈，直至该部分学习的完成。
在翻转课堂的实施过程中，部分环节可以引入虚拟现实技术。例如本门课程的实验部分借助过程装备高级实验装置完成，该实验装置可以构成一个二阶控制系统，系统结构图如图所示：
由于该实验设备占地面积较大，设备价值较高，一般院校只能订购少量的台套数进行演示性实验，因此造成实验过程中学生不能亲自操作，对实验原理、实验步骤及结果等理解不够透彻。以上述水箱系统为物理实验模型，基于虚拟现实技术模拟该实验装置，虚拟实验装置中PID调节器、调节阀、液位变送器、涡轮流量计、泵等型号、尺寸、外形等可与实际系统相同，并设置成参数可调的模式，一方面让学生了解上述器件的工作原理和工作方式，同时可从系统的角度对设备参数进行调节，使学生更能身临其境的了解设备特征，并掌握设备参数变化例如阀门开度的变化对系统数学模型，以及对系统时域性能指标的综合影响。该虚拟仿真实验模型可以实现一阶、二阶系统阶跃响应、PID调节及PID参数整定，与之前的教师演示、学生观看的实验方法相比，演示性实验外加虚拟现实的教学方式更能提升教学效果。
同理在课堂教学中经常采用经典的倒立摆系统作为实验对象来阐述和验证各经典控制理论，受实验场地、设备数量的限制，基于虚拟现实技术建立倒立摆仿真模型[9]，学生不仅体检到身临其境的体验到倒立摆的操作及运行方式，而且能有效地验证课程中学习的理论。
四 其他辅助教学手段
（一）适当设置案例法教学
针对控制工程基础的课程特点，选择一个可以贯穿整门课的综合案例，在学习系统数学模型建立、系统时域性能分析和频域分析的过程中，结合该综合案例进行知识点的学习。所选择的综合案例首先贴近所授课的专业，可从学生以后可能的就业方向中提炼而来，同时考虑到学生的接受程度以便能够透彻理解。另外，为拓展学生的知识面，同时增强学生对知识的理解，可根据专业特点补充数个小案例，以达到更好的效果。同时，在条件允许的情况下可以考虑图片、动画和视频等视觉化资源的合理编排和使用，配合可视化的图文视频展示，能够更大程度吸引学生对课程的兴趣，加深对于课程内容的理解。
（二）考虑个性化的学习
个性化学习的思想提倡关注、发掘每一个学生独立的天资，要求教师在日常教学中真正把“以学生为中心”落到实处，以人为本，因材施教。目前网络技术的普及化为个性化学习提供良好的实施环境。授课教师可以充分利用精品课程网站或其它学习软件，对课程进行资源整合，或者自己制作满足学生特点的多媒体课件，建立实时沟通交流的渠道。学生根据自己的特性和爱好，在教师提供的资源库中进行课前学习，自主的控制学习进度，使学习更具个性化特色。
（三）尝试双语教学
为有利于培养学生的国际化视野，实现控制理论课程的国际化对接，课程实施过程中可逐步增加英语授课在课程中的比例或者直接采用英文版教材。或者在控制工程基础的教学中增加课程中英文词汇和知识点的英文表述，同时选择中英文教材的习题配合使用，对于学生整体水平较高的院校可以选择全英文制作的PPT和经典的英文原版教材。
同时根据课程性质的可以研发并应用多种教学手段，并将案例教学法、小组头脑风暴法、演示法、练习法等逐步引入课堂中，从不同的角度运用不同的方法调动学生的课堂积极性，提高学生的参与度，高水平的完成教学目标。
五 目前我们的尝试
安徽建筑大学控制研究组，从近年来开始逐步尝试教学方法的改革，结合教学方式的多样化尝试，逐步由“教师授课，学生听课”的传统授课方式向“教师引导，学生讨论”的开放讨论式的教学方式转变，部分章节实现启发式教学和探讨式教学。在课堂中结合图文并茂的多媒体等先进教学手段以增强课程的趣味性，使学生在课堂的交流讨论中加深对知识的理解，同时也激发了学生对所学知识的兴趣和思考，增强学生的学习主动性。
将翻转课堂和虚拟现实技术引入到课堂教学中，建立了可供学生随时查阅的精品课程网站和录制了部分关键知识点的微视频。学生可在教师授权下登录课程网址,共享所有教学资源,其中包括:教学大纲、课程讲义、课件、教学日历、课程实验安排、评分要求等，并利用现代化的通讯渠道进行优秀作品分享学习以及在线指导。尤其实验部分由于试验台套数的限制同时为保证授课质量，目前已经完成实验部分所有指导视频的录制并应用于实际教学中，大幅度地提升了教学进度和教学质量。
六 结论
控制工程基础课程教学效果的提升任重道远，需要结合学生的接受能力、知识基础综合选择，进行多方面的尝试，逐渐完善课程网络平台，重要知识点全部录制微视频，加强学生自学环节的学习效果。进一步提升基于虚拟现实技术的教学环节的覆盖面，弥补设备台套数的不足；积极探索新的教学模式和教学方法，进一步提升课堂的教学质量。
参考文献
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[8]李中凯,侯昆峰,张慧琴.控制工程基础的翻转课堂双语教学改革实践[J].教育教学论坛,2016(50):83-84.
[9]张镭,汤乐,茹斐斐.基于虚拟现实技术的控制理论课程教学方法研究[J].新乡学院学报,2013(2):155-157.
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