PBL和混合式协同学习模式下的《计算机控制技术》课程改革研究

丁嘉 王华丰

摘要：PBL教学法是基于现实世界的、以学生为中心的教育方式，它将课程学习与更大的任务或问题挂钩，把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过教师引导、学生参与来逐步解決问题，从而学习隐含在问题背后的课程知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。作者将建构主义理论与PBL融合，在混合式协同学习模式下对课程知识体系和实践教学体系进行了重构，提出完整教学方案。通过教学实践证明，该方案对提高学生教学效果有一定价值。

关键词：计算机控制技术;混合式协同学习模式;PBL

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2019）01-0132-02

1 引言

21世纪以来，新一代信息技术与传统生产加速融合，大数据、人工智能和网络技术已经深度融入工农业和社会服务业中，计算机系统得到了各行业前所未有的重视。

《计算机控制技术》课程是大多数高校自动化、电气工程等专业普遍开设的一门专业课。该课程要求学生在掌握计算机控制系统组成和基本原理的基础上，将系统分析、设计方法运用于过程控制或运动控制的实际场景中去。该课程理论性和工程性均很突出，内容抽象，教学信息量大，对教师的综合能力、对学生的系统思维和软硬件应用能力提出了很高要求。受制于学时和专业经验不足等因素，传统教学模式下，学生很难全面掌握课程主要内容，在面对实际问题时学生经常感觉无从下手，难以综合运用知识去分析问题和解决问题，最终影响了课程教学目标和人才培养目标的达成，对学生后期职业发展也造成一定的损害。

课程组在多年企业相关项目实践、毕业生调研的基础上，以专业人才培养计划为目标，结合专业综合能力测评的要求，考虑以建构主义理论为基础，以问题为导向（Problem-Based Learning，以下简称“PBL”）的教学法组织课程教学内容，以期改变课程教学困境，提高教学质量。

2 理论基础

PBL教学法是基于现实世界的、以学生为中心的教育方式，它将课程学习与更大的任务或问题挂钩，把学习设置到复杂的、有意义的问题情景中，通过教师引导、学生参与来逐步解决问题，从而学习隐含在问题背后的课程知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力。

所谓协同学习模式是指在学习中通过小组内部协作发挥集体协同效应，通过小组互相竞争发挥群体聚合动力，高效率地实现教学目标。

对于计算机控制系统而言，由于其涉及专业领域宽广，在工程实践中通常采用多人协同工作方式。同时学生未来系统工程实践其实就是在不断地发现问题、分析问题和解决问题。而在教学中使用PBL教学法和协同学习模式，等于将学生未来的工作模式提前到大学中进行，这对于帮助学生建构问题分析和处理方法，进而提升相关工程能力都具有积极意义[1]。

3 理论教学改革

《计算机控制技术》是一门典型的理论与实践相结合的课程，它包含理论和实践两大组成部分。在理论教学中，我们的改革按以下步骤展开：

（1）明确课程定位。对于应用型本科而言，课程应以解决在计算机控制系统设计和应用过程中遇到的问题为教学目标，在保持一定理论深度的基础上突出工程实践性。根据专业人才培养计划和生源素质，选择合适的理论深度，协调控制理论教学与工程实践训练的关系[2]。

（2）知识矩阵的重构。传统的《计算机控制技术》课程涉及较广，从理论到实践，从硬件到软件，从课堂到工程现场无所不包，与其他专业课程也多有交集。而其他课程的老师通常都是按各自教学大纲讲授，这样就很容易造成某些知识点会在不同课程中被反复提及，重复率较高，影响了教学效率。为此在教学前，课程组与先修课程、并行课程的诸位教师进行了充分沟通和协调，重构了课程知识体系，使相关课程之间形成统一的知识和能力培训链条，知识能力培养层层递进，教学更为有序，效率大幅度提高。同时知识体系的重构有助于教师重新审视课程的知识点，并将工程实践上的新方法、新器件和新思路融入教学中，使教学内容与现场应用更加贴近。

课程的教学重点应集中在输入输出通道硬件设计、控制算法分析和获取、控制系统相关配套技术（含程序设计、抗干扰设计、网络技术）三部分，在这些内容上教师需要对教学内容进行精心组织，并安排足够的教学资源。

（3）教学方法改革。传统的《计算机控制技术》采用理论讲授的教学方法，这种方法让老师能轻易控制教学进度，教学信息量大，传授效率较高，但大部分学生很难跟上教师的节奏，积极性难以提高，学习效果较差。为改善课堂教学情况，可以从以下方面进行改革：

首先，改革教学手段，将现代化的教学技术和工程技术应用课堂教学。主要内容包括以多媒体方式呈现教学内容，设立网络学习平台，在教学中使用电子商务平台展示控制系统中的各种部件，用视频展示动作和控制效果等等。这样直观的学习可以提高学生的感性认识，使教学更加生动有趣，提高教学吸引力。

其次，以问题导向展开教学。该教学法分成两个层次，在课程整体上可以设置一到两个有代表性的项目贯穿整个教学过程，而在具体讲次中可以某一技术节点为目标展开教学。比如电机转速测量与控制项目，在输入输出通道模块教学时可以安排学生学习光电或者霍尔传感器使用，组建合适电路将转速信号引出并完成信号调理;在程序控制模块可以安排工业用电机调速模块的学习和使用;在应用程序设计与实现技术模块中实现对信号的测量和计算;而转速控制算法可以使用PID控制，结合仿真和实测完善调速算法。这样的教学安排有助于学生建立系统概念，体验系统模块化设计和调试过程，提高系统分析和问题解决能力，积累设计和调试经验。

4 实践体系改革

《计算机控制技术》在很多院校中通常都安排有实践环节，但现有的实验多为验证性实验，以插线为主，学生实质工作量较小，同时对于获得的曲线以及获取方法大多处于似懂非懂的状态。很多实验设备过分强调教学便利性，与工程现场脱节严重。为提高学生的实践能力，我们对实践体系进行了改革，主要改革内容如下：

1）调整和充实实验内容。实验内容与理论课紧密协同，以问题为导向的教学法开展相关技术实驗。比如数字量输入通道设计就是以电机转速测量系统的需要为目标展开的。同时对每个实验进行审视和测算，在实验内设置多个实验模块，加大课内教学的有效性。同时加大自制实验器具的工作，使得实验开展更加顺利。

2）以虚实结合方式开展控制类和设计性实验。有些控制类实验与控制对象关联极大，这类项目适合用实物方式实现。对于仿真与实际偏差不大的实验，可以增大虚拟实验的比重，让学生借助Matlab和电路仿真设计软件进行模拟和仿真[3]。

3）适当压缩验证性实验项目，提高综合性、设计性实践比例，建立个性化的调试任务。

改革后的实验项目分项表如表1所示。

模块1：过程控制对象PID控制实验;

模块2：常规PID及专家型PID算法matlab仿真实验。 5 应用程序设计与实现技术 电机转速测量与简单PWM控制实验 模块1：电机转速测量和显示实验（结合程序设计）;

模块2：电机转速的简单PWM控制 6 抗干扰技术

总线技术和嵌入式技术 转速处理与数据传输实验 模块1：转速数据的数字滤波和标度变换实验;

模块2：利用CAN总线模块，实现转速数据传输。 ]

5 其他改革

1）微信、蓝墨云班课等网络平台的使用

现在很多学生的学习时间较为破碎，在教学中我们将微信与课程学习相结合，向学生推荐多个优秀公众号，及时向学生推送一些有用的专业知识。另外，课程签到、部分讨论和作业也开始转入网络化，即学生在网络平台上领受任务，完成后利用网络方式提交作业。教师批改作业后还可以评论形式与学生进行一对一的沟通。

2）考核方式改革

为检验学生学习情况，我们对《计算机控制技术》考核方式进行了一定变革。从传统的卷面考核转向多渠道多方位考核方式。现有考核内容包括平时成绩和期末卷面成绩两部分。其中平时成绩除了出勤和课堂表现外，还增加了实验表现（含设计性项目）和网络课程参与内容。期末试卷中除了考察常规知识点外，还留出20分左右用于考查学生对实际系统的设计和分析能力。

6 小结

通过几轮的教学实践，《计算机控制技术》理论教学内容和实践教学都得到了改进，各项改革内容和教学方式也逐步稳定下来，近两年的学生评教均在91.5分以上，学生也将部分课程内容引用于学科竞赛和毕业设计中且取得了良好成效。但我们也要看到现在计算机控制系统工程现场的技术应用还在不断迭代改进，新技术新产品新方案不断涌现，这就对任课教师提出了很高的要求，需要不断学习并思考将这些新事物引入教学，进一步缩短课程与工程实践的距离，提高教学效果。

参考文献：

[1] 丁嘉. 基于翻转课堂的模拟电子技术教学改革与实践[J].高教学刊，2016[20]：149-150.

[2] 丁健，孙强，干开峰.工程教育专业认证下的计算机控制技术课程改革与实践[J].合肥学院学报，2016（1）：135-138.

[3] 张向锋，文传博.以应用型人才培养的计算机控制技术课程教学改革[J].教育教学论坛，2016，9（38）：93-94.