多階群優(yōu)進化式教學方法在《自動控制原理》課程中的運用研究

廖志強

（廣東海洋大學 船舶與海運學院，廣東湛江 542088）

新工科概念，不僅要求學生掌握基本的理論知識，同時要求學生具有較強的科技創(chuàng)新能力和工程實踐能力，成長為高素質(zhì)綜合型應用人才[1-2]。《自動控制原理》課程從數(shù)學模型出發(fā)闡述自動控制的基本概念和經(jīng)典控制理論，重點培養(yǎng)學生對控制系統(tǒng)的綜合分析與設計能力，為實現(xiàn)工程自動化提供理論與技術支持[3]。

然而，《自動控制原理》課程的內(nèi)容理論性強、抽象復雜，傳統(tǒng)的教學模式偏向于數(shù)學推導和理論分析的單一性輸出[4]，學生缺乏自主性探索，課堂參與度不高，學習起來枯燥乏味，學生學習興趣不濃、積極性不高。同時，學生自身的基礎知識掌握能力、理解接收能力、創(chuàng)新應用能力各不相同，導致學生在學習過程中的表現(xiàn)各不相同、差異性較大。另外，以平時出勤情況和期末考試成績?yōu)橹鞯某Ｓ每己朔绞?，容易使學生產(chǎn)生“應付型”學習心理，達不到新工科教育背景下的授課目的。

針對《自動控制原理》教學中出現(xiàn)的問題，目前已有不少的研究，如可視化教學方法[5]、線上線下相結(jié)合的混合式教學方法[6]、PBL(Problem Based Learning, 問題驅(qū)動學習)教學法[7]，同時還有討論式、合作式、探究式、項目啟動式以及案例式教學方法等[8-9]。宿遷學院的張貞艷老師[10]提出了“案例式”教學方法，在課堂教學中將精選“工程案例”恰當穿插到課程體系中，這種方法雖然能夠加強學生對理論知識的深入理解，但忽略了不同學生的學習接受能力。江西理工大學的吳志剛老師[11]提出開展小班式教學的方法，雖然能夠及時掌握小班里所有學生的學習情況，但也存在耗時久、課程教授時間難以協(xié)調(diào)問題，無疑給學生增加時間成本。天津理工大學的高強老師[12]提出以“教”為中心向以“學”為中心轉(zhuǎn)移，通過學生講教師評、學生講學生評、學生互問互答以及分組討論的方式開展教學活動，讓學生參與到課程中，提高學生的課程興趣、關注學生的實際學習效果。安徽大學的張倩老師[13]針對疫情期間“線上線下”教學方式進行改革，提出“總評成績（100%）=平時評價成績（50%）+期末考試評價成績（50%）”的課程評價模式，以此方式鼓勵學生積極參與課堂教學[14]。

綜合上述分析，面對基礎理論知識掌握能力不同、自主學習能力不同、課堂理解能力不同的學生群體，本文提出了多階群優(yōu)進化式教學方法，以學生為主體，聚焦差異、因材施教，根據(jù)學生階段性學習成果反饋情況及時調(diào)整教學方式方法，以學生群體最優(yōu)為教學目標，加強學生對自動控制理論應用于工業(yè)實際的感性認識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

1 多階群優(yōu)進化式教學思想

多階群優(yōu)進化式教學的提出是受到遺傳算法思想的啟發(fā)，主要是通過不斷的迭代更新和優(yōu)勝劣汰，得到最優(yōu)解決方案。多階群優(yōu)進化式教學方法主要包含五個部分：分階操作、交叉操作、傳承操作、改造操作和進化操作。

2 多階群優(yōu)進化式教學方法

根據(jù)《自動控制原理》課程內(nèi)容理論性強、抽象復雜、數(shù)學公式邏輯性緊密的特點，以及學生學習過程中存在參與度不高、學習成果參差不齊的問題，本文從實際教學的角度出發(fā)，以學生為主體，提出了具備可操作性的教學方法。主要方法如下：

（1）分階操作：以課上反饋、課堂提問、課堂小測、課后作業(yè)等方式，了解學生對于《自動控制原理》課程中不同知識點的理解程度，并結(jié)合學生對先驗知識的掌握程度，將學生分為學習能力強、學習能力中上、學習能力中以及學習能力稍弱四類，對學生進行分階評級。

（2）交叉操作：依據(jù)每個階級學生對課程的理解程度，對多媒體教學、案例教學、線上線下混合教學、翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式交叉運用，查看不同階段學生對知識點的反饋效果，并依據(jù)反饋效果選出最佳的教學方式。

（3）傳承操作：基于找出的最佳教學方式，對下一個知識點進行傳承操作，以運用效果較好的教學方式進行教學，保留學生知識接受效果最佳的教學方式，多次運行并反饋教學效果。

（4）改造操作：如果上述教學方法在下一個知識點反饋效果不佳，對知識點和教學方式進行改造，及時調(diào)整并記錄反饋效果，直到找出對所有學生適用的最優(yōu)教學方法。

（5）進化操作：以相同的教學目標對上述方法進行多次迭代操作，直至達到群體最優(yōu)。

3 多階群優(yōu)進化式教學的關鍵問題

在《自動控制原理》課程教學過程中，因?qū)W生群體不同、各專業(yè)對本學科要求掌握的知識點不同，統(tǒng)一的教學方法往往達不到預期的效果。找出影響教學效果的關鍵因素，是方法成功應用的基礎。

（1）學生分階標準的建立：多階群優(yōu)進化式教學方法首先要依據(jù)學生對“自動控制原理”課程的先驗知識掌握能力、新知識的理解能力、自主學習能力等對學生群體進行分階，依據(jù)分階的結(jié)果對學生采取不同的教學方法。

（2）以學生為中心的教學方案的設計：實現(xiàn)學生群優(yōu)進化式教學方法的另一個關鍵技術是需要依據(jù)不同學生的學習狀態(tài)，設計不同的教學方案，并制定不同的課程評價標準。

4 多階群優(yōu)進化式教學實施方案

教學實施方案的設計不僅要依據(jù)課程內(nèi)容的需要，也要考量學生群體的接受能力。本文主要從內(nèi)容、模式、安排、課程考核等方面展開論述。

（1）教學內(nèi)容方面：在完成《自動控制原理》課程基本知識點的教學后，根據(jù)學科、專業(yè)的不同，調(diào)整理論知識引申和工程應用案例穿插教學的時間比例，依據(jù)各工程領域?qū)θ瞬偶夹g的需求狀況，有針對性地制定教學內(nèi)容。根據(jù)學生學習狀態(tài)的實時反饋，恰當設計知識點的教學深度，結(jié)合EWB和MATLAB仿真軟件等開展實驗驗證，加強學生對自動控制理論的實際認知。

（2）教學模式方面：以學生聽課狀態(tài)反饋、課堂提問、隨堂練習、課后作業(yè)等為依據(jù)，了解不同學生對知識點的理解程度，并以此為依據(jù)對學生進行分組，對每個小組制定不同的教學方案，分配適用于各小組的學習任務。同時，改變傳統(tǒng)的由教師講解、學生回答、以教師為中心的“師傅帶徒弟”教學模式，改變?yōu)橐詫W生為中心、以學生不同理解能力需求為導向的授課方式，采用分層式案例“由淺入深”逐級引領，逐步縮小學生參差性。

（3）教學安排方面：“理論知識教授”+“課堂現(xiàn)場理解”+“課后自主應用”三方面同步教學，根據(jù)學生學習成果反饋情況將課時量進行合理劃分，在完成基礎教學任務的前提下拓展實驗課程。

（4）課程考核方式方面：采用“多源化”考核方式，將出勤、隨堂練習、課后習題、實驗操作、期末考試等列入考核范圍，從多方面評價學生的學習成果。設立輔助加分項，以此培養(yǎng)符合新工科教育背景下的全能型人才。

5 多階群優(yōu)進化式教學目標

新工科背景下要求學生不僅能夠掌握基礎課程知識，同時要具備獨立完成理論知識向工程應用轉(zhuǎn)化的能力。本文提出的多階群優(yōu)進化式教學方法主要滿足提升學習興趣、增強理論知識、加強工程應用三個教學目標。

（1）提升群體對《自動控制原理》課程的興趣：由于《自動控制原理》課程中數(shù)學推導內(nèi)容理論性強、教學內(nèi)容抽象、工程應用復雜，再加上教學內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，學生學習過程中逐漸吃力、枯燥無味，通過多階群體優(yōu)化式教學方法，提升學生對于本門課程的興趣，增加學生的課堂參與度，使學生實現(xiàn)自主性探索，變被動學習為主動學習。

（2）提升群體對于自動控制技術的理解與認識：傳統(tǒng)的教學方法，教師與學生之間難以形成良好的交流互動，學生對知識點的學習理解和認識程度偏低。本文擬通過多階群優(yōu)進化式教學方法，使學生掌握自動控制的基本概念與定理，掌握先進的經(jīng)典控制理論，加強學生對自動控制理論在實際工程應用的感性認識。

（3）提升群體對自動控制技術的運用能力：本文擬通過多階群優(yōu)進化式教學方法，根據(jù)學生的學科差異、專業(yè)差異和個體差異，分類制定課程授業(yè)標準，按需定制教學案例，精準開展因材施教，讓學生能夠運用其基本理論對具體工程應用進行分析與設計，使學生具備在工程應用處理中正確評估、合理建議、總結(jié)科學結(jié)論的能力。

6 結(jié)語

本文提出的多階群優(yōu)進化式教學方法，以學生為教學主體，全面參考學生的學習能力、學習積累量以及學習積極性，極大改善教師與學生之間的課堂關系，形成良好的交流互動，提升學生對知識點學習的參與度和積極性，有效滿足新工科教育背景下對創(chuàng)新能力與實踐能力兼具的人才的需求，提高《自動控制原理》課程的教學質(zhì)量。