新冠疫情下《数字控制理论与设计》国际化课程教学改革和探索

摘要：《数字控制理论与设计》是南京航空航天大学自动化专业国际班学生的基础课程之一。2019年底爆发的新冠疫情严重影响了课程的“线下”教学。本文结合实践教学经历，分析疫情对国际化课程教学带来的挑战，提出“线上+线下”的组合式教学方法。通过教学内容、教学方式和评价体系的调整转变，有效确保教学质量，最大程度地减小疫情对该国际化课程教学的不利影响。

关键词：国际化课程 在线教学 线上线下融合 数字控制 疫情教学

Teaching Reform and Exploration of <Digital Control Theory and Design> International Course under the Epidemic Situation

ZHAO Zhengen*

（College of Automation Engineering， NUAA， Nanjing， Jiangsu Province， 211106 China）

Abstract： <Digital Control Theory and Design> is one of the basic courses for the international students majoring in Automation Engineering， in Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. The outbreak of COVID-19 has been seriously affecting the face-to-face teaching mode of this course. Based on the practical teaching experience， this paper analyzes the challenges brought by the epidemic situation to international curriculum teaching， and puts forward the combined teaching method of "Online + offline". Through the adjustment and transformation of teaching content， teaching methods and evaluation system， we can effectively ensure the teaching quality and minimize the adverse impact of the epidemic on the teaching of the international course.

Key Words： International course; Online teaching; Online and offline integration; Digital control; Teaching under epidemic situation

随着我国综合国力和科技实力的增强，高等教育国际化水平不断提高，每年来华的留学生数量呈现日益增长趋势，留学生教育已逐渐发展成为我国高等教育的重要组成部分[1]。以南京航空航天大学为例，留学生比例近年来不断增长，截至2019年7月，共有各级各类留学生1335人，来自全球105个国家，其中本科留学生758人，研究生留学生359人[2]。南京航空航天大学《数字控制理论与设计》国际班课程采用英文教学，主要针对来华留学生。2019年底新型冠状病毒疫情爆发，严重影响该门课程教学的正常开展。受疫情影响，传统的课堂教学方式和考核形式无法实施，而该门课程理论性强，内容抽象，国际班学生文化知识背景差异大，这对该课程的顺利开展提出新的挑战。

1 疫情下《数字控制理论与设计》国际化课程教学存在的挑战

由于新冠疫情的爆发，学生之间的差异呈现新的特征：各地区疫情严重程度不同、一些学生由于疫情影响无法进行正常的学习和生活; 学生所在地时区不同、最长时差达10余个小时，难以按照学校秋季学期安排的课表进行线上学习;学生所在地的网络条件不同，一部分学生网络环境不稳定。这些新情况都给该门课程的课堂教学带来了挑战，传统的课堂教学方式和考核形式无法应对疫情带来的改变[3]。

1.1 学生教育背景不一

该课程国际班的学生存在文化背景、思维方式、学习态度、学习基础和语言运用能力等方面的差异[4]。选课学生既包括来华留学生，也包括部分选修该门课程的我国学生（由于疫情，部分该校中外合作项目的我国学生无法按原定计划出国交流学习）。留学生来源国家广，遍及各大洲不同地区，教育背景多样;《数字控制理论与设计》课程属于自动化、电气、机械和航空航天等专业基础课。

1.2 传统的教学内容无法适应线上教学

该门课程南京航空航天大学国内学生采用的教材为齐瑞云等翻译的《数字控制系统-设计辨识和实现》。国内自动化专业学生一般在三年级学习该门课程，在此之前，这部分学生已经具备相关知识基础 （已经选修或必修《自动控制原理》和《复变函数》等课程），因此《数字控制系统-设计辨识和实现》教材不涵盖《复变函数》的相关知识内容。然而，本校国际留学生本科生培养方案中不包含《复变函数》课程，因此，无法单纯采用该教材进行教学。疫情爆发之前，授课教师通常在教案中加入复变函数相关部分基础知识，引导学生加深对该部分知识的理解。随着疫情爆发，传统的课堂教学模式无法适应新的情況，单纯依靠教案中的内容无法使得学生很好的掌握该部分内容。

1.3 单一的线上、线下教学无法适应课程需求

一方面，由于疫情爆发，部分留学生无法按时回到我国学习，他们只能在自己的国家接受网上教学。然而，不同国家存在时差，难以协调统一时间进行“线上”教学。另一方面，国内疫情控制已经取得阶段性胜利，新学期各高校陆续恢复传统的课堂教学。2020年下半年，南京航空航天大学已返回校园选修该专业的我国学生更希望接受面对面的“线下”教学模式。《数字控制理论与设计》课程的第一章是离散数学基础，包括许多理论推导。通常，这些知识最好通过授课教师采用板书方式讲述，但部分留学生无法参加“线下”课程。因此，单一的“线上”或“线下”教学方式无法满足学生的需求[5]。

1.4 传统的考试评估方式难以实施

《数字控制理论与设计》理论性较强，考核方式以笔试考试为主，主要考查学生对数字控制系统建模、分析和设计三方面内容的掌握情况。以往学生需要在学期结束后参加期末考试并通过，才能取得該课程的学分。然而，由于疫情影响，这一考核方式无法正常实施。另外，由于留学生所在国家疫情严重程度和管理政策的差异，留学生的学习情况和心理情况也呈现多样性的特点，单纯以笔试考试的评估方式，无法很好地适应这一新的情况。

2 教学内容改革

2.1 采用英文原版教材和国内教材相结合

虽然国内齐瑞云等翻译的《数字控制系统-设计辨识和实现》教材具有理论性强、实践部分多等优点，但适应缺乏控制数学基础知识的陈述。由M. Sami Fadali等编著Academic Press出版的Digital Control Engineering： Analysis and Design数字控制经典原版教材内容涉及面广，难度循序渐进，讲述通俗易懂，且在教材第二章“Discrete-Time Systems”介绍了差分方程和z-变换的基础知识，便于引导没有相关知识背景的学生理解这部分内容。但是，英文教材内容缺乏深度性，也不包括实践部分。因此，在选择教学内容时，为了帮助留学生巩固基础知识，加强培养他们的实践能力，笔者结合这两个版本教材的特点，理论部分删减英文教材中的最优控制部分内容，实践部分保留中文教材中的数字控制器设计部分，最大程度贴合留学生这一群体的需求。

2.2 编制合适的教学大纲

为了更好地满足疫情下课程教学的要求，针对教学内容的调整，作者重新编制《数字控制理论与设计》课程的教学大纲。在教学大纲的编制方面，理论教学部分新增数字控制基础知识部分教学课时，同时相应缩减数字控制系统稳定性分析等方面的数字控制核心知识点的课时。在原教学计划中，稳定性分析章节包含劳斯判据、奈奎斯特判据和朱利判据。在新教学计划中，由于该部分教学课时的缩减，为了最大限度地保证教学效果，重新编排劳斯判据和奈奎斯特判据作为必学内容，朱利判据作为选学内容（因为在实际的控制系统稳定性中，前两种判据使用更为广泛）。另外，由于疫情影响，原来的实验室实验教学环境无法实现，重点修改了该课程的实验部分教学大纲：教学大纲改成利用通用的控制系统仿真软件Matlab实现，学生可以利用自己的笔记本电脑进行实验，而不需要利用控制实验箱。

2.3 设计形式多样的教案

为了适应教学内容和教学大纲的变化，重新准备《数字控制理论与设计》课程教案。在教案内容方面，调整理论教学部分和实验教学部分。在理论教学方面，新增数字控制基础知识的课件，重新调整数字控制系统建模、数字控制系统稳定性分析、数字控制系统设计三部分理论内容课件，加强建模—稳定性分析—设计三部分的逻辑关系论述;在实验教学部分，利用Ocam软件录制利用Matlab软件进行数字控制系统设计的典型案例教学视频课件，同时配置实验操作步骤说明课件。为了克服疫情下学生“线上”学习的注意力难以集中的问题，在教案风格上，采用问题式的呈现方式，先给出每个章节主要知识点需要解决的问题，以生动的问题调动学生的积极性和求知欲，再通过知识点内容的阐述，层层递进地剖析知识点。

3 探索组合式教学方式

疫情不仅对教学构成挑战，也是推动改革、创新教育理念的契机[6]。单纯地采纳“线上”或“线下”的教学方式，无法满足课程需求。建立以学生为中心教学模式[7]，积极推动教与学的互动关系在疫情期间尤为重要。本文探索“线上+线下”组合的教学方式，充分调动网络资源，增设项目小组学习模式，以最大程度地调动学生积极性，提高教学质量。

3.1 组合式教学方式

疫情期间，国内各大高校通常采用视频软件进行直播教学的方式。然而，由于留学生来自不同国家，存在时差和网络情况不确定的问题，所以无法采用直播方式进行教学。笔者积极调动网络资源，探索“线上+线下”组合的教学方式。在“线下”教学时采用OCam软件录制授课视频，发布到学校的超星网络教学平台，以便不能参加“线下”课程的学生也能感受实时课程情况。课前将重点知识通过网络平台发布，以便学生可以随时下载提前预习。针对网络情况不确定的问题，笔者授课前准备腾讯会议和ZOOM作为“线上”教学平台，并提前通过微信群向学生发布直播链接。在授课时，根据实际网络情况进行选择。为了及时解决学生的疑问，建立班级微信答疑群，以便学生在直播或者录播学习过程中可以把问题通过文字或者语音的形式发布到微信群。学生反馈的信息也有利于笔者掌握学生不易理解的内容，及时调整授课内容，抓住重点讲解，从而提高授课效率。

3.2 适应于组合式教学方式的教学计划

组合式教学方式要求相应的教学计划一方面既要根据教学大纲的基本要求，规定学生必须学习和掌握的内容，让学生掌握课程的基本框架和相关知识脉络;另一方面又要发挥“线上”教学资源丰富的优势，增强学生自主学习能力，帮助学生拓展知识面。考虑到《数字控制理论与设计》课程的理论性较强且比较抽象，在以往的“线下”教学时，通常采用和学生面对面交流互动方式讲解，以便加深学生对知识点的理解。而网络课程教学，例如直播教学，尤其是录播教学，由于教师和学生之间缺乏面对面的交流机制，不利于互动方式的开展。为解决这一问题，借鉴“翻转课堂”模式（译自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”），每堂课的教学内容在课前以小项目形式布置给学生，让学生提前预习项目内容，并分成项目小组。在课程上，除了理论授课时间，剩下的时间由项目小组进行分析讨论。充分调动学生主动学习的积极性，让每个学生都有成为项目组长的机会，每次讨论由各小组长组织，并负责汇集讨论问题，在网络微信群分享。在下一节课程开始之前，教师点评上次课程的讨论问题，及时解答学生疑问， 并将答疑的视频和文字上传网络微信群以及学校超星网络教学平台。

4多层次教学评价体系探索

为应对疫情下《数字控制理论与设计》课程考试考核的难题，笔者探索与疫情下组合教学模式相适应的多层次教学评价体系，包括建立过程考核机制、实行理论考查和课程设计相结合的考核形式，并通过利用网络平台数据反馈，对学生学习情况进行评价。

4.1 建立过程考核机制

单一的考试考核无法全面地反映学生的学习水平，尤其在疫情下，这种考试模式很难实现。过程考核机制可以有效克服一次考试的片面性，促进学生对课程知识的融會贯通。在《数字控制理论与设计》的教学实践中，注入过程监测的评估模式，增加章节考核，把每个章节的学习情况作为学期考核的一部分。这一机制不仅能促进学生及时复习课程学习知识，还能及时反映学生对课程的掌握情况，从而灵活调整教学计划。为鼓励学生积极参加课堂讨论，将项目组成员的平时表现纳入平时成绩 （课堂讨论采用“线上”课程实时讨论和通过微信群等网络平台留言方式进行）。

4.2 实行理论考查与课程设计结合

适当减小期末理论考试比重，将《数字控制理论与设计》的数字控制器设计部分从考试中剔除，相关内容通过设置课程设计环节进行考核，两个环节都给予学生一段时间完成。一方面降低学生期末考试的负担，另一方面提高学生对课程的理解和应用能力的培养，同时能降低疫情对学生考试的影响。

4.3 统计网络平台学习数据

利用网络学习平台，统计学生直播学习、录播视频学习、答疑讨论等环节的学习情况，加强对学生学习过程管理和监测。利用直播平台的留言和回放功能，统计学生直播学习情况;利用超星网络教学平台，统计学生录播学习情况;利用微信答疑平台，统计学生对课程知识的理解情况。

4.4 征集学习效果反馈

笔者对“线上+线下”组合式教学方式进行调查，结果显示总体学习满意度高。约75%的学生反馈学习效果非常好，约15%的学生评价较好，另外约10%的学生由于当地网络不稳定，无法及时观看学习视频。以上结果与预期相符。由于国外疫情不稳定因素持续存在，应该考虑留学生所在地生活状况，增加人文关怀，同时探索改进“线上”部分教学模式，保证远程教学质量，进一步提升组合式教学效果。

5 结语

本文针对疫情下自动化专业国际化课程《数字控制理论与设计》课程教学进行了探索和实践，在教学方式方面，通过引入组合式教学方法，调整教学计划，提倡灵活多变的学习模式;在课程评估方面，探索多层次教学评价体系，提高评估的全面性、实时性和有效性。今后将结合留学生和国内学生的需求，进一步探索“线上+线下”组合教学模式，通过教学方式和评价体系的调整转变，促进教学质量的提升。

参考文献

[1] 陈宇. 新我国来华留学生教育政策演进研究[D].长春：东北师范大学，2020.

[2] 南京航空航天大学国际教育学院简介[EB/OL].[2021-05-12]. http：//cie.nuaa.edu.cn/11006/list.htm.

[3] 张琳娜，胡淑婷，罗彦，等.浅谈新冠疫情下留学生生理学课程网络教学[J].教育教学论坛，2020（39）：228-229.

[4]王融，熊智，许睿，等.高等教育国际化背景下来华留学生电路课程教学改革探索[J].科技资讯，2017，15（28）：148-150.

[5] 葛彦，居颂光，张学光.疫情背景下留学生“医学免疫学课程”教学模式改革的思考[J].我国免疫学杂志，2020，36（18）：2215-2217.

[6]赵继，谢寅波.疫情倒逼寻找高等教育教学改革突破口[J].我国高等教育，2020（6）：22-24.

[7] 密守军，刘连喜.在线教学对后疫情时代课堂教学改革的启示[J].我国信息技术教育，2020（20）：92-93.

作者简介：赵振根（1989—），男，博士，讲师，研究方向为自动控制理论。