基于云控制的闭环OBE在线教学模式探索

李怡然， 夏元清

（北京理工大学自动化学院，北京100081）

0 引 言

2020年初，我国新冠肺炎疫情突然爆发，全国各地中小学、高校为确保师生健康，春季学期不得不延期开学。各高校第一时间作出反应，组织教师进行网络教学、线上授课。然而，线上授课并不是一蹴而就，而是有长期的实践积累和广泛的受众主体。早在2011年，美国斯坦福大学教授塞巴斯蒂安·史朗把他的人工智能课程放在互联网上，吸引了来自190多个不同国家超过16万学生，拉开了在线开放课程的序幕［1］。2015年4月，教育部颁布了《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》，我国将在线开放课程上升为教育信息化发展战略［2］，建设线上开放教育平台，进行“翻转课堂”等线上、线下混合式教学。“互联网+教育”模式既深度适应网络时代大学生碎片化的信息吸收方式，并充分发挥传统课堂的场景依赖、师生交流互动“沉浸式”教学的优势。通过线上学习知识和线下师生交流的相互促进，达到以学生为中心、持续改进、产出教育的OBE教学理念深度实践。然而，在新冠疫情等突发事件期间，由于学生无法到校学习，混合式教学无法落实线下教学的关键一环，不得不造成整个教学过程缺乏课堂交流的困境，使教师无法对实际教学效果进行准确评估。同样，由于空间隔离，大部分依赖硬件设备的实验课程难以开展。

随着国家和各高校都在进一步加大云数据中心的基础设施布局［3］，各地区、各高校云数据中心的落成和人工智能、模式识别技术的成熟，必将形成“云-网-边-端”的云计算网络模式，可以为在线教学的学生行为分析、学生管控、互联网远程“云”实验提供平台和技术支撑。针对线上授课实践遇到的实际问题，提出了基于云控制闭环在线教学模式，该模式充分应用云计算、物联网、人工智能等技术，实现在线授课与课堂授课学生能力培养的实质等效。

1 网络教育模式的现状和问题分析

1.1 信息时代MOOE与混合式教育的发展

截至2020年，大学生多是“00”后，他们的成长过程伴随着我国互联网发展的黄金10年，大学生思维模式、生活习惯以及学习方法与互联网无法剥离。在互联网文化氛围下，碎片化、趣味化、非格式化的信息交互方式，使大学生知识构建和能力培养过程具有多向传播性［4］。这对传统的授课教育模式既是挑战又是机遇。

近年来，国家政策和投资行业对在线教育支持力度空前，也取得了丰厚的成果。从2017年开始，教育部大力推动国家级线上课程，截至2019年7月，共有12 500门MOOC上线，超过2亿人次学习者。到2020年，教育部要认定3 000门国家精品在线开放课程，再认定7 000门线下精品课程，合计推出1万门国家级一流精品课程［5］。2020年3月底，“猿辅导”在线教育完成了新一轮10亿美元融资交割［6］，充分体现了信息时代“互联网+教育”的广阔发展前景。

1.2 学生管理模式与师生关系的“云”化升级

在线教育的长足发展，也促进了学生管理模式和师生关系的革命性变化。一方面，随着微信、钉钉等社交软件的广泛应用，老师获取学生学习效果的途径更广；同时，师生的交流也不限于在教室或者实验室，通过微信等方式，学生可以随时随地向老师提问，学习效果的反馈时间大大缩小。通过组建课程群，教师可以随时分享学习资料，带动群内讨论。学生管理模式和师生关系从以教师为中心的被动式，升级为以学生为主体的自由讨论、资料分享和自我管理。

但是，这种线上交流的方式存在一定的弊端：它放大了具有主观能动性学生的积极性而隐蔽了被动学习学生的惰性，使教学“死角”更加难以发现，而这些“不够积极”的学生才是教师更应该关注的一部分同学。古人曰“有教无类”，如何在“云”化升级后的师生关系中准确定位并精准扶助这一类“被动”学生，是互联网教育模式线上授课的新挑战。

1.3 基于OBE理念的网络教学困境

根据OBE的理念，教学过程应更关注学生的学习行为、学习效果和能力提升，并据此进行课程持续改进。然而，在线授课由于互联网天然隔离性，导致教师无法直接观察学生学习行为并估计学习效果。教师为解决此问题，往往通过精心设计测试题目来对授课内容进行全面考核；学生为完成测试，花费了大量的时间，且很多测试具有重复和冗余性，这给教师和学生都增添很多负担。这显然是一种被动的学习模式和教学方法，学生学习效果反馈不及时，甚至实验等培养学生能力的关键教学环节无法实现。

此外，对于自动化等深度依赖设备和物理对象的专业，实验实践类课程是达成培养学生解决复杂工程问题能力的重要一环。尽管在各种仿真平台框架下，能够建立基于模型和动画效果的仿真实验，但距离实际实验对学生理解问题和能力提升的培养效果差距显著。实验课程无法在网络授课中顺利进行，是现阶段网络授课的另一个困境。

综上所述，疫情下的在线教学区别于混合式教学模式，不再是对于课堂教学的有效补充，而是直接用线上教学实质等效课堂教学。这种教学模式具有“互联网+教育”广泛传播、随时学习、碎片可用的优势之外，对教师教学提出了以下挑战：① 学生监管难度加大，难以进行统一学生管理，“云”化的师生关系掩盖部分被动学习学生死角，教师难以对其精准扶助；②缺乏有效教学效果反馈机制，课堂反馈无法避免“大时滞”甚至“开环”，学生作业负担明显增加；③ 线上仿真实验平台无法保障线上实验课程与线下实验课程对学生能力培养的实质等效。

2 基于云控制的在线教学新土壤

基于OBE的教学理念可以与经典反馈控制理论进行一一对应：教学的被控对象相当于学生的学习效果，设定值相当于课程目标，信号处理单元相当于学习状态评价系统，控制器相当于教学过程动态调整，反馈回路相当于学生学习状态反馈，整个过程如图1所示。

图1 基于OBE的教学过程与典型控制结构类比图

线下授课时，学习效果反馈回路能够通过教师教学经验和其他量化考核方式实时进行反馈，根据反馈结果，教师动态调整教学进度和教学方法，最终达成课程培养目标。基于OBE理念的线上授课，对于教师而言相当于将学生学习过程和学生能力达成放在远端，学习的执行过程和学习效果由于网络的物理隔离不得不产生延迟。教师的教学过程无法及时根据学生学习状态进行实时调整。在线教学模式在前向和反馈通路上均形成网络延迟和不确定性因素影响，如图2所示。

图2 基于OBE的在线教学模式课程目标达成闭环示意图

新一代通信技术、云计算、物联网技术的快速发展，为设备接入、云端互联、海量计算和集中管控提供技术保障，形成以云-网-边-端为架构的云控制系统（Cloud control system，CCSs）［7］，达到集中监管、控制和调度优化的目标，这是在线教学孕育的新土壤和持续发展的技术动力。云控制理论和相关技术已经在工业控制和智能交通等领域得到深入应用并取得一定成效［8-9］。

在教学方面，已有文献提出基于云的虚拟实验室，利用云平台进行资料共享，学生远程执行实验任务［10-11］，利用网络技术和3D建模，实现线上虚拟仿真实验室［12］，基于图像处理等技术对MOOC授课过程中的学生听课行为进行检测和自动分析。在此基础上，若深度整合云控制、图像识别、人工智能等新技术，将学生云端管控和设备管控纳入整个闭环控制流程，可以使在线教学形成云端教学资料共享、云端讨论、云化师生关系、云端实验和云端在线学习监管的学生、设备闭环在线教学新模式。通过这样的在线教学模式，大大减小学习评价时滞和实践实验时滞，给教师授课、学生学习双重减压，并且通过快速、高效的学习反馈达成师生良性互动，解决学生监管难、学习反馈慢、实践实验难以进行的线上教学困境。基于云控制的三端协同学生、设备在环在线教学部署模式如图3所示。

图3 基于云控制的三端协同学生、设备闭环OBE在线教学平台部署模式

3 基于云控制的学生在环在线教学模式

现有的在线教学平台繁多。有线上教学视频共享平台，如中国大学MOOC、超星网络教学平台、智慧树等；有在线直播课程平台，如钉钉、云班课、腾讯会议、Zoom等；线上教学班级管理平台，如雨课堂、云班课等［13］。但这些平台提供的在线教学模式都是开环的，依赖这些教学平台，教师只能单向发布教学资源，并针对学生课后作业效果或线上交流获取学生学习效果的反馈。通常，为了弥补面对面授课交流效果，多数教师会引入“前馈控制”，即增加讲课详解内容，加大作业量。这无疑是对学生和教师精力的双重浪费。

图4所示为基于云控制的学生闭环在线教学模式，其目标解决以下在线教学问题，以达到教学效果实质等效。①利用学生端摄像头实时检测学生状态，应用人工智能、模式识别等技术方法，融合学生姿态、学习时间、学习环境嘈杂程度等多元异构数据，对学生学习状态进行评估和预测。② 根据对学生学习状态的评估结果，动态调整教学过程，对于线上授课方式，可以显示学生兴奋状态、疲劳状态、走神状态学生的百分比，从而提示教师来调整课程进度和休息时间；对于课程视频录制的教学方式，给学生进行状态提示或动态调整视频暂停时间，将学生学习的总时长作为学习专注度评判依据。③根据学生学习状态的评估情况，给出课堂表现综合得分，计入学生总成绩，与线下授课的课堂表现得分实质等效。

图4 基于云控制的学生状态闭环在线教学模式

通过物联网和云计算技术解决云端学习状态监控反馈，并根据教学策略和学生学习状态调整教学节奏，评价学生课堂表现，实现在线教学内环的实时稳定。将传统的课堂作业和测试作为评价学生工程知识达成的指标，保证学生知识模块充分理解吸收的中期稳定性。该学生在环在线教学模式，能够解决学生监管难、学习效果反馈慢的实际问题。

4 基于云控制的设备在环在线教学模式

在线教学的另一缺陷是由于空间物理隔离，无法进行实验类教学的实际操作。目前的解决方案是应用虚拟仿真平台，通过数学模型、动画仿真的方式进行模拟，由于虚拟实验平台本身是人工建模搭建，考虑因素不全面，实验过程不具备工程问题本身的复杂性，这显然是无法与实验室实践过程实质等效的。

随着云控制、云计算、物联网、5G、信息物理系统、数字孪生等技术的发展，工业设备的云控制、网络化控制已经应用于生产实际，并取得了良好的应用效果［7-15］。将已有的研究成果，应用于实验教学过程，给传统的实验设备增加数字信号网络传输模块、边缘规约节点和视频监控系统［14］，云端部署云控制器架构并添加网络延迟和不确定性补偿则能够模拟本地控制器的控制效果，配合指导老师在实验室现场的视频指导，能够完成自动化、电气工程及其自动化等专业核心控制理论、控制算法相关的大部分实验［16-17］。基于云控制的在线教学实验平台实现结构如图5所示。

图5 基于云控制的设备在环实验平台

通过在云端服务器建立数据库、控制算法库等，借助设备管理软件和学生接入管理软件的协同管理，彼此相互连接，云端协同管理。实验室端顶层为边缘服务器和互联网通信接口，中层为实验设备通信和检测装置及执行器，底层为被控对象。通过被控对象各个状态变量的实时检测经网络传输提交到云端服务器，学生设计控制算法提交到云端，设备管理软件和学生实验接入管理软件协同管控学生实验顺序，同时实验室的视频监控设备将同步传输被控对象控制效果给学生，使学生能够达到与实验室操作相同的效果保证学生完成实验，并获得相应的能力培养，达到与实验教学的实质等效。

基于云控制的设备在环实验平台，能够使学生在完成理论学习的基础上深入进行实验实践学习，达成课程目标。基于云控制的设备在环在线教育模式架构如图6所示。在学生状态闭环的基础上，通过云控制系统架构将实验设备放到线上，保证学生线上进行实验，增加外环能力养成环达成培养学生解决复杂工程问题的综合能力。通过实验效果反馈能力达成程度，构建学生中心、问题导向、能力培养、持续改进的在线课堂，进一步推动在线课堂与线下课堂的实质等效。

图6 基于云控制的学生、设备闭环OBE在线教学模式

5 结 语

信息时代，随着互联网、云计算、人工智能等技术深入发展，学生碎片化、多元化思维模式的养成必将推动“互联网+教育”的革命。2020年初，我国突发新冠大规模公共卫生安全应急响应事件，使学生无法到校学习，催化了在线教学模式落地，迫使高校、教师进一步重视线上教学实质等效课堂教学的实践落地。现阶段的在线教学管理方法仅借助于互联网平台的共享功能，并没有充分利用人工智能、物联网等技术升级带来的根本性在线教学模式的转化。

基于云控制的学生、实验设备闭环在线教学模式改革，从OBE理念出发，基于云控制系统架构，在学生端增加学生状态视频监控装置和姿态检测评估器，设计学生状态反馈环，根据学生个体学习状态动态调整课程进度并在线评价学生状态，以达到课堂教学实质等效。增加基于云控制的实验设备环，学生将设计的算法上传到云端，通过在云端部署学生接入管理软件、实验设备管理软件，将实时上传的实验室设备数据进行计算并下达控制指令完成对实验设备的控制，帮助学生在家中完成实验，达成课程目标要求的综合实践能力。

基于云控制的学生、实验设备在环在线教学模式，针对传统在线教学模式的“大延迟”甚至“开环”问题，通过智能化实时课堂管控和云控制实验室达到课程的知识能力、综合实践能力的双达成，保障课程目标达成效果，实现学生-教师-实验室三位一体的云-网-边-端在线教学，达成学生、实验设备闭环的在线教学模式，实现与课堂教学的实质等效。