多阶群优进化式教学方法在《自动控制原理》课程中的运用研究

廖志强

（广东海洋大学 船舶与海运学院，广东湛江 542088）

新工科概念，不仅要求学生掌握基本的理论知识，同时要求学生具有较强的科技创新能力和工程实践能力，成长为高素质综合型应用人才[1-2]。《自动控制原理》课程从数学模型出发阐述自动控制的基本概念和经典控制理论，重点培养学生对控制系统的综合分析与设计能力，为实现工程自动化提供理论与技术支持[3]。

然而，《自动控制原理》课程的内容理论性强、抽象复杂，传统的教学模式偏向于数学推导和理论分析的单一性输出[4]，学生缺乏自主性探索，课堂参与度不高，学习起来枯燥乏味，学生学习兴趣不浓、积极性不高。同时，学生自身的基础知识掌握能力、理解接收能力、创新应用能力各不相同，导致学生在学习过程中的表现各不相同、差异性较大。另外，以平时出勤情况和期末考试成绩为主的常用考核方式，容易使学生产生“应付型”学习心理，达不到新工科教育背景下的授课目的。

针对《自动控制原理》教学中出现的问题，目前已有不少的研究，如可视化教学方法[5]、线上线下相结合的混合式教学方法[6]、PBL(Problem Based Learning, 问题驱动学习)教学法[7]，同时还有讨论式、合作式、探究式、项目启动式以及案例式教学方法等[8-9]。宿迁学院的张贞艳老师[10]提出了“案例式”教学方法，在课堂教学中将精选“工程案例”恰当穿插到课程体系中，这种方法虽然能够加强学生对理论知识的深入理解，但忽略了不同学生的学习接受能力。江西理工大学的吴志刚老师[11]提出开展小班式教学的方法，虽然能够及时掌握小班里所有学生的学习情况，但也存在耗时久、课程教授时间难以协调问题，无疑给学生增加时间成本。天津理工大学的高强老师[12]提出以“教”为中心向以“学”为中心转移，通过学生讲教师评、学生讲学生评、学生互问互答以及分组讨论的方式开展教学活动，让学生参与到课程中，提高学生的课程兴趣、关注学生的实际学习效果。安徽大学的张倩老师[13]针对疫情期间“线上线下”教学方式进行改革，提出“总评成绩（100%）=平时评价成绩（50%）+期末考试评价成绩（50%）”的课程评价模式，以此方式鼓励学生积极参与课堂教学[14]。

综合上述分析，面对基础理论知识掌握能力不同、自主学习能力不同、课堂理解能力不同的学生群体，本文提出了多阶群优进化式教学方法，以学生为主体，聚焦差异、因材施教，根据学生阶段性学习成果反馈情况及时调整教学方式方法，以学生群体最优为教学目标，加强学生对自动控制理论应用于工业实际的感性认识，培养学生的创新实践能力。

1 多阶群优进化式教学思想

多阶群优进化式教学的提出是受到遗传算法思想的启发，主要是通过不断的迭代更新和优胜劣汰，得到最优解决方案。多阶群优进化式教学方法主要包含五个部分：分阶操作、交叉操作、传承操作、改造操作和进化操作。

2 多阶群优进化式教学方法

根据《自动控制原理》课程内容理论性强、抽象复杂、数学公式逻辑性紧密的特点，以及学生学习过程中存在参与度不高、学习成果参差不齐的问题，本文从实际教学的角度出发，以学生为主体，提出了具备可操作性的教学方法。主要方法如下：

（1）分阶操作：以课上反馈、课堂提问、课堂小测、课后作业等方式，了解学生对于《自动控制原理》课程中不同知识点的理解程度，并结合学生对先验知识的掌握程度，将学生分为学习能力强、学习能力中上、学习能力中以及学习能力稍弱四类，对学生进行分阶评级。

（2）交叉操作：依据每个阶级学生对课程的理解程度，对多媒体教学、案例教学、线上线下混合教学、翻转课堂等多种方式交叉运用，查看不同阶段学生对知识点的反馈效果，并依据反馈效果选出最佳的教学方式。

（3）传承操作：基于找出的最佳教学方式，对下一个知识点进行传承操作，以运用效果较好的教学方式进行教学，保留学生知识接受效果最佳的教学方式，多次运行并反馈教学效果。

（4）改造操作：如果上述教学方法在下一个知识点反馈效果不佳，对知识点和教学方式进行改造，及时调整并记录反馈效果，直到找出对所有学生适用的最优教学方法。

（5）进化操作：以相同的教学目标对上述方法进行多次迭代操作，直至达到群体最优。

3 多阶群优进化式教学的关键问题

在《自动控制原理》课程教学过程中，因学生群体不同、各专业对本学科要求掌握的知识点不同，统一的教学方法往往达不到预期的效果。找出影响教学效果的关键因素，是方法成功应用的基础。

（1）学生分阶标准的建立：多阶群优进化式教学方法首先要依据学生对“自动控制原理”课程的先验知识掌握能力、新知识的理解能力、自主学习能力等对学生群体进行分阶，依据分阶的结果对学生采取不同的教学方法。

（2）以学生为中心的教学方案的设计：实现学生群优进化式教学方法的另一个关键技术是需要依据不同学生的学习状态，设计不同的教学方案，并制定不同的课程评价标准。

4 多阶群优进化式教学实施方案

教学实施方案的设计不仅要依据课程内容的需要，也要考量学生群体的接受能力。本文主要从内容、模式、安排、课程考核等方面展开论述。

（1）教学内容方面：在完成《自动控制原理》课程基本知识点的教学后，根据学科、专业的不同，调整理论知识引申和工程应用案例穿插教学的时间比例，依据各工程领域对人才技术的需求状况，有针对性地制定教学内容。根据学生学习状态的实时反馈，恰当设计知识点的教学深度，结合EWB和MATLAB仿真软件等开展实验验证，加强学生对自动控制理论的实际认知。

（2）教学模式方面：以学生听课状态反馈、课堂提问、随堂练习、课后作业等为依据，了解不同学生对知识点的理解程度，并以此为依据对学生进行分组，对每个小组制定不同的教学方案，分配适用于各小组的学习任务。同时，改变传统的由教师讲解、学生回答、以教师为中心的“师傅带徒弟”教学模式，改变为以学生为中心、以学生不同理解能力需求为导向的授课方式，采用分层式案例“由浅入深”逐级引领，逐步缩小学生参差性。

（3）教学安排方面：“理论知识教授”+“课堂现场理解”+“课后自主应用”三方面同步教学，根据学生学习成果反馈情况将课时量进行合理划分，在完成基础教学任务的前提下拓展实验课程。

（4）课程考核方式方面：采用“多源化”考核方式，将出勤、随堂练习、课后习题、实验操作、期末考试等列入考核范围，从多方面评价学生的学习成果。设立辅助加分项，以此培养符合新工科教育背景下的全能型人才。

5 多阶群优进化式教学目标

新工科背景下要求学生不仅能够掌握基础课程知识，同时要具备独立完成理论知识向工程应用转化的能力。本文提出的多阶群优进化式教学方法主要满足提升学习兴趣、增强理论知识、加强工程应用三个教学目标。

（1）提升群体对《自动控制原理》课程的兴趣：由于《自动控制原理》课程中数学推导内容理论性强、教学内容抽象、工程应用复杂，再加上教学内容环环相扣，学生学习过程中逐渐吃力、枯燥无味，通过多阶群体优化式教学方法，提升学生对于本门课程的兴趣，增加学生的课堂参与度，使学生实现自主性探索，变被动学习为主动学习。

（2）提升群体对于自动控制技术的理解与认识：传统的教学方法，教师与学生之间难以形成良好的交流互动，学生对知识点的学习理解和认识程度偏低。本文拟通过多阶群优进化式教学方法，使学生掌握自动控制的基本概念与定理，掌握先进的经典控制理论，加强学生对自动控制理论在实际工程应用的感性认识。

（3）提升群体对自动控制技术的运用能力：本文拟通过多阶群优进化式教学方法，根据学生的学科差异、专业差异和个体差异，分类制定课程授业标准，按需定制教学案例，精准开展因材施教，让学生能够运用其基本理论对具体工程应用进行分析与设计，使学生具备在工程应用处理中正确评估、合理建议、总结科学结论的能力。

6 结语

本文提出的多阶群优进化式教学方法，以学生为教学主体，全面参考学生的学习能力、学习积累量以及学习积极性，极大改善教师与学生之间的课堂关系，形成良好的交流互动，提升学生对知识点学习的参与度和积极性，有效满足新工科教育背景下对创新能力与实践能力兼具的人才的需求，提高《自动控制原理》课程的教学质量。