自动控制原理课程形成性评价实践

石玉秋,蒋文慧,刘瑞琪,胡 波,袁海英

(1.广西科技大学自动化学院,广西柳州,545616;2.柳州城市职业学院经济管理学院,广西柳州,545036)

一、引言

《工程教育认证标准解读及使用指南(2018版)》指出,要对学生在整个学习过程中的表现进行跟踪与评估,通过形成性评价保证学生毕业时达到毕业要求。[1]工程教育专业认证强调,要通过形成性评价帮助学生达成毕业要求。形成性评价存在缺乏系统操作性的问题,导致其较难显著改善教学效果。另外,在具体的教学实践中,仍然存在将形成性评价等同于过程性评价,将评价简化为课堂测验和平时作业的情况,对教学成效产生了一定的影响。

本文以广西科技大学自动化学院自动化专业学生为样本,以自动控制原理课程为例,在混合式教学模式下对该课程从循证评价、反馈调节、自主学习和合作学习等方面进行系统化的形成性评价实践[2],力求激发学生学习兴趣、提升课堂学习效果,从即时反馈机制和教学组织方式变革等环节开展改革探索,全面促进教学实效提升。

二、构建循证评价

基于证据的评价(又称循证评价)是形成性评价的主要方法。[3]这种评价方法需要教师在整个教学过程中通过各种有效手段获取与学生学习情况密切相关的各种信息,包括学情信息、情感需求和学习动机等。[4]换言之,也就是教师需要找到可以支撑结论和效果的证据,用于了解学生已掌握水平与目标之间的差距,也用于为达到学习目标提供改进思路。

2020年广西科技大学自动化学院自动控制原理课程开展混合式教学课程改革。课程组从学生特点出发,开发了一套包含基础理论等教学点的完整教学微课,并上传至云班课和智慧树平台,对学生开展线上教学。在线下,传统课堂上也开始尝试使用翻转课堂的教学方法以提升学生的参与度,并将小组任务、头脑风暴、课堂讨论等形式融入教学过程,旨在拓展循证评价的内容。在评价方式上,开始尝试过程性评价,将各单元作业、课堂表现、单元测验等加入学生的最终成绩评估体系,但效果并不理想。根据已有文献分析并结合现实情况发现存在以下问题:首先,学生在学习过程中对待作业较为敷衍,存在抄袭情况,课程作业未达到加强专业能力的目的;其次,在翻转课堂的教学过程中,控制理论中纯理论性知识不易表达与讨论,基础的知识性内容在新的教学模式下教学效果并不明显;最后,期末考试的终结性评价、达成度等评价结果只能对下一教学周期的教学活动有些许参考价值,不能关联学生当前课程学习情况。[5-7]

为解决上述问题,我们构建了系统的循证评价测评点,并形成了一套测评方案,即利用线上线下双主线混合式教学,在控制系统分析和设计过程中构造测评点,以获取学生的学习效果。构建的循证评价测评点如图1所示。在循证评价中组织10次考核(共计20张试卷),包括8个单元内容,每个内容2张试卷(A、B),4次综合性考核(C)。8个单元内容分别为:系统建模、梅森公式、时域分析、时域稳定性分析和误差、根轨迹、频率特性、开环频率特性分析、系统校正。整个考核分为3个层次:基础题目A,8张试卷为A1—A8;简单分析计算题B,8张试卷为B1—B8;综合分析设计题C,4张试卷为C1—C4。其中C1为数学建模模块综合考核,C2为时域分析、根轨迹模块综合考核,C3为频率特性法模块综合考核,C4为全部8个单元综合考核。每张试卷3道题,题目正确记1分,有错误(包括符号、单位、公式任意一处错误)计0分,单张试卷满分为3分。测评可以在线上进行,也可以在线下进行,测评时间为60分钟。开始测评时,学生拿到A1卷,做完A1后用A1卷换B1卷,以此类推。

图1 循证评价测评点分布图

各测评点的平均得分如图2所示。从图中可以看到,学生对系统建模(A1)、时域分析(A3)、根轨迹(A5)、频率特性(A6)等内容的基础知识掌握情况良好,对系统建模(B1)和频率域稳定及稳定裕度(B7)部分的简单分析计算部分掌握较好,数学建模模块综合考核部分(C1)掌握情况较好。基础部分中,学生对梅森公式和稳定性与稳态误差部分掌握情况较差。总体来看,基础知识部分(A)的掌握情况明显比简单分析计算(B)和综合分析设计题部分(C)要好,符合一般教学规律。

图2 学生得分

三、课程的反馈调节

反馈调节是形成性评价的主要过程。[8]从循证评价中可以大致了解学生对当前知识的掌握情况。根据这些情况反映出来的问题,需要进一步调节教学过程,使其更能适配学生的情况。下文以控制系统建模模块为例,说明自动控制原理课程的反馈调节过程。整个教学设计的调节过程如图3所示。

(一)第一次调节:从理论到实例

在传统的教材中,大多以RLC电路作为例子抽象成数学模型来介绍控制系统的数学模型,需要学生具备较为扎实的高等数学、大学物理等前导课程基础,如果学生的数学、物理基础不牢固,将影响学生对相关知识点的理解。针对这一问题,可以改用控制应用领域最常见的电机直流调速为例子,能够有效提高学生对抽象概念的理解,从而激发学生的学习兴趣。由于学习内容较为抽象,学习内容较为枯燥,仍有部分学生在学习过程中缺乏对数学模型的理解。可以借鉴实际工程项目中的客户需求分析环节,在教学设计时,课堂讲解不需涵盖所有理论问题,而是将现实生活中的需求融入,仅分析必要的模型知识。因此,将教学目标更改为:在保证基础问题讲解的基础上,充分激发学生学习兴趣,指明进一步探索的方向。如图3中的第1次调节。

这样的教学内容能够提高学生对抽象概念的理解,特别是对物理方程的学习积极性有了较大的提高,学习动机也得到了一定的激发。但是,在教学实施过程中依然存在以下几个问题。

第一,课堂引入的电机调速实例的各个电子元器件相对独立,控制系统各功能模块结构简单。讲解过后,学生表示能够理解简单的电机控制问题,但在工程实践中遇到较复杂的系统时,还是无从下手,出现了“所学知识能否满足工程实践需要”的疑问。

第二,课堂讲解的主线依然停留在理论层。虽然在课堂中增加了实例的讲解,避免了大量教学时间花费在回顾数学和物理知识点上,但是对于控制系统的讲解不够深入,特别是对拉氏变换的应用仍不完善。这可能是因为学生对于控制系统的学习缺乏好奇心,没有产生探索的兴趣,缺乏探索后续知识的途径。

第三,课堂扩展内容过于单一。虽然课堂内容在保证原有知识点的基础上扩展了稳定性分析等相关内容,但是扩展的内容较为单一,与课程的知识体系联系不够紧密。这可能会导致学生对扩展内容的理解仅停留在知道层面,没有途径和方向可以深入思考。

通过引入电机直流调速的实例在一定程度上能够提高学生的学习积极性。但是“为什么要学习控制系统的数学模型”的问题依然存在,只是程度有所减轻,没有从根本上解决问题。因此,还需要进行第二次调节。

图3 控制系统建模教学设计的反馈调节

(二)第二次调节:从课本实例到工程实例

在教学实践中,教师发现学生对复杂的工程问题很有兴趣,尽管难度很高,但学生很愿意和教师探讨相关问题。这为教学改革提出了思路:在控制系统数学模型部分引入学生感兴趣的复杂工程问题。如图3中的第2次调节。引入较为复杂的龙门吊问题,从龙门吊的控制这一实际问题出发,在教学中按双主线的教学环节对控制系统的数学模型进行两次对比讲解。相关教学改革主要体现在以下两点。

第一,教学讲解设置两条主线。除原有主要依托理论讲解控制系统数学模型的教学主线外,由于龙门吊控制问题的复杂性,设置了一条完全依托工程问题、能够应用于工作后的问题分析过程的教学主线。一个是原有的理论教学主线,一个是类似工程环境的教学主线。

第二,由于教学实践以龙门吊为例,理论教学中原来微分方程就是系统方程的情况被改变,需要增加一个模型简化的过程、一个系统方程的求解过程。这样,教学内容可以分为三个层次:一是理论层,主要按照传统内容进行讲解;二是实例层,主要结合电机调速的实例进行讲解;三是工程实践层,主要结合龙门吊的问题进行讲解。

在这样的教学内容下,学和用能够有效结合,极大激发了学生的学习兴趣,从根本上解决了“为什么要学习控制系统的数学模型”的问题。通过这次教学调节,较好地解决了学生学习动机的问题。通过教学内容的改革,以学生学习动机为突破口,本节课教学问题从是否达到教学目标转变为教学手段是否合适。

(三)第三次调节:从工程体系到哲学体系

在已有的教学内容基础上,还需要加强学生对马克思主义哲学理论中相关概念的认知。如图3所示的第3次调节。具体教学内容包括以下三个部分。

第一,控制系统。通过拉氏变换,将表示蓄能环节的微分变量线性化,提出线性控制系统的思考。从模型简化中,提出一些物理量无法简化,从而提出非线性控制系统的概念。结合传递函数,提出控制系统数学模型的表达形式问题。由这三个问题提出什么是控制系统:控制系统是使控制对象按要求保持在某一特定状态,这些特定状态通过一些物理量特定表达,而这些物理量的调整控制一般都落在相应的数学模型上。

第二,物质的客观实在性。首先,通过电机调速稳定性和龙门吊控制的稳定性问题,扩展提出系统的稳定性,进而引导学生思考“控制系统的传递函数不同,稳定性是否存在差异”。其次,指出控制系统的传递函数具有唯一性,强调这是控制系统客观存在的特征。最后,指出控制系统是客观存在的,其动态性能也是客观存在的,而与输入无关。从而提出关于物质客观实在性的思考。

第三,意识是客观存在的主观映像。从电机调速的控制需求和龙门吊的控制需求出发,提出不同控制需求可能有不同的输入输出量,从而引导学生认识输入输出。引入闭环控制系统的开环传递函数的思想,讲解虽然控制系统是相同的,但是不同的输入量和输出量与传递函数之间的联系。选用不同的输入和输出,特别是以扰动为输入,分析抗干扰能力,指出这就是一个认识客观事物的过程。进一步引导学生学习意识是客观存在的主观映像。选择不同的输入输出就是从不同的主观需要出发,认识控制系统这个客观实在。

通过以上扩展,学生对控制系统数学建模问题得到了更深层次的认知。通过三次反馈调节,对课程进行了分层和升华,在教学中融入思政教育,提升了教学纵深。通过引入工程实践和哲学认知问题,学生可以更好地理解控制系统的数学模型,能够在激发学生学习兴趣、改善学生学习动机的基础上,向更深、更广的领域进行扩展。

四、自主学习与合作学习

形成性评价的主要策略包含三个主体之间(教师、同伴与学习者)的共同作用。教师提供的反馈能够增强学习者的自主学习能力[9],同伴与学习者在形成性评价过程各步骤中都有需要承担的任务与角色。[10]

学生的自主学习在形成性评价中需要自我调节学习。自我调节学习可以分为三个阶段:第一阶段,通过与教师和同伴的反复交流,分析每个学习任务的目标和学习策略;第二阶段,使用这些策略并且通过循证评价进行自我监控;第三阶段,也是自我反思阶段,学生对学习成果进行自我评价,根据自我评价及时改善学习策略。形成性评价的内容必须是学生能理解且能够令学生信服的信息,该信息需要具体体现学生的差异,同时能做到及时评价。例如,通过循证评价了解到一名学生在学习梅森公式的应用过程中,在计算前向通道时总是出现错误。教师给学生的反馈不能仅是笼统地告知“梅森公式部分的学习没有达到阶段学习目标”,而应该具体、明确地告诉学生在学习梅森公式的过程中,哪个知识点的理解存在问题,并与学生讨论怎样解决问题,让学生清楚接下来该如何学习。让学生在反复讨论中自我调节、自我反思,逐渐掌握自主学习的方法,提高自主学习的能力。

学生之间的合作学习对于形成性评价过程同样重要。在教学实践中,可以将学生分成多个学习小组,小组成员在学习过程中分工合作,互相督促。这样不仅可以让学生有学的属性,还在某种程度上增加了教的属性。在教学实践中发现,有时教师花费精力和时间讲解一个知识点,但并没能准确把握学生的理解角度,导致教学效果没有达到预期。但已经理解的学生在教的过程中,更容易从学生的理解角度发现难点所在,能更容易帮助学习同伴快速达到学习目标。与此同时,学生间也会就学习思路、学习内容等方面交流讨论,也会促进学生的自我反思/在整个调节反馈的过程中,教师应在合作学习中起到组织和引领作用,积极鼓励学生开展合作学习。通过小组合作学习总结出来的学习经验往往能达到意想不到的效果。

五、结语

本文以广西科技大学自动化学院自动化专业学生为样本,以自动控制原理课程为例,开展了混合式教学模式下形成性评价的实践。在保证达成自动控制原理课程教学目标的前提下,利用线上线下双主线混合式教学,在控制系统分析和设计过程中构造测评点,并按难度系数分层次进行循证评价,以了解学生学情。基于学生的学情,通过三次教学调整:从理论到实例、从课本实例到工程实例、从工程体系到哲学体系的反馈调节过程改善了教学设计。通过及时反馈具备个体差异且令学生信服的学情信息,促进学生的自主学习和合作学习,提升学生的学习效果,提高学生对形成性评价的参与度,从而改善教学效果。自动控制原理课程教学过程形成性评价实践对该课程的持续改进具有指导意义。