新工科背景下的船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)模式初探

吳軍 李維嘉 郭卉 何莎莎

[摘 要]針對(duì)目前船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)中存在的突出問題，項(xiàng)目組結(jié)合新時(shí)代工科教育變革的要求，以國際先進(jìn)的CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)面向知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)的船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式，并給出在新工科背景下船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)模式改革的實(shí)施途徑和方法。

[關(guān)鍵詞]新工科;教學(xué)模式;知識(shí);能力;素質(zhì);深度學(xué)習(xí)

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）06-0048-04

隨著以物聯(lián)網(wǎng)、3D打印、大數(shù)據(jù)、人工智能為核心的第四次工業(yè)革命的興起，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，以及以新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，社會(huì)對(duì)工程科技人才的培養(yǎng)提出了更高要求，迫切需要加快新時(shí)代新時(shí)期的大學(xué)工科教育變革。為此，2017年2月，國家發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，并組織專家學(xué)者開展了一系列的大學(xué)新工科建設(shè)研討，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”等。這標(biāo)志著我國的大學(xué)工科教育步入了新篇章[1]。

所謂的新工科是指針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)，以物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)科學(xué)和工業(yè)智能為核心的工科專業(yè)，抑或?qū)⒃朴?jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能和機(jī)器人等應(yīng)用于傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造[2， 3]。其內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，通過繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享等方式，面向未來培養(yǎng)國際化、多元化和創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才。船舶與海洋工程專業(yè)是融合了力學(xué)、機(jī)械、信息、控制、材料等學(xué)科，具有鮮明行業(yè)特色的傳統(tǒng)工科專業(yè)，也是國家實(shí)施海洋強(qiáng)國和制造強(qiáng)國等戰(zhàn)略的重要依托，為國防建設(shè)、船舶建造和海洋開發(fā)等培養(yǎng)高精尖人才。因此，船舶與海洋工程專業(yè)理應(yīng)成為新工科專業(yè)建設(shè)的排頭兵。

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程是船舶與海洋工程專業(yè)的一門基礎(chǔ)核心課程。它以船舶和海洋平臺(tái)上的機(jī)電系統(tǒng)（裝備）為對(duì)象，通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、電機(jī)、控制元件、調(diào)速模塊等基礎(chǔ)知識(shí)的講授，著力培養(yǎng)學(xué)生提出、分析與解決船舶機(jī)電系統(tǒng)工程問題的能力，使學(xué)生具備一定的船舶機(jī)電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與分析能力。該課程是輪機(jī)自動(dòng)化、水下機(jī)器人、船舶建造工藝、船舶輔機(jī)等后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，具有承上啟下的意義?；诖?，本文以國際先進(jìn)的CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育理念為指導(dǎo)，通過系統(tǒng)分析船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問題，探討新工科背景下船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)模式改革的途徑與方法。

一、船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)的現(xiàn)狀與存在問題

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程是基于大班授課，學(xué)生人數(shù)大于50名。目前，主要采取的是課堂教學(xué)與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，以教學(xué)大綱和教材為指導(dǎo)，以知識(shí)傳授為主。在新工科專業(yè)建設(shè)的背景下，從CDIO工程教育理念的視角，重新審視船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程在教學(xué)過程中存在如下主要問題：

（一）教學(xué)內(nèi)容更新慢，明顯滯后于新技術(shù)發(fā)展

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)仍然是基于教學(xué)大綱，以教材為中心，教學(xué)內(nèi)容涉及機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、直流與交流電機(jī)、繼電器與接觸器控制、可編程控制以及調(diào)速系統(tǒng)等。目前，大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人等新技術(shù)的發(fā)展非常迅速，并在船舶與海洋工程領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。由于技術(shù)成熟度、出版周期等各種因素的影響，這些最新技術(shù)及其工程應(yīng)用并沒有在相關(guān)教材中得到及時(shí)更新，使得船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)內(nèi)容略顯陳舊。這一方面影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，另一方面也使得培養(yǎng)的學(xué)生難以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。

（二）教學(xué)方法單一，缺乏知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)舉措

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)仍然是以教師為中心，采用注入式填鴨教學(xué)模式，重心主要在教授傳授知識(shí)點(diǎn)和剖析案例上，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)灌輸，忽視了教師的個(gè)性化指導(dǎo)以及學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、解決問題能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等培養(yǎng)。由于學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)能力的差異性，采用的教學(xué)方法與教學(xué)手段也應(yīng)多樣化，否則將難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力與素質(zhì)三維一體化培養(yǎng)。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源固化，不適應(yīng)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)裝置是交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模組線性直線滑臺(tái)導(dǎo)軌/滾珠絲桿工作臺(tái)。它是由專業(yè)公司設(shè)計(jì)與制造的，由于保密或高度集成化、模塊化等方面的原因，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)固化，學(xué)生必須嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書去完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自主性實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，這制約了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、面向知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)的船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式設(shè)計(jì)

CDIO工程教育理念是由美國麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等機(jī)構(gòu)聯(lián)合創(chuàng)立的先進(jìn)工程教育模式，代表了現(xiàn)行國際工程教育的最新成果[4]。它根據(jù)卓越工程技術(shù)人員必須具備的知識(shí)、能力和素質(zhì)，系統(tǒng)全面地定義了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn)。CDIO工程教育的核心理念是以產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)作的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)和實(shí)踐等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)，從而將學(xué)生培養(yǎng)成既具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又具備較強(qiáng)的專業(yè)技能與素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。基于此，針對(duì)目前船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)中存在的主要問題，結(jié)合CDIO工程教育模式的意愿、大綱和標(biāo)準(zhǔn)等核心文件要求，項(xiàng)目組構(gòu)建了新工科下的船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式。

圖1所示的是船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式的體系架構(gòu)。它是以項(xiàng)目為牽引，以知識(shí)傳授為主體，以能力提升為核心，以素質(zhì)教育為目標(biāo)，以案例教學(xué)為手段，將大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)融入電機(jī)原理、調(diào)速控制等知識(shí)點(diǎn)的講解中，通過課堂翻轉(zhuǎn)、小組討論、自主實(shí)驗(yàn)等方式，實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的知識(shí)、能力與素質(zhì)教育融為一體，相互滲透，協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)目標(biāo)。具體內(nèi)容包括：

（一）知識(shí)-能力-素質(zhì)一體化培養(yǎng)教學(xué)體系再設(shè)計(jì)

根據(jù)CDIO工程教育的教學(xué)大綱要求，項(xiàng)目組重新設(shè)計(jì)了船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)的教學(xué)體系，包括知識(shí)模塊、能力模塊與素質(zhì)模塊。三個(gè)模塊相互關(guān)聯(lián)、有機(jī)融合，使學(xué)生能夠勝任產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作全壽命周期中的所有工作。

知識(shí)模塊將船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的授課內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)、核心工程基礎(chǔ)知識(shí)和高級(jí)工程基礎(chǔ)知識(shí)?；A(chǔ)科學(xué)知識(shí)包括電力電子學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式、電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理等。核心工程基礎(chǔ)知識(shí)包括機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件、電機(jī)的機(jī)械特性、可編程控制的工作原理與編程元件等。高級(jí)工程基礎(chǔ)知識(shí)包括電機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)特性、電機(jī)調(diào)速控制、可編程控制器的編程技巧等。

能力模塊著重培養(yǎng)船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生的工程推理和分析解決問題能力、實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)知識(shí)能力、系統(tǒng)思維能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與交流能力等。通過設(shè)計(jì)若干典型案例，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)工程問題進(jìn)行分析與描述，建立工程模型，進(jìn)行定性分析與不確定性因素分析，大膽提出解決方法和建議。開展自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出假設(shè)，鼓勵(lì)學(xué)生通過查閱專業(yè)文獻(xiàn)資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，并進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)與求證。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生的整體思維和大工程觀等系統(tǒng)思維能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作與交流能力。

素質(zhì)模塊是從船舶機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)思與工程化、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行全過程培養(yǎng)學(xué)生的大工程視野、職業(yè)道德和人文情懷等。在船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程中，通過水面無人艇、液壓舵機(jī)等綜合課程設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)。

（二）基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐變革

互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展與普及，突破了傳統(tǒng)教育的局限，拓寬了學(xué)生的眼界和快捷獲取知識(shí)渠道。然而，隨之也出現(xiàn)了知識(shí)碎片化、信息娛樂化、淺層讀圖等現(xiàn)象，導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)深度缺乏等問題。依據(jù)CDIO工程教育的12條標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目組開展了船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的教學(xué)實(shí)踐變革，以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。具體包括主動(dòng)經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)教學(xué)、一體化學(xué)習(xí)教學(xué)等。

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的主動(dòng)經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)教學(xué)是將自上而下和自下而上教學(xué)方式進(jìn)行融合，通過諸如問題引導(dǎo)、案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等方式，開展自下而上的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生在做中學(xué)，將知識(shí)獲取與主動(dòng)實(shí)踐過程聯(lián)系起來，從而提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和自覺性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力;結(jié)合自上而下的教學(xué)，通過教師的剖析或知識(shí)串聯(lián)，學(xué)生能更深刻地理解知識(shí)和系統(tǒng)全面地掌握知識(shí)。

船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程的一體化學(xué)習(xí)教學(xué)是以具體工程產(chǎn)品為對(duì)象，將工程實(shí)踐問題和學(xué)科問題相結(jié)合，通過翻轉(zhuǎn)課堂和小組研討等方式，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用系統(tǒng)和批判性思維對(duì)問題進(jìn)行分析與陳述，提出解決方案，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用各種潛在的工具、方法和工程技術(shù)，主動(dòng)實(shí)際，解決遇到的工程實(shí)際問題，從而破除存在的重“學(xué)”輕“術(shù)”的現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的工程問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等（見圖1）。

三、船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式的實(shí)施途徑

（一）以知識(shí)模塊為主線，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的深度學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心的教學(xué)模式，更注重知識(shí)傳授。然而，隨著以互聯(lián)網(wǎng)為代表信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑越來越多，如慕課、網(wǎng)絡(luò)公開課、云課堂等[5-7]。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，教師需要將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行融合，以知識(shí)模塊為主線，以能力培養(yǎng)與素質(zhì)教育為目標(biāo)，通過課堂教學(xué)的深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。具體方法如下：

首先，按照船舶機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，將船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)內(nèi)容模塊化，包括動(dòng)力學(xué)知識(shí)模塊、電機(jī)知識(shí)模塊、控制系統(tǒng)知識(shí)模塊、調(diào)速系統(tǒng)知識(shí)模塊。每個(gè)知識(shí)模塊教學(xué)，按照“要點(diǎn)問題—基本概念—基本原理—實(shí)現(xiàn)方法”展開，并結(jié)合若干典型案例，深入剖析知識(shí)點(diǎn)和重難點(diǎn)，同時(shí)將大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)新方法融入各個(gè)知識(shí)模塊講解過程中，不斷調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性。

再者，通過教學(xué)交流QQ群、課堂調(diào)查、課后作業(yè)等形式、收集與甄別學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的疑點(diǎn)或共性問題，在課堂上以案例教學(xué)為手段，進(jìn)行深入講解，引導(dǎo)學(xué)生將新知識(shí)整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)同化或順應(yīng)過程，深化對(duì)新知識(shí)的理解與長期保持。

在此基礎(chǔ)上，在每個(gè)知識(shí)模塊中設(shè)計(jì)一次翻轉(zhuǎn)課堂，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)或變式學(xué)習(xí)，并制作PPT進(jìn)行課堂講解和討論，在主動(dòng)學(xué)習(xí)過程中感受、領(lǐng)悟、構(gòu)建知識(shí)，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為技能。同時(shí)，通過在復(fù)雜、豐富、多變的應(yīng)用場景中錘煉所學(xué)技能，將所學(xué)知識(shí)遷移應(yīng)用到實(shí)際工程問題中，實(shí)現(xiàn)對(duì)新知識(shí)的深度理解與內(nèi)化，提升解決實(shí)際工程問題的能力。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多層次化構(gòu)建

根據(jù)船舶機(jī)電傳動(dòng)課程實(shí)驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，將實(shí)驗(yàn)分為必做、選做和自主實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次。在必做與選做實(shí)驗(yàn)中教師制定實(shí)驗(yàn)要求，闡述實(shí)驗(yàn)原理，給定具體實(shí)驗(yàn)步驟，并列出一系列實(shí)驗(yàn)思考題。在具體的教學(xué)方法上，提倡個(gè)人思考、小組討論和獨(dú)立實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)的意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。在自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，自主擬定實(shí)驗(yàn)方案，并由教師審核通過后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。多層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生共性提高和個(gè)性發(fā)展的有機(jī)結(jié)合。

（三）教學(xué)過程監(jiān)控與考核改善

將課程最終的考核轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)、能力和素質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，分別從教學(xué)效果、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和試卷考核等方面建立相應(yīng)的過程監(jiān)控與考核體系，如表1所示。通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程與效果進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力和交流溝通能力，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

四、結(jié)束語

本文首先論述了在加快建設(shè)新工科專業(yè)背景下開展船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)模式改革的重要意義。再者，以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)，系統(tǒng)分析了船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)的現(xiàn)狀，并指出課堂教學(xué)中存在的主要問題。接著，設(shè)計(jì)了面向知識(shí)、能力與素質(zhì)一體化培養(yǎng)的船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式，并探討新工科背景下船舶機(jī)電傳動(dòng)控制課程教學(xué)新模式的實(shí)施途徑。研究結(jié)果對(duì)于在新時(shí)期推動(dòng)船舶與海洋工程專業(yè)的建設(shè)等具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 余壽文. 工程教育評(píng)估與認(rèn)證及其思考[J]. 高等工程教育研究， 2015（3）： 1-6+24.

[2] 原帥，賀飛. 哈佛大學(xué)工學(xué)院發(fā)展戰(zhàn)略及其對(duì)新工科建設(shè)的啟示[J]. 高等工程教育研究， 2018（2）： 67-70+89.

[3] 張國榮. 基于深度學(xué)習(xí)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)踐[J]. 高教探索， 2016（3）： 87-92.

[4] 周悅，胡媛，劉雨青，吳燕翔. 基于知識(shí)能力素質(zhì)培養(yǎng)的電路課程教學(xué)改革[J]. 教育教學(xué)論壇， 2016（31）： 88-89.

[5] 張浩強(qiáng). 基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《機(jī)電傳動(dòng)控制》課程教學(xué)改革方法研究[J]. 教育教學(xué)論壇， 2016（19）： 91-92.

[6] 余宏亮，張雅君. 基于翻轉(zhuǎn)課堂的微課程教學(xué)法建構(gòu)[J]. 重慶高教研究， 2017（4）： 6-16.

[7] 李政民卿， 王黎娜， 陸鳳霞， 鮑和云， 靳廣虎. 美國基礎(chǔ)教育給中國工科研究生專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)的啟示[J]. 大學(xué)教育， 2014（11）：22-23.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]