打造控制科學(xué)與工程學(xué)科深度學(xué)習(xí)課堂的探索

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 福建廈門 361021

控制科學(xué)與工程是研究控制的理論、方法、技術(shù)及其工程應(yīng)用的學(xué)科，以控制論、系統(tǒng)論、信息論為基礎(chǔ)，研究各應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的共性問題，即為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，應(yīng)如何建立系統(tǒng)的模型，分析其內(nèi)部與環(huán)境信息，采取何種控制與決策行為[1]；而與各應(yīng)用領(lǐng)域的密切結(jié)合，又形成了控制工程課程豐富多樣的內(nèi)容?？刂瓶茖W(xué)的發(fā)展又是智能制造、大數(shù)據(jù)發(fā)展的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)，面對(duì)智能工廠、大數(shù)據(jù)社會(huì)的需求，作為工科研究生教育的重要學(xué)科，控制科學(xué)與工程專業(yè)肩負(fù)著培養(yǎng)具有批判性思維、解決復(fù)雜工程問題的卓越科研人才的重任[2-4]，以確保后繼為社會(huì)輸送高端科技人才。盡管高校課堂教學(xué)改革一直在進(jìn)行，但是控制科學(xué)與工程學(xué)科的課堂教學(xué)改革仍顯不足，存在課堂教學(xué)模式仍然過于死板、機(jī)械授課居多、授課知識(shí)面不夠廣泛、教學(xué)改革結(jié)果評(píng)價(jià)不足等問題，因此堅(jiān)持持久改革過程，打造深度學(xué)習(xí)的課堂仍值得探索[5,6]。

1 學(xué)科特征分析

控制科學(xué)與工程學(xué)科特征如圖1所示，該學(xué)科是20世紀(jì)最重要的科學(xué)理論和成就之一，其各階段的理論發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步都與生產(chǎn)和社會(huì)實(shí)踐需求密切相關(guān)，且任何時(shí)候都需要與時(shí)俱進(jìn)。面對(duì)當(dāng)今智能工廠、大數(shù)據(jù)等的社會(huì)需求，控制科學(xué)的發(fā)展又成為智能制造、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)和必要環(huán)節(jié)。控制科學(xué)以控制論、信息論、系統(tǒng)論為基礎(chǔ)，研究各領(lǐng)域內(nèi)不同具體對(duì)象的共性問題，然而它又無法脫離分析對(duì)象與環(huán)境信息[6]，這就必然要求將其融于不同領(lǐng)域的多種學(xué)科，從而對(duì)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到有力的推動(dòng)作用，并在學(xué)科交叉與滲透中表現(xiàn)出活力。面對(duì)與時(shí)俱進(jìn)的社會(huì)需求、工程教育模式和實(shí)踐教育改革的發(fā)展現(xiàn)狀，控制科學(xué)與工程以智能制造、智能工廠、機(jī)器人等領(lǐng)域?yàn)檩S心的課程體系優(yōu)化值得探討，以此為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)的課堂值得探索，用以保證課程的時(shí)效性、銜接和遞進(jìn)關(guān)系，保證理論課、實(shí)踐課均與學(xué)生的思考、創(chuàng)新相結(jié)合。學(xué)科的課堂學(xué)習(xí)秉承高校“全員育人”“全過程育人”的教育理念，順應(yīng)“中國(guó)制造2025”“人工智能”、物理信息系統(tǒng)和機(jī)器人等國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和本學(xué)科熱點(diǎn)動(dòng)向，逐步建立深度學(xué)習(xí)的課堂。

圖1 學(xué)科特征

學(xué)科的課程建設(shè)情況要符合國(guó)家行業(yè)發(fā)展需求和地域特色，滿足工程應(yīng)用背景，以便工作開展。以華僑大學(xué)為例：面向國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)、廈門經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，針對(duì)東南沿海特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案和課程結(jié)構(gòu)，與許多名校一樣在傳統(tǒng)的控制科學(xué)課程體系中，引入機(jī)器人學(xué)、智能控制導(dǎo)論等課程。并完善獎(jiǎng)助、管理、制度等培養(yǎng)保障體系，將學(xué)科研究、人才培養(yǎng)與染整、石材、電機(jī)、鞋帽和機(jī)械等行業(yè)需求緊密結(jié)合，在導(dǎo)師隊(duì)伍專長(zhǎng)的離散事件動(dòng)態(tài)、隨機(jī)濾波、容錯(cuò)控制、非線性系統(tǒng)等方面提煉研究行業(yè)的共性技術(shù)難題，培養(yǎng)研究生的理論和工程實(shí)踐能力。

2 深度學(xué)習(xí)課堂的特征 控制科學(xué)與工程培養(yǎng)目標(biāo)

控制科學(xué)與工程學(xué)科的培養(yǎng)目標(biāo)即體現(xiàn)為深度學(xué)習(xí)課堂教學(xué)應(yīng)有的特征，也是深度學(xué)習(xí)課堂模式的轉(zhuǎn)變(如圖2所示)。由單純的知性培養(yǎng)向綜合的人格培養(yǎng)轉(zhuǎn)變；由教師的講授向?qū)W生的主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變；由重視結(jié)果向重視過程轉(zhuǎn)變；由重視原有學(xué)術(shù)知識(shí)的繼承向創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。葉圣陶先生說：“教師之為教，不在全盤授予，而在相機(jī)誘導(dǎo)?！闭n堂以學(xué)生為主導(dǎo)、教師引導(dǎo)的模式開展，且教學(xué)模式是動(dòng)態(tài)變化的，要培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計(jì)、分析、實(shí)踐、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新的高階思維。

圖2 深度學(xué)習(xí)課堂的特征

人格培養(yǎng)體現(xiàn)為學(xué)術(shù)素養(yǎng)和道德素養(yǎng)培養(yǎng)，是對(duì)研究者進(jìn)行學(xué)術(shù)研究時(shí)內(nèi)在的規(guī)范和要求，是研究者在學(xué)術(shù)研討過程中所表現(xiàn)出來的綜合品質(zhì)。學(xué)術(shù)素養(yǎng)和道德素養(yǎng)包括學(xué)術(shù)意識(shí)、學(xué)術(shù)知識(shí)、創(chuàng)新精神、嚴(yán)謹(jǐn)為學(xué)等諸方面的綜合人格體現(xiàn)。

學(xué)術(shù)意識(shí)包括嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)、敢于提出問題和對(duì)學(xué)術(shù)問題的敏感性和批判性，也就是問題意識(shí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)。雨果曾說“人的智慧掌握著三把鑰匙，一把開啟數(shù)字，一把開啟字母，一把開啟音符。知識(shí)、思想、幻想就在其中”。該學(xué)科學(xué)生只有掌握了“非線性系統(tǒng)”“魯棒控制”“最優(yōu)化”等控制理論，并對(duì)智能體、航天器、智能電廠等對(duì)象和環(huán)境信息帶有強(qiáng)烈的探究心，再輔以大膽的頭腦風(fēng)暴想象和創(chuàng)新思維，對(duì)學(xué)術(shù)研究保持濃厚的興趣，才會(huì)隨時(shí)在學(xué)習(xí)和研究中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而努力去解決問題，并有所收獲。

控制論、信息論、系統(tǒng)論等學(xué)術(shù)知識(shí)是學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制專業(yè)知識(shí)和學(xué)術(shù)研究過程中經(jīng)過思維加工后形成的專業(yè)知識(shí)體系，豐富的知識(shí)積累是學(xué)術(shù)研究的基礎(chǔ)。當(dāng)知識(shí)積累到一定程度，各種知識(shí)之間會(huì)產(chǎn)生新的聯(lián)系，從而形成新的思想與觀念，思維也會(huì)隨之開闊。因而在學(xué)習(xí)過程中思考、探究、解決問題更能體現(xiàn)出知識(shí)的邏輯傳遞過程，其中的研討法、自主學(xué)習(xí)法、活動(dòng)體驗(yàn)法等都可以充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，并讓學(xué)習(xí)過程更活潑地得以體現(xiàn)。

創(chuàng)新精神是研究生在努力學(xué)習(xí)本學(xué)科和相關(guān)研究方向的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，做到融會(huì)貫通、學(xué)以致用，并勇于開拓，運(yùn)用創(chuàng)新思維提出新方法、新觀點(diǎn)以及新理論，學(xué)會(huì)高階的思維方式。給學(xué)生留有創(chuàng)新的空間和時(shí)間，在加強(qiáng)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特色研究方向的基礎(chǔ)上，圍繞國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)需要，進(jìn)一步開拓新的研究方向，促進(jìn)學(xué)科交叉融合和集成發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新項(xiàng)目、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、會(huì)議交流、研討會(huì)交流等活動(dòng)課堂，在拓展其思維的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

3 深度學(xué)習(xí)課堂的教學(xué)模式是控制科學(xué)與工程必備教學(xué)模式

由于控制科學(xué)與工程學(xué)科并不隸屬于某一行業(yè)，作為一門學(xué)科，它總結(jié)歸納了大自然中普遍存在的規(guī)律，因此結(jié)合控制科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，滿足國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，利用地域產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建多樣靈活的課堂教學(xué)模式勢(shì)在必行。如華僑大學(xué)在知識(shí)體系授課中，即將染整、石材、電機(jī)、鞋帽和機(jī)械等行業(yè)對(duì)象融入課堂教學(xué)模式中(如圖3所示)。在講授、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)、微課堂、慕課、研討等過程中，將分析對(duì)象預(yù)設(shè)成與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的一個(gè)個(gè)主題系列，通過一系列將具體研究對(duì)象與教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系的問題設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)象和本質(zhì)的統(tǒng)一中進(jìn)行探究，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容研究的興趣、科學(xué)的理性精神、強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)和較強(qiáng)的科研學(xué)習(xí)、參與意識(shí)及能力。

圖 3 深度學(xué)習(xí)課堂的教學(xué)模式

根據(jù)不同高校的發(fā)展方向和特色以及地域行業(yè)特色，結(jié)合機(jī)械工程學(xué)科、電氣工程學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科等交叉學(xué)科，共同構(gòu)建控制科學(xué)與工程學(xué)科的課程體系，開設(shè)機(jī)器人學(xué)、電機(jī)與拖動(dòng)、矩陣論等相關(guān)學(xué)科課程，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的課堂，設(shè)立特色課堂主題，如“機(jī)器人故障診斷”“機(jī)器人軌跡規(guī)劃”“電機(jī)自抗擾控制”等主題，讓學(xué)生主動(dòng)設(shè)計(jì)、分析、實(shí)踐、評(píng)價(jià)、創(chuàng)新，從而避免學(xué)生的主體地位流于形式。

學(xué)科發(fā)展要遵循陶行知先生的“要活的書，不要死的書；要真的書，不要假的書；要?jiǎng)拥臅灰o的書；要用的書，不要讀的書。”總體而言，要以生活為中心的教學(xué)做指導(dǎo)，不要以文字為中心的教科書思想，把控制科學(xué)與工程學(xué)科學(xué)的理論和實(shí)踐結(jié)合，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)，并請(qǐng)企業(yè)專家臨場(chǎng)授課，以及走入企業(yè)學(xué)習(xí)實(shí)踐。真正將機(jī)械臂建模、工廠建模、化工過程建模、機(jī)床建模，優(yōu)化與決策理論應(yīng)用、控制理論應(yīng)用、檢測(cè)理論應(yīng)用、計(jì)算機(jī)語言應(yīng)用在實(shí)際系統(tǒng)上得以實(shí)踐、理解。

蘇霍姆林斯基說“只有讓學(xué)生不把全部時(shí)間都用在學(xué)習(xí)上，而留下許多自由支配的時(shí)間，他才能順利地學(xué)習(xí)……”這是教育過程的邏輯。教師亦遵循這個(gè)邏輯，給學(xué)生灌輸活動(dòng)課堂的思想，推動(dòng)他們參與交流、會(huì)議、社會(huì)活動(dòng)等，懂得并有意識(shí)地自己支配時(shí)間，主動(dòng)達(dá)成目標(biāo)。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制

教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制起到課堂教學(xué)的反饋效果(如圖4所示)，其目的為：一是掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，二是了解教學(xué)質(zhì)量，三是更好地激勵(lì)和鞭策學(xué)生學(xué)習(xí)，四是對(duì)應(yīng)社會(huì)需求變化深度學(xué)習(xí)課堂的再調(diào)整。特別是控制學(xué)科，與時(shí)俱進(jìn)、學(xué)科交叉性、工程實(shí)踐需求特性明顯，為了更好地實(shí)現(xiàn)這些目的，要努力提高課堂教學(xué)效果，從而提高學(xué)科質(zhì)量。

學(xué)科評(píng)價(jià)機(jī)制需做到以下幾點(diǎn)。

(1)綜合評(píng)價(jià)機(jī)制。綜合評(píng)價(jià)機(jī)制涵蓋知識(shí)體系和綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)課堂的教學(xué)，遵循發(fā)展性、及時(shí)性、差異性、激勵(lì)性、連續(xù)性、整體性等原則，按照人格評(píng)價(jià)、課程評(píng)價(jià)、成果評(píng)價(jià)、活動(dòng)課堂評(píng)價(jià)等完成綜合評(píng)價(jià)。

(2)多樣化評(píng)價(jià)形式。發(fā)展的社會(huì)帶來的是多樣化的人格需求，已經(jīng)不再是單純的理論課分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)的時(shí)代。教學(xué)活動(dòng)參與、科研活動(dòng)參與、學(xué)校和社會(huì)活動(dòng)參與、成果體現(xiàn)均可以作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而評(píng)價(jià)形式又有所不同，構(gòu)建多角形評(píng)價(jià)體系，從而評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合人格以及課堂的教學(xué)效果。

(3)多元化評(píng)價(jià)主體。導(dǎo)師評(píng)價(jià)、研究生秘書評(píng)價(jià)：從教師的視角進(jìn)行知識(shí)體系和學(xué)術(shù)素養(yǎng)的客觀評(píng)價(jià)；并充分利用身邊資源，收集多方材料，將指導(dǎo)教師、任課教師、學(xué)生評(píng)價(jià)等匯總評(píng)價(jià)。

學(xué)生互評(píng)、自我評(píng)價(jià)：從學(xué)生視角自我認(rèn)識(shí)、自我反省，體現(xiàn)真實(shí)自我；便于監(jiān)督、對(duì)比，更清楚地認(rèn)識(shí)自我。

控制科學(xué)與工程學(xué)科中以上評(píng)價(jià)機(jī)制以專業(yè)課人工智能、模式識(shí)別課堂為例，可以以課堂討論為參與形式評(píng)價(jià)，以工業(yè)對(duì)象選題、仿真和實(shí)驗(yàn)為實(shí)踐評(píng)價(jià)，以課程論文為寫作形式評(píng)價(jià)，以小論文、計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)、專利和發(fā)表等進(jìn)行成果評(píng)價(jià)，以共同任務(wù)的分工合作情況進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作評(píng)價(jià)，再匯集創(chuàng)新性評(píng)價(jià)等形成最終綜合評(píng)價(jià)體系。學(xué)生就業(yè)后，對(duì)其1～2年的單位員工考核評(píng)價(jià)進(jìn)行收集，亦可作為回饋信息輔助課堂改革。

圖4 教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制

5 結(jié)語

控制科學(xué)與工程課堂改革的終極目標(biāo)是為了社會(huì)科技需求發(fā)展和每名學(xué)生的發(fā)展，改革包括道德、能力、個(gè)性、信念、知識(shí)、實(shí)踐等多方面。經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的課堂對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，利用評(píng)價(jià)反饋機(jī)制，對(duì)控制科學(xué)與工程學(xué)科課堂教學(xué)進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，進(jìn)行適應(yīng)社會(huì)需求的教學(xué)反思和各學(xué)科協(xié)作反思，形成控制論中的“閉環(huán)改革”機(jī)制。隨著智能、大數(shù)據(jù)社會(huì)需求的不斷變化，該過程并非一朝一夕就可完成，要經(jīng)過長(zhǎng)年的培養(yǎng)過程、評(píng)價(jià)機(jī)制、深度課堂自適應(yīng)調(diào)整，最終讓課堂教學(xué)變成真正的深度學(xué)習(xí)課堂。