基于學(xué)習(xí)力培養(yǎng)的控制類(lèi)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院 廣東廣州 511325

1 課題背景及研究?jī)?nèi)容

在“中國(guó)制造2025”背景下，飛速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)革命正推動(dòng)甚至迫使大學(xué)啟動(dòng)新一輪人才培養(yǎng)變革。2017年，教育部提出新工科改革計(jì)劃，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的人才供給方—大學(xué)進(jìn)行改革。2018年6月，教育部新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議提出了新時(shí)代高等教育改革發(fā)展“四個(gè)回歸”的基本遵循、“以本為本”的時(shí)代命題[1]。2019年2月，新工科建設(shè)與發(fā)展高峰論壇暨綜合性高校新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)展交流會(huì)相關(guān)負(fù)責(zé)人透露，2019年是新工科改革的深化之年。據(jù)悉，教育部還將推出不同類(lèi)型高校新工科建設(shè)的示范工程，推動(dòng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的人才供給側(cè)改革。

松山湖機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地發(fā)起人李澤湘表示：“大學(xué)培養(yǎng)出了能很好回答教師問(wèn)題的人，但培養(yǎng)不出發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定義問(wèn)題，并且能推進(jìn)問(wèn)題研究的人，而這是工科人才最主要的能力。如果不會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定義問(wèn)題，何談創(chuàng)新能力？”有不少學(xué)者提出，新工科改革必須有符合實(shí)際情況的“中國(guó)方案”。其核心在于，大學(xué)通過(guò)變革提供更寬松的環(huán)節(jié)，發(fā)揮學(xué)生的主體作用。也就是說(shuō)，大學(xué)本科教育不應(yīng)該局限在教上，更應(yīng)該體現(xiàn)在學(xué)上，是教與學(xué)的統(tǒng)一。傳統(tǒng)的以教師和學(xué)校為中心的教學(xué)模式，無(wú)法滿(mǎn)足新工科人才培養(yǎng)的需求，新工科的未來(lái)走向，必須真正以學(xué)生為中心。

新思維模式下的工程教育，以學(xué)生為中心：學(xué)生可能不需要其他人教，只需要一些指導(dǎo)，教師的責(zé)任是幫助學(xué)生創(chuàng)造知識(shí)，讓學(xué)生做自己想做的事，由此形成學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的氛圍。由此，學(xué)習(xí)力的培養(yǎng)至關(guān)重要。本項(xiàng)目以控制類(lèi)課程教學(xué)為例，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，鍛煉學(xué)習(xí)力為目標(biāo)，重組了控制類(lèi)課程群，構(gòu)建了線(xiàn)上線(xiàn)下融合的立體教學(xué)環(huán)境，滿(mǎn)足學(xué)生自定節(jié)奏和主動(dòng)學(xué)習(xí)的需求。以微機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)為例，探討了一種教學(xué)改革方案，注重課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)。

2 控制類(lèi)課程群重組

本項(xiàng)目在現(xiàn)有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)控制類(lèi)人才需求為切入點(diǎn)，整合、重組控制類(lèi)課程體系，形成適合我院應(yīng)用型新工科人才培養(yǎng)定位的遞進(jìn)式控制類(lèi)課程群。項(xiàng)目的關(guān)注點(diǎn)在于：通過(guò)控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)基本知識(shí)學(xué)習(xí)和基本技能訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)力，以形成終身成長(zhǎng)的教育理念。改革的重點(diǎn)在于：深刻理解計(jì)算機(jī)控制本質(zhì)，而不局限于某項(xiàng)控制技術(shù)或某個(gè)知識(shí)點(diǎn)本身。考慮到學(xué)院應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的人才培養(yǎng)方案，提出了控制類(lèi)課程群的重組方案(如圖1所示)。該方案具有分階段、遞進(jìn)式、可持續(xù)等特點(diǎn)，圖1中并未顯示課程實(shí)驗(yàn)。

圖1 控制類(lèi)課程群重組方案

方案中，將控制類(lèi)課程群設(shè)置為4個(gè)階段。

第一階段是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，包含了電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等電類(lèi)基礎(chǔ)課程。該階段是后續(xù)控制類(lèi)課程學(xué)習(xí)必須具備的硬件基礎(chǔ)。

圖2 線(xiàn)上線(xiàn)下融合的立體學(xué)習(xí)環(huán)境

第二階段是控制基礎(chǔ)，包括微機(jī)原理與接口技術(shù)、自動(dòng)控制理論、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等課程。該階段的學(xué)習(xí)目的是，領(lǐng)會(huì)控制是計(jì)算機(jī)技術(shù)的軟硬結(jié)合，硬件是基礎(chǔ)、軟件是核心的內(nèi)涵，為后續(xù)控制進(jìn)階課程的學(xué)習(xí)奠定軟硬件基礎(chǔ)。

第三階段為控制進(jìn)階，主要包括檢測(cè)與傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、PLC技術(shù)等。其中，傳感器技術(shù)是控制得以實(shí)現(xiàn)的前提，單片機(jī)是一種較為流行的計(jì)算機(jī)主機(jī)模式，單片機(jī)技術(shù)難度適中，易展開(kāi)教學(xué)內(nèi)涵的深化和教學(xué)外延的擴(kuò)展，選擇其作為控制類(lèi)課程的實(shí)踐訓(xùn)練較為恰當(dāng)。到此階段，基本完成了對(duì)控制類(lèi)課程群的基礎(chǔ)教學(xué)。

第四階段是控制高階，主要包括嵌入式系統(tǒng)、智能控制、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及其他。這部分內(nèi)容是為學(xué)有余力、期望在控制領(lǐng)域有更深入學(xué)習(xí)的學(xué)生設(shè)置。

3 線(xiàn)上線(xiàn)下融合的立體學(xué)習(xí)環(huán)境搭建

近年來(lái)，各大高校積極開(kāi)展線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)模式改革[2-4]，各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)平臺(tái)如雨后春筍般涌現(xiàn)。2018年本科教育的十大事件之一就是推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合：分兩批認(rèn)定公布1 291門(mén)國(guó)家精品在線(xiàn)開(kāi)放課程；慕課上線(xiàn)數(shù)量快速增長(zhǎng)至8 000余門(mén)(2018年年增長(zhǎng)量為4 800余門(mén))；認(rèn)定首批105項(xiàng)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，發(fā)布全球首個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目集中展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)、虛擬做真實(shí)驗(yàn)”。由此可見(jiàn)，線(xiàn)上線(xiàn)下融合是教學(xué)改革的大勢(shì)所趨。

本項(xiàng)目構(gòu)建以學(xué)生為主體的立體學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上線(xiàn)下融合、課堂內(nèi)外結(jié)合，充分利用各類(lèi)教學(xué)教育資源，從學(xué)生個(gè)體出發(fā)，倡導(dǎo)“自課”教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)力的鍛煉，加強(qiáng)師生互動(dòng)[5,6]。如圖2所示，在整個(gè)教學(xué)環(huán)境運(yùn)行中，圍繞學(xué)生這個(gè)中心，開(kāi)展課堂教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)，篩選、提供優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程資源，搭建新媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)等，教師則支撐整個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)境的良好運(yùn)行。立體學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建對(duì)教師的職業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力提出了更高的要求，根據(jù)學(xué)生需要進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程[7]。

立體學(xué)習(xí)環(huán)境中各組成部分在教學(xué)中各有所長(zhǎng)。

(1)課堂教學(xué)具有基礎(chǔ)性、規(guī)?；陀邢薅鹊奶攸c(diǎn)，其最主要的教學(xué)目的包括以下幾點(diǎn)。

首先，在有限的時(shí)間內(nèi)掌握各門(mén)課程的基礎(chǔ)知識(shí)。純粹的理論學(xué)習(xí)枯燥、抽象，形式單調(diào)，難以提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。為此考慮在控制類(lèi)課程的教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在不需增加硬件成本基礎(chǔ)上，突出主要因素，選擇合適的計(jì)算機(jī)仿真軟件，開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)。學(xué)生經(jīng)由上機(jī)實(shí)踐反復(fù)驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、定義問(wèn)題、解決問(wèn)題。如在微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)課程教學(xué)中引入Proteus仿真，用于學(xué)習(xí)I/O接口電路的設(shè)計(jì)、控制程序的設(shè)計(jì)；又在微如在自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)中引入MatLab仿真，用于理解控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的分析、頻率特性、控制算法的仿真分析等。

其次，梳理課程的知識(shí)體系框架。在課程教學(xué)中除了使用傳統(tǒng)的教學(xué)手段外，還可利用思維導(dǎo)圖這一工具構(gòu)建課程知識(shí)體系框架，類(lèi)似于樹(shù)葉的脈絡(luò)，從中心出發(fā)，向四周輻射，以發(fā)散的方式打開(kāi)思路，利用關(guān)鍵詞、關(guān)鍵圖像對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)及其相互關(guān)系進(jìn)行組織和優(yōu)化排序，幫助教師把握課程全局，對(duì)課程目的、內(nèi)容有更清晰的認(rèn)識(shí)。

(2)實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽和導(dǎo)師制?？刂祁?lèi)課程實(shí)踐性強(qiáng)，課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)是必備的環(huán)節(jié)，以滿(mǎn)足實(shí)踐能力的基本訓(xùn)練。而學(xué)科競(jìng)賽的主要作用在于以競(jìng)爭(zhēng)、成就感驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，形成發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、主動(dòng)學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題的良性循環(huán)，是學(xué)習(xí)力、綜合應(yīng)用能力鍛煉的有效手段。開(kāi)展導(dǎo)師制改革，讓盡量多的學(xué)生參與到學(xué)科競(jìng)賽和科技活動(dòng)中，例如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目、大學(xué)生課外科技活動(dòng)等，培養(yǎng)學(xué)生定義問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)。

(3)網(wǎng)絡(luò)課程是課堂教學(xué)的有效補(bǔ)充，其優(yōu)勢(shì)在于：首先，共享資源豐富，且易獲取。其次，優(yōu)質(zhì)的共享資源，很大程度上緩解了各高校教育資源不平衡的問(wèn)題，為廣大師生提供了可期待的上升空間和可行的實(shí)現(xiàn)途徑。再次，不受時(shí)間限制、地域限制，充分體現(xiàn)了教學(xué)的靈活性。最后，較好地包容了學(xué)生個(gè)體的差異性，學(xué)生可根據(jù)自身的需要安排學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)次數(shù)，選擇相應(yīng)難度的學(xué)習(xí)資源等。

(4)新媒體技術(shù)的好處在于：首先，學(xué)生通過(guò)碎片化學(xué)習(xí)，更加充分地利用時(shí)間；其次，尋找更大的學(xué)習(xí)共同體，不受時(shí)間、地域限制，抱團(tuán)學(xué)習(xí)，互相監(jiān)督、共同進(jìn)步，以分享促進(jìn)輸入，從被動(dòng)變主動(dòng)。最后，加強(qiáng)師生互動(dòng)，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，并對(duì)問(wèn)題及時(shí)回應(yīng)。

4 教學(xué)方案

別敦榮教授認(rèn)為“一本書(shū)的大學(xué)”是培養(yǎng)不出杰出人物的。而在多數(shù)的大學(xué)，“一節(jié)課的大學(xué)”“一張?jiān)嚲淼拇髮W(xué)”比比皆是。教師只在上課的時(shí)間與學(xué)生照面，課后沒(méi)有任何交流，學(xué)生只是為了考試學(xué)習(xí)[8,9]。以微機(jī)原理與接口技術(shù)課程為例(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“微機(jī)”)，設(shè)計(jì)課堂教學(xué)方案，發(fā)揮學(xué)生主體作用，加強(qiáng)師生互動(dòng)，提升教學(xué)效果。微機(jī)教學(xué)方案的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

(1)開(kāi)展線(xiàn)上線(xiàn)下混合式教學(xué)，學(xué)時(shí)比例的設(shè)置為線(xiàn)下/線(xiàn)上=1/2。以學(xué)習(xí)力鍛煉為目標(biāo)，倡導(dǎo)“自課”教育理念，滿(mǎn)足學(xué)生自定節(jié)奏的教育。選擇優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程作為“自課”教學(xué)資源，滿(mǎn)足主動(dòng)學(xué)習(xí)的需求，體現(xiàn)教學(xué)的個(gè)性化。建立QQ群，進(jìn)行課后答疑和作業(yè)輔導(dǎo)，加強(qiáng)師生互動(dòng)。

(2)從應(yīng)用型工科人才培養(yǎng)定位出發(fā)，微機(jī)課程教學(xué)總體上采用“四步走”教學(xué)：第一步，先案例再理論，由實(shí)踐引導(dǎo)理論，用具象化的方式闡明知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用；第二步，經(jīng)由實(shí)操訓(xùn)練加深對(duì)理論的理解；第三步，前兩步循環(huán)反復(fù)多次；第四步，綜合應(yīng)用，設(shè)置一個(gè)較綜合的選題，包含理論分析、軟件仿真和實(shí)物設(shè)計(jì)等。

(3)盡量采用案例式教學(xué)以實(shí)踐引導(dǎo)理論，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行分割、重組、補(bǔ)充，基于學(xué)習(xí)力培養(yǎng)的教育理念，按循序漸進(jìn)的原則構(gòu)建學(xué)習(xí)線(xiàn)索，在教學(xué)過(guò)程中注重知識(shí)的授予，也注重知識(shí)的屏蔽，圖3為一個(gè)學(xué)習(xí)線(xiàn)索構(gòu)建的案例。本項(xiàng)目對(duì)此方案進(jìn)行了試點(diǎn)，取得了較好的教學(xué)效果。

圖3 學(xué)習(xí)線(xiàn)索的構(gòu)建案例

5 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)改革項(xiàng)目的關(guān)注點(diǎn)在以下3個(gè)方面：一是，基于現(xiàn)有的教學(xué)資源，依據(jù)人才培養(yǎng)模式的特點(diǎn)，重組了控制類(lèi)課程群；二是，構(gòu)建了以學(xué)生為主體的線(xiàn)上線(xiàn)下融合的立體學(xué)習(xí)環(huán)境，倡導(dǎo)“自課”理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)力的培養(yǎng)；三是，以微機(jī)原理與接口技術(shù)課程為例，探討了教學(xué)改革方案。