《機械控制工程基礎(chǔ)》課程建設(shè)與思政探索

曹軼然，吳軍，郭艷捷

（1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津；2.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

隨著我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，對于生活的方方面面，都有了更高的要求。高等教育作為影響社會發(fā)展水平、人口素質(zhì)、國家競爭力的重要部分，需要超前識變，把握科學(xué)前沿和國家市場需求，培養(yǎng)符合社會要求的接班人才。我國目前處在“世界百年未有之大變局”[1]，新科技和產(chǎn)業(yè)革命就在眼前，如何合理調(diào)整教育教學(xué)內(nèi)容和方法，培養(yǎng)適應(yīng)未來需求的新一代人才，成為各高校的重要議題。自2017年起，經(jīng)復(fù)旦共識、天大行動、北京指南，正式開啟了我國新工科建設(shè)。鐘登華院士提出了“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越人才”的新工科內(nèi)涵[2]。各高校[3-5]均結(jié)合自身的特點和情況，積極響應(yīng)、創(chuàng)新推進，更新教學(xué)培養(yǎng)方案，改變教與學(xué)的行為。其中課程思政是目前高校落實思想政治教育工作的必然手段和方法之一。將思政教育融入專業(yè)課教育，充分挖掘?qū)I(yè)課程內(nèi)容和專業(yè)思想的精神，使學(xué)生掌握控制工程專業(yè)知識的同時提升思想素質(zhì)和道德品質(zhì)，構(gòu)建起全員、全程、全方位育人的一流課程。本文在新工科建設(shè)的背景下，考慮基于OBE理念的一流課程建設(shè)要求，分析《機械控制工程基礎(chǔ)》課程的問題和現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的建設(shè)方案。

二 機械控制工程課程分析

《機械控制工程基礎(chǔ)》課程是機械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析設(shè)計能力、綜合創(chuàng)新能力,運用包括數(shù)學(xué)、自動控制理論等知識、科學(xué)方法和工具解決機械工程基本問題。該課程有較強的理論和實踐性，涉及較多的數(shù)理知識，有較強的學(xué)科交叉性質(zhì)，且理論性較強，概念較為抽象。

《機械控制工程基礎(chǔ)》是中國民航大學(xué)機械類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要授課內(nèi)容是運用現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識、自動控制理論和信息技術(shù)來分析、設(shè)計典型機電控制系統(tǒng)。旨在培養(yǎng)學(xué)生運用科學(xué)方法和工具來解決機械工程基本問題的系統(tǒng)分析設(shè)計能力、綜合創(chuàng)新能力。該課程主要面向機械電子工程、飛行器動力工程和飛行器制造工程的大三年級進行授課。課程后續(xù)課程包括《機電一體化技術(shù)》《航空發(fā)動機控制》等專業(yè)課程。

通過對機械控制工程的課堂教學(xué)、實驗過程和教學(xué)效果分析、討論及思考，課程教學(xué)中主要存在幾點問題。首先，對理論知識的理解和掌握較為局限，難以在實驗和實際中應(yīng)用理論知識。該課程通過安排包括MATLAB和電機轉(zhuǎn)角控制的實驗幫助學(xué)生理解所學(xué)，但在實驗中可以看出，絕大多數(shù)學(xué)生對于所學(xué)不熟悉，在實驗中常出現(xiàn)捉襟見肘，需要臨時閱讀書上概念的現(xiàn)象。不過多數(shù)學(xué)生在實驗后可以對理論所學(xué)有進一步的認識。由此可知，與實際應(yīng)用的結(jié)合更有利于引起學(xué)生的興趣，加深印象，理解所學(xué)。其次，學(xué)習目的集中于應(yīng)試，學(xué)習熱情不足。由于該課程應(yīng)用了較多的數(shù)理理論知識，對于基礎(chǔ)知識掌握不扎實的學(xué)生來說，較難結(jié)合理論理解和應(yīng)用，對于控制知識的學(xué)習浮于表面的公式和記憶，導(dǎo)致了應(yīng)試型學(xué)習，同時限制了學(xué)生的學(xué)習熱情。最后，本課程安排了MATLAB軟件應(yīng)用實驗，并在課程中介紹和展示了使用MATLAB軟件進行控制理論分析的基本方法，要求學(xué)生參考課本自主學(xué)習該軟件。但根據(jù)實驗效果來看，學(xué)生對于學(xué)習該工具類軟件興趣不足，愿意嘗試使用的人并不多。在當前社會發(fā)展下，使用計算機軟件作為理論分析工具或者仿真工具，已成為必備技能，編程甚至成為中小學(xué)生的學(xué)習內(nèi)容。因此，提升學(xué)生對于工具軟件的掌握應(yīng)用非常重要。

綜合以上分析，可知該課程開展中有諸多問題亟待解決。在新工科建設(shè)中，對于學(xué)生的培養(yǎng)目標進行了更加詳細的分析和設(shè)計。新版大綱中，本課程不僅要求學(xué)生掌握概念理論，同時要求學(xué)生具有基本的機電和復(fù)雜機械系統(tǒng)的控制問題的分析、求解和論證能力。從新大綱的課程任務(wù)可以看出，本課程需要進一步改革建設(shè)，以滿足新的課程大綱和新工科建設(shè)要求。根據(jù)課程現(xiàn)狀和分析，參考各高校針對控制類課程的改革方案[6-8]，構(gòu)思課程改革的基本方案和思路。

三 基于OBE理念的《機械控制工程基礎(chǔ)》課程改進探索

根據(jù)以上對于課程中存在問題的分析，根據(jù)新工科要求，結(jié)合OBE的教學(xué)理念，融入思政教學(xué)內(nèi)容，采用以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進的思想，結(jié)合討論式、案例式[6]及問題引導(dǎo)式教學(xué)模式，對該課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)形式提出了新的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 《機械控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

（一） 結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)工具，適當安排自學(xué)內(nèi)容

OBE教學(xué)理念要求為目標產(chǎn)出導(dǎo)向，需結(jié)合學(xué)生需求，制定培養(yǎng)目標、課程目標，再分解至每節(jié)課的授課內(nèi)容，完成目標需求。根據(jù)大綱要求，并根據(jù)學(xué)生反饋意見，考慮調(diào)整全線下授課方式，將學(xué)生反饋可自學(xué)的第2、3章的部分內(nèi)容調(diào)整為線上學(xué)習。本課程在疫情期間已建立起基于智慧樹的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，提供包括課程大綱、課件、教學(xué)視頻、習題等資源，具備一定的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)能力。通過線上線下混合式教學(xué)，采用網(wǎng)絡(luò)平臺的自學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以自主學(xué)習，并可進行線上討論。

實際教學(xué)實踐中，可采用問題引導(dǎo)式的教學(xué)方式，通過智慧樹、雨課堂等線上工具，提出課程內(nèi)容相關(guān)的分析論述和計算思考題目，由淺至深引導(dǎo)學(xué)生通過線上視頻，自學(xué)第2、3章內(nèi)容，并完成相應(yīng)的練習和作業(yè)。練習可考慮將計算題目同分析論述題目交叉安排，根據(jù)課程內(nèi)容，對應(yīng)每節(jié)部分。題目可由簡單的概念解釋，基礎(chǔ)計算到復(fù)雜的綜合應(yīng)用問題。要求學(xué)生自學(xué)完成后以報告的形式提交word文檔完成作業(yè)。該部分內(nèi)容主要以線上學(xué)習的形式進行，可適當?shù)陌才抛鳂I(yè)的線上或線下交流，以學(xué)生提出問題的形式，討論課程內(nèi)容，加深學(xué)生理解。該部分教學(xué)提升學(xué)生的自學(xué)能力，并可通過作業(yè)、討論等方式，提升學(xué)生的表達能力和應(yīng)用軟件工具的能力。

（二） 結(jié)合案例式教學(xué)，培養(yǎng)應(yīng)用知識、分析解決復(fù)雜問題能力

線下教學(xué)部分，重視第一節(jié)課的課程引論和歷史發(fā)展介紹，可以通過實際演示實驗、視頻等更加豐富有趣的形式引起學(xué)生注意力，提高興趣，加深理解。第4章到第6章內(nèi)容較為復(fù)雜抽象，根據(jù)學(xué)生反饋，概念內(nèi)涵較難理解，采用線下教學(xué)。

由于本課程中書本內(nèi)容理論分析為主，雖然結(jié)合了部分實際案例，但對于工程經(jīng)驗缺乏、專業(yè)課程剛剛起步的學(xué)生而言，比較難以想象。尤其從第3章到第6章，內(nèi)容由時域轉(zhuǎn)為頻域分析，學(xué)生對于頻域的接受程度較低，難以理解其中含義，且其中采用的復(fù)變函數(shù)的分析方法較為難懂。為使學(xué)生可以更好地學(xué)習和應(yīng)用理論，并、串聯(lián)實驗和后續(xù)課程內(nèi)容考慮選取直流電機、直線運動工作臺等典型系統(tǒng)作為案例式教學(xué)，采用理論分析、MATLAB仿真分析，結(jié)合現(xiàn)場演示實物實驗，課程中進行更加直觀的理論內(nèi)容的應(yīng)用和展示。

在作業(yè)中同樣可以加入少量綜合分析題目，采用小組學(xué)習討論形式進行，鼓勵學(xué)生通過理論分析、MATLAB仿真等方式分析問題，并適當給出課上報告分析時間、討論時間，應(yīng)用所學(xué)。

（三） 結(jié)合討論式教學(xué)，充分挖掘思政內(nèi)容，通過表達討論激發(fā)興趣

以學(xué)生為中心的教學(xué)中更重視學(xué)生的學(xué)習、理解和表達，目前由于課堂主要以教師教授為主，學(xué)生較少表達，作業(yè)完成情況各異，抄襲現(xiàn)象難以避免，教師難以掌握學(xué)生實際的學(xué)習情況。適當縮短2、3章內(nèi)容占用的時間，分配1-2節(jié)課時間作為學(xué)生課程思政內(nèi)容討論，討論作業(yè)或綜合分析題目的時間。

以課程思政內(nèi)容舉例，通過討論控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引申學(xué)生如何面對挫折。從高中邁入大學(xué)，大學(xué)生初次獨自面對生活、社交、獨立學(xué)習、時間安排等復(fù)雜的問題，很容易在突然缺少父母幫助的環(huán)境中陷入焦慮和不安，導(dǎo)致身心健康問題?？刂葡到y(tǒng)正常工作的首要條件是穩(wěn)定性。而實際系統(tǒng)在工作中容易受到外界和內(nèi)部因素的影響，就如我們的學(xué)習生活，很容易會偏離理想軌跡，我們的首要工作是保持自己的穩(wěn)定性，如何排除干擾項，可以考慮增強高頻濾波，即提升心態(tài)，學(xué)會區(qū)分主次問題，將次要的干擾項排除在外，同時提升增益和積分，使自己保持穩(wěn)定的同時提升自己的能力，可以更好地解決復(fù)雜問題的影響?？梢栽诹曨}討論中將習題作為思政教學(xué)需要的挫折問題，通過提問、課堂練習，輔助以思政元素和價值觀的引導(dǎo)，幫助學(xué)生正確看待學(xué)習上的挫折和困難，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會正確分析問題和困難，久而久之可以提高學(xué)生的抗挫折能力和積極面對困難的精神。同時在習題分析計算過程中，還可以通過計算錯誤和計算困難等問題，融入細致思考、認真分析等思政內(nèi)容，避免粗心和得過且過的學(xué)習態(tài)度。

可以采用分組討論、小組擂臺等形式，請各組學(xué)生分析作業(yè)，講解自己的思路，進一步活躍課堂氛圍，通過討論了解學(xué)生的學(xué)習情況，反饋學(xué)習效果，同時訓(xùn)練了學(xué)生獨立思考、團隊協(xié)作、表達和寫作等能力。

該部分內(nèi)容實踐較為困難，如何分組及每組人數(shù)、如何把握課堂時間、如何調(diào)動每位學(xué)生參與、如何選取綜合題目及課程中學(xué)生人數(shù)等均會影響課堂實踐效果。該部分需要多年調(diào)整建設(shè)，通過實踐效果反饋來持續(xù)調(diào)整。

（四） 考核方式比例分配調(diào)整

新大綱要求考核分為三個部分，分別為實驗20%，平時成績20%及考試60%，可以看出，相對于舊版考試成績占70%，提高了平時成績及實驗在考核中所占比例。傳統(tǒng)的平時成績以到課率及作業(yè)提交為標準。考慮目標導(dǎo)向的教學(xué)思路，為使學(xué)生達到課程目標，需要將課程目標所考查的內(nèi)容在考核中體現(xiàn)。在新的課程目標中，學(xué)生分析復(fù)雜問題的能力較難體現(xiàn)，可以通過將課程討論、綜合分析題目等部分加入平時分數(shù)，來體現(xiàn)分析能力的評估。學(xué)生的實驗?zāi)芰?、軟件能力等可以采用實驗成績來進行評價。

在實踐中，平時成績及實驗成績的量化考核通常較為困難，根據(jù)目標為導(dǎo)向的思路，可以通過將評級量化指標表格化，讓學(xué)生依據(jù)每條指標，在實驗及分組討論中完成指標要求，以互相評分的方式作為平時成績及實驗成績的一部分。這樣學(xué)生比較有參與感的同時，可以讓學(xué)生實事求是，面對自己的問題，并且可以有目的地提升個人能力。

同時學(xué)生的課程考核評估成績亦可作為課程持續(xù)改進的評估內(nèi)容，通過分析學(xué)生課程考核中的三項成績和綜合成績，可以判斷課程內(nèi)容選擇、作業(yè)安排、實驗內(nèi)容等部分是否合理，并不斷調(diào)整具體的實施內(nèi)容和方案，形成課程的持續(xù)改進。

四 結(jié)語

本文從筆者角度對于中國民航大學(xué)《機械控制工程基礎(chǔ)》課程現(xiàn)狀及問題進行了分析總結(jié)，結(jié)合新工科建設(shè)要求及新版教學(xué)大綱，采用基于OBE教學(xué)理念，考慮了課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式的改革建設(shè)方案。針對該課程理論難度大、交叉學(xué)科多、數(shù)理知識要求高、學(xué)生學(xué)習較為困難，較難理解、想象和應(yīng)用，學(xué)習熱情難以激發(fā)等問題，提出了相應(yīng)的改革方案。通過探索增加課程思政內(nèi)容，綜合分析作業(yè)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習、案例式教學(xué)、討論式教學(xué)等課程教學(xué)方式，調(diào)整課程考核比例分配，以期提升學(xué)生在學(xué)習中的主動性，修正學(xué)生的學(xué)習目標，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習能力、知識應(yīng)用能力、分析復(fù)雜問題能力、寫作表達能力和思想道德水平的共同進步。