基于“兩性一度”的機電傳動與控制課程教學改革

陳乃超，王 昊，馬行馳，謝 飛

（上海電力大學能源與機械工程學院 上海 201306）

為了進一步提高我國高等教育本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，教育部先后提出了“雙萬”計劃和新工科、新醫(yī)科、新文科和新農(nóng)科建設(shè)，打造一流課程[1-2]，旨在振興我國高水平本科教育，形成高水平人才培養(yǎng)體系，全面提高本科生人才培養(yǎng)水平，開創(chuàng)高等教育新局面，建設(shè)高等教育強國，為將我國建成社會主義現(xiàn)代化強國提供強大的人才支撐和智力支持[3]。

2018年6月的中國高等學校本科教育工作會議上，教育部對全國的高校教師發(fā)起了號召，通過合理增加課程難度，提升學業(yè)的挑戰(zhàn)度，激發(fā)學生的學習動力和興趣，淘汰“水課”，建設(shè)“金課”，著實提高課程教學質(zhì)量[4]。隨后，針對如何設(shè)計和實施“金課”，教育部進一步提出了建設(shè)的標準，并將“金課”設(shè)定為一流課程，提出課程的評價標準采用“兩性一度”來衡量：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。同時，再次強調(diào)課程在人才培養(yǎng)過程中的重要地位，處于核心要素[5]。根據(jù)“金課”標準，努力實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)變，即從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為中心、從以考試為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W習為中心、從以學科為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫I(yè)為中心，強調(diào)學生在教學中的主體地位，發(fā)揮學生在教學中的自主性、能動性和創(chuàng)造性[6-7]。

課程在人才培養(yǎng)過程中作為核心要素，是學生大學期間獲取知識和技能的主要來源。課程質(zhì)量好壞直接關(guān)系到學生的學習動力和學業(yè)水平[8]。通過建設(shè)一流課程，可以有效提升學校專業(yè)的知名度，增強學生對于專業(yè)的認知，提高學生的主動性和積極性，拓寬學生對于專業(yè)知識的認知度[9]。常規(guī)課程雖然能夠讓大多數(shù)學生掌握課程的基本理論知識，但是僅限于課本的教學具有一定的局限性。一般而言，教學內(nèi)容的更新落后于科學發(fā)展，新技術(shù)、新知識融入課堂的速度較慢。這使得學生理論聯(lián)系實際不足、創(chuàng)新意識不強，缺乏最新的解決方法及仿真工具的使用能力[10]。因此，梳理課程內(nèi)容、拓展課程深度，提高課程教學質(zhì)量[11]，積極調(diào)動學生的主觀能動性，讓學生主動參與到一流課程實施中，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力[12]，逐漸成為課程改革和建設(shè)的重點和實現(xiàn)課程“金課”建設(shè)的目標。

“機電傳動與控制”作為機械電子工程專業(yè)的一門必修專業(yè)課，是學生學習和掌握機電傳動與控制知識的主要途徑，也是獲取電機基本原理與拖動相關(guān)知識的重要課程。有效提高課程的教學效果，更好地實現(xiàn)以學生為中心的教學理念，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，是新時代本課程教學改革需要解決的關(guān)鍵問題。

1 “兩性一度”的概念

“兩性一度”是根據(jù)“金課”建設(shè)的要求，提出的用于衡量課程的標準，即“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”。高階性，是知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學生的綜合能力和高級思維。創(chuàng)新性，是課程內(nèi)容反映的前沿性和時代性，教學形式體現(xiàn)先進性和互動性，追求學習的探究性和個性化。挑戰(zhàn)度，是指課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，對教師和學生提出較高要求[13]。課程具有高階性，對于教師備課和學生學習就具有一定的挑戰(zhàn)性。要使課程達到“高階性”，課程內(nèi)容和課程形式就必須具有“創(chuàng)新性”[14]。創(chuàng)新必須要突破學生的慣性和傳統(tǒng)認知思維，使學生獲得解決復雜工程問題的思維和能力。同時，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，新技術(shù)與教學內(nèi)容的融合可以有效培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力[15]?？梢钥闯?，這三者之間是相輔相成，互相支持的。“兩性一度”的課程不能墨守成規(guī)，應與時俱進改變教學方法，充實教學內(nèi)容，將課程內(nèi)容與實驗實踐課程相結(jié)合，挖掘?qū)W生更大的潛力[14，16]。

2 “機電傳動與控制”的課程教學改革

2.1 對標“兩性一度”要求的教學改革

“機電傳動與控制”課程是一門傳統(tǒng)的機電類專業(yè)課程，應用性較強，可以為后續(xù)機電產(chǎn)品和設(shè)備的動力源設(shè)計提供知識和技術(shù)。多年來，課程內(nèi)容相對比較固定，教授內(nèi)容在全國范圍內(nèi)形成了較為普遍性的共識，因此，課程的邏輯安排、內(nèi)容設(shè)置、實踐輔導等具有一定的成熟度，教學和授課方式也逐漸形成了統(tǒng)一的認識。但是，隨著教學方法、教學工具和教學手段的不斷發(fā)展和更新，以及國家對教育理念和教學思維提出了更高的要求，結(jié)合一流課程建設(shè)要求，開展“機電傳動與控制”課程的“兩性一度”教學內(nèi)容和教學方法的改革顯得非常迫切和必要。

結(jié)合本課程的特點，根據(jù)“兩性一度”的定義和內(nèi)涵，本文探索了課程開展“兩性一度”框架下的教學的改革。

2.2.1 高階性

培養(yǎng)解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維可以為高階性的實現(xiàn)提供有效手段。復雜工程問題的解決不僅僅需要學生對某一知識點的理解和應用，更需要能夠綜合應用多個知識點或者多個學科的知識點。對接實際工程，機電產(chǎn)品設(shè)計除了正確的技術(shù)原理方案外，還包含多維領(lǐng)域的需求，這將改變原有的理論設(shè)計，進而綜合優(yōu)化，設(shè)計出滿足工程應用的最優(yōu)的產(chǎn)品或設(shè)備。

基于上述分析，課程在基本知識講授的基礎(chǔ)上，引入現(xiàn)代機電產(chǎn)品設(shè)計和分析技術(shù)，增強學生對產(chǎn)品的設(shè)計分析能力，強化學生掌握現(xiàn)代分析工具的能力，培養(yǎng)學生綜合設(shè)計和分析工程問題的能力。在每章內(nèi)容中增加復雜機電工程問題分析的大型作業(yè)或基于CADe-SIMU的仿真模型。如機電系統(tǒng)動力學內(nèi)容，給出牛頭刨床整機的機電動力學分析要求，在此基礎(chǔ)上，考慮到節(jié)能機電設(shè)計，要求學生在市場成本及競爭條件下進行設(shè)計，實現(xiàn)最優(yōu)化；在三相異步電動機設(shè)計中，給出火力發(fā)電廠引風機電動機設(shè)計與控制的設(shè)計大作業(yè)，要求學生不僅僅要考慮到執(zhí)行動作及邏輯的實現(xiàn)，還需按照高可靠性的要求進行綜合設(shè)計。設(shè)計以小組為單位，利用仿真軟件，進行復雜機電系統(tǒng)CADe-SIMU仿真設(shè)計，獲得設(shè)計模型，并進行相應的性能分析，最后每個小組進行匯報，實施競賽，根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和答辯情況決定每個小組的成績，并將成績計入最后考試成績。

2.1.2 創(chuàng)新性

為了實現(xiàn)創(chuàng)新性目的，教師應緊緊結(jié)合前沿性課題，以矛盾論和工程需求為牽引，激發(fā)學生探究性思維，突出自我解決問題的能力。隨著現(xiàn)代機電技術(shù)的發(fā)展，為提高設(shè)計和分析的效率，產(chǎn)生了許多先進、高效的工具。利用專用工具進行工作也是目前行業(yè)的通用方式。因此，為提高問題分析和解決能力，課程團隊將先進機電系統(tǒng)分析軟件引入課堂，為學生創(chuàng)新提供工具基礎(chǔ)，也為問題高效解決提供可能。

基于以上分析，在原有的課堂教學基礎(chǔ)上，課程教學中添加CADe-SIMU模擬電器電路軟件和Proteus控制器仿真軟件的學習，使得學生掌握目前解決工程問題的分析工具。通過計算軟件的仿真可以直觀、形象、動態(tài)地展示所學內(nèi)容，加速學生對知識的理解，大幅提高學生以工程化思維進行設(shè)計的能力，有利于學生形成自我分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；引入算法設(shè)計和實踐等，強化學生利用計算機技術(shù)進行計算、優(yōu)化和設(shè)計的思維，提高學生解決復雜工程問題的能力，為學生進行探究性研究提供技術(shù)和工具支持；以電機控制優(yōu)化和專用機電工程項目為導向，如風力發(fā)電機組電動變槳距系統(tǒng)的電動機設(shè)計與控制，引導學生在機電控制方法和策略、機電系統(tǒng)優(yōu)化和控制運動綜合上的技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)設(shè)計和問題解決的個人方案，激發(fā)學生在論文發(fā)表、技術(shù)方案設(shè)計、工程技術(shù)文檔撰寫上能力的提升。

2.1.3 挑戰(zhàn)度

針對本課程而言，主要涉及電機的基本原理和工程應用的內(nèi)容，因此，挑戰(zhàn)度的內(nèi)容需要根據(jù)這兩方面內(nèi)容的特點進行設(shè)計。從基本原理出發(fā)，挑戰(zhàn)度的內(nèi)容更多體現(xiàn)在對基本理論的深刻理解。理論推導過程在對基本原理的理解中具有重要作用，也是面對復雜問題深入分析的基礎(chǔ)，因此，可以以理論推導為手段，形成基本原理理解的挑戰(zhàn)度；針對工程應用內(nèi)容，原有分析和作業(yè)多集中在給定詳細的工程參數(shù)和需求，方案或者答案多是固定的，學生按照流程和公式計算就可以獲得正確答案，學生的主動性和創(chuàng)新性受到約束。要提高工程應用的挑戰(zhàn)度，可以打破原有固定和圈定下的問答模式，充分調(diào)動學生的主動性，以學生自我思考為牽引，學生通過個人探索給出自己的獨特方案。同時，在該過程中學生需要積極思考，以有效激發(fā)學生的創(chuàng)新性。因此，將“固定性”回答轉(zhuǎn)變?yōu)椤白晕倚浴眴柎?，可以有效提高工程問題教學內(nèi)容的挑戰(zhàn)度。

基于以上分析，為了實現(xiàn)挑戰(zhàn)度目的，針對應用型人才培養(yǎng)的要求，從基本原理出發(fā)，適當添加原理的機理分析以及理論推導過程，使得學生對知識掌握得更加深刻，如增加對于異步電動機磁場分析，對知識難點的公式矢量分析進行理論推導，這樣的過程分析可以讓學生更好理解并加深對該難點問題的理解和應用。此外，將教學的重點放在提升復雜工程問題解決能力上，該部分分為兩個層次，第一層次為基本的機電系統(tǒng)分析，提出機電系統(tǒng)大作業(yè)和軟件計算仿真的方法，重點解決高精度、高時效、高效率耦合下的機電系統(tǒng)性能分析；第二層次為機電系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)綜合，針對現(xiàn)實機電工程特殊實際需求和工程問題，提出結(jié)構(gòu)方案、尺度設(shè)計和控制方案，激發(fā)學生創(chuàng)新能力，提高學生在解決問題后的獲得感。

2.2 課程內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，建設(shè)“新工科”課程

如前所述，本課程主要內(nèi)容為機電系統(tǒng)的基本原理和應用，前期多以關(guān)注課程本身的知識點為基礎(chǔ)，更多放在教會學生知識點，而并沒有過多涉及當前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況和需求。如現(xiàn)在講授的理論分析及其推導過程，仍然采用一步一步的邏輯分析和繪圖說明，而實際工作中，現(xiàn)有的軟件繪圖技術(shù)非常發(fā)達，不需要進行手繪，且CAD分析法非常方便，精度高，大幅節(jié)省了設(shè)計時間；同時EDA軟件也發(fā)展迅速，直接通過專用軟件就可以仿真出電流和電壓情況?？梢钥闯?，在傳統(tǒng)的課程中，在對理論的分析和計算方法上需要與時俱進，要與目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況相吻合，跟上時代的步伐，否則培養(yǎng)出的學生知識結(jié)構(gòu)將會與社會需求存在差距。

本課程將在分析和計算上，引入軟件仿真設(shè)計理念，重點在CADe-SIMU和Proteus等設(shè)計工具上對學生進行引導和教育，提升學生對目前技術(shù)的認識；同時，引入前沿科技問題，如多目標機電系統(tǒng)最優(yōu)化，大數(shù)據(jù)條件下的機電結(jié)構(gòu)選型與分析等，加深學生對未來技術(shù)發(fā)展的認識。

2.3 發(fā)揮線上信息化優(yōu)勢，構(gòu)造線上線下混合式課程新范式

在疫情期間，線下教學存在一定困難，甚至無法開展，因此進行線上教學十分必要，學生可以通過線上反復觀看課堂教學內(nèi)容，避免了以前上課未能及時消化帶來學生不理解知識點的局限性。學生可以通過視頻和教學資料實現(xiàn)自學。對于教師而言，利用線上課堂問答、作業(yè)和考試等方式，可以及時了解學生的學習情況，這是線上教學的優(yōu)勢。例如，可以很容易對一章或幾節(jié)內(nèi)容進行考試，時間隨意，不受地域限制，也無需準備紙質(zhì)試卷等，該類考試由于范圍較小，可以將所有需要注意的知識點都考慮到，能夠及時反映學生對知識的真實掌握情況，以便教師分析，及時調(diào)整教學方向。

基于上述分析，本課程充分利用線上教學的優(yōu)勢，提出以評為主線，實現(xiàn)學生自學、重點講授、工程問題牽引、課余時間一體化的教學和學習新范式。對部分較容易理解的內(nèi)容，教師可在線上提供若干優(yōu)質(zhì)講授視頻和多媒體課件，要求學生自己自學，不在課堂上進行講述，該部分內(nèi)容通過以評促學方式進行考查，即通過線上作業(yè)和考試進行評定；對于重點內(nèi)容，以線下教學為主，重點解決學生對知識點的理解，線上提供相關(guān)教學視頻，并配上相應知識點的例題和詳細解題分析視頻，實現(xiàn)全天候、全視角的知識點解析，直至學生掌握。提出工程問題，目的是培養(yǎng)學生學以致用的能力，給出復雜機電問題，挑戰(zhàn)工程難題，以及先進分析方法等，該部分內(nèi)容重點在于布置任務、過程監(jiān)督、問題解答等工作。核心的工作是學生通過課余時間來完成，實現(xiàn)課上和課下時間比例為2:3的學習模式，充分將學生課余時間利用起來，實現(xiàn)對學生知識和技能的培養(yǎng)。

實現(xiàn)過程化考核，不以期末考試定最終成績，按照章節(jié)考試、復雜問題及實踐環(huán)節(jié)、期末考試、課堂互動情況、出勤與作業(yè)的比例為30:30:25:5:10進行分配成績。

3 結(jié)論

基于“兩性一度”的金課標準，通過培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維為主線，在基本知識教學基礎(chǔ)上，增加復雜機電工程問題分析的大型作業(yè)或基于CADe-SIMU的仿真模型，提高了高階性；通過引入仿真軟件等先進分析軟件，提高學生通過計算機解決問題的能力，引導學生在解決機電控制方法、機電系統(tǒng)優(yōu)化和控制運動綜合上的技術(shù)創(chuàng)新，提高了創(chuàng)新性；從基本原理出發(fā)，添加原理的機理分析以及理論推導過程，提升學生對工程問題的解決能力，使得學生對知識掌握得更加深刻，達到了挑戰(zhàn)度的目的。同時把課程內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，引入軟件仿真設(shè)計理念，重點在工業(yè)設(shè)計和分析軟件等設(shè)計工具上對學生進行引導和教育，提升學生對目前產(chǎn)業(yè)技術(shù)的認識。課堂學習內(nèi)容采取線上線下混合式課程新范式，多維度地獲取學生的學習反饋信息，使得教學模式更加靈活有效，實現(xiàn)教學的信息化，提高了教學效率和學生自主學習的能力。通過“機電傳動與控制”課程的教學改革，進一步培養(yǎng)了學生創(chuàng)新實踐和解決問題的能力，提高了課程整體的教學水平。