機械工程控制基礎一流課程建設探索

胡月明，周 鵬，柳 飛，張 龍，張大斌

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

立德樹人是教育的根本任務。同時教育部在2018年的新時代全國高等學校本科教育工作會議上提出了“金課”建設思想。由此為建設符合新時代要求的一流專業(yè)下的一流本科課程，全國高校紛紛積極響應，開展了關于“立德樹人”和“金課”（一流課程）的課程改革和建設。而作為國家級一流本科專業(yè)建設點、中國工程教育認證專業(yè)和卓越工程師培養(yǎng)計劃專業(yè)的貴州大學機械工程學院機械設計制造及其自動化專業(yè)，自然亦對該專業(yè)下重要的專業(yè)必修課、專業(yè)基礎課和專業(yè)核心課——機械工程控制基礎課程提出了相應的改革和建設要求。

一 課程目標

機械工程學院（以下簡稱“我院”）機械工程控制基礎課程共2.5 學分，40 學時（含8 學時課帶實驗），開設在大學本科三年級上學期，正好位于基礎課和專業(yè)課交叉銜接時間節(jié)點上，是一門典型的專業(yè)基礎課，其知識特點在于以控制理論為核心，掌握科學的思維和方法將數(shù)學、力學、物理及電學等基礎理論知識與工程實際聯(lián)系起來，進而達到對工程實際系統(tǒng)進行分析、設計和校正的目的。由此，課程秉承貴州大學“興學育人”的辦學理念，基于機械工程學院“培養(yǎng)高素質(zhì)復合型人才”的專業(yè)培養(yǎng)目標，順應國家工程教育認證、新工科、立德樹人和“金課”（一流課程）的新教育思想和理念，圍繞知識、能力和素質(zhì)制定了本課程目標。

知識目標：重在掌握經(jīng)典控制理論相關知識，理解控制論的核心控制思想，深刻認識“穩(wěn)定性、快速性和準確性”三大中心要素，掌握系統(tǒng)分析、設計和校正的方法與原理，最終建立起一個系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論知識體系和知識架構(gòu)，為后續(xù)相關課程打下堅實的控制論基礎。

能力目標：在課程實施過程中注重培養(yǎng)學生自主學習和持續(xù)學習的能力以及知識遷移轉(zhuǎn)化和初步解決工程實際問題的能力。具體來說要培養(yǎng)學生能以控制論的思想架起系統(tǒng)、信息和機械工程聯(lián)系的“橋梁”，用系統(tǒng)和動態(tài)的觀點分析機械工程系統(tǒng)；能以經(jīng)典控制論為指導完成從系統(tǒng)建模、性能分析到設計校正的一整套解決方法和流程，達到初步解決實際工程問題的能力。

素質(zhì)目標：除專業(yè)知識學習外，課程更加關注對學生高尚品德和優(yōu)良品質(zhì)的培養(yǎng)，著力培養(yǎng)學生崇高的愛國情懷、嚴謹?shù)目茖W精神、良好的工程職業(yè)道德以及高尚的個人品質(zhì)等優(yōu)秀素養(yǎng)。以達到“鑄根培魂、立德樹人”的素質(zhì)教育目標。

二 教學環(huán)境與教學設計

（一）教學環(huán)境

由于機械工程控制基礎的課程知識體系及知識架構(gòu)都是從理論分析引申而出的，課程內(nèi)容具有抽象晦澀、理論性強和難學難懂的特點，且學生基本來自貴州省各地州，受限于區(qū)域教育特點、除個別學生外，大部分學生普遍基礎相對偏弱，自主學習能力不是很強，學習行為還是偏重依賴教師引導，加之我院的機械工程控制基礎目前課程建設實際情況，現(xiàn)階段還是采取了以線下課程為定位，因此，課堂教室便是我們最主要的教學陣地，課程重要的理論知識都集中在課堂上進行傳授，以達到準確、高效。同時，為有效幫助學生理解所學知識，重點依托實驗平臺將課程中抽象的理論知識進行仿真和模擬，達到可視可操作化，最終實現(xiàn)理論知識的實踐轉(zhuǎn)化和鞏固以及鍛煉學生初步動手解決問題的能力。此外在學習過程中，教師有意識地引導學生進行自主學習，學生可依托學校圖書館以及國家精品課，MOOC 網(wǎng)、網(wǎng)易公開課等網(wǎng)絡資源進行課外學習輔助，同時為解決大班教學中學生人數(shù)眾多難以一一顧及的難題，借助了例如釘釘、雨課堂、學習通等APP 進行教學輔助，有效提高課程的過程管理和效率，暢通了學習交流渠道，形成了良好的監(jiān)測與反饋。通過有效利用以上教學環(huán)境，將學習從課內(nèi)向課外延伸，將理論與實踐相聯(lián)系，將過程和結(jié)果并重。

（二）教學設計

在教學設計中，將課前、課中及課后的學習整合為一體。課前將教案PPT 等材料以及輔助資源通過釘釘?shù)确职l(fā)和推送給學生，要求學生進行預習，根據(jù)自身學情查漏補缺，從而促使學生帶著想法和問題來到課堂；課中教師會積極傳授和引導學生進行課程目標學習，從而使學生獲取新知進而解惑；課后還要安排一定的復習任務讓學生去消化和體會，進而將知識掌握于心。

具體教學中，為啟發(fā)和引導學生的求知欲和學習熱情，采取以問題為導向、適當?shù)那榫盀殇亯|，通過教師對知識體系的梳理，進而引導學生進行適當討論和應用，并給予點撥，最后再由教師進行總結(jié)歸納教學脈絡。例如，在系統(tǒng)穩(wěn)定性知識模塊教學中，教師會采取“2W1H”（Why、What、How）的教學形式，教師會預先設置問題“Why”——系統(tǒng)為什么需要穩(wěn)定，進而采取工程案例情景展示不穩(wěn)定系統(tǒng)的危害，進而拋出“What”——什么樣的系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，什么是系統(tǒng)的穩(wěn)定性？進而引出“How”——如何才能使得系統(tǒng)穩(wěn)定？其間教師在講授時會穿插和引導學生進行適當?shù)乃伎己陀懻摚瑢嵺`證明這種形式可以有效地提升學生學習注意力和參與度。同時在教學中也注意引入視頻資源、網(wǎng)絡資源、先進工程軟件MATLAB 等信息化手段結(jié)合課程內(nèi)容進行多媒介的融合教學，把先進技術和工程實際處理方法帶入課堂，做到與時俱進。為激發(fā)和提高學生學習興趣。例如引入網(wǎng)上無人機設計流程短視頻，其視頻特點是充分展示了控制理論以及Matlab 的應用，在講授校正知識模塊時，引入Matlab 進行分析和設計等。為充分激活學生學習能動性，著力培養(yǎng)學生的自主學習能力，教學中結(jié)合學情安排了一些適合的知識點作為自學內(nèi)容，例如梅森公式、動態(tài)誤差等。在動態(tài)誤差的自學內(nèi)容其中之一是要求學生舉例說明動態(tài)誤差與靜態(tài)誤差的區(qū)別，學生可以說是奇思妙想，腦洞大開，所舉例子涉及到工程、社會、生活、經(jīng)濟等，應該說取得了很好的自主學習和知識融會貫通效果。此外，為提高課程學習的挑戰(zhàn)度，除了傳統(tǒng)課后作業(yè)外，還設計了課外拓展任務，課外拓展任務不是簡單的課程知識的敘述和重復，而是課程知識的延續(xù)和應用，有探索型、工程問題型、理論型和應用型等，可以說是圍繞著課程的重難點所展開。

基于前述本課程的特點和線下課程的屬性，總的來說我們的教學方法是以教師為主導、學生為主體的探究式、問題式和自主式學習的復合型教學方法，多樣化的教學方法使課堂成為學生主動學習和積極思考的課堂，從而建立起知識、能力和素質(zhì)協(xié)同高效培養(yǎng)的課堂。新的教學形態(tài)更加強調(diào)的是學生的學習過程和學習效果。

三 教學創(chuàng)新

（一）“課課”有思政

本著“立德樹人，育人為先”的教育理念，課程結(jié)合時代發(fā)展結(jié)合課程專業(yè)知識內(nèi)容和體系共梳理了18項經(jīng)典思政教育橋段，基本做到了每個章節(jié)都至少有一個思政教育的融入，貫穿整個授課期間，其間既涉及國家集體利益、大政方針，又涉及到科學精神、道德品質(zhì)和個人價值素養(yǎng)；既涉及到生活又涉及到學習；既涉及到古代又涉及到當下；既涉及到國內(nèi)又涉及到國外?？芍^是將思政教育全方位多角度地結(jié)合了課程知識體系，使每次課不僅僅是學習知識、掌握技能的課堂，更是培養(yǎng)愛國情懷、科學精神、職業(yè)道德和健全人格的課堂。例如，介紹我國科學家錢學森所著的《工程控制論》的地位和作用時，除了強調(diào)錢學森在現(xiàn)代控制領域內(nèi)的巨大成績和貢獻，還設計講述了其當時著書的時代歷史背景，以及為國奉獻一生的事跡，從而將思政教育潛移默化地融入到課堂，以此激發(fā)學生的愛國主義熱情和艱苦奮斗、執(zhí)著探索的科學精神。值得一提的是在講述本知識點時，在新中國成立70 周年國慶大閱兵中出現(xiàn)的滑翔可變彈道式DF-17 近程彈道導彈讓世人驚嘆不已，紛紛稱贊國之強大，學生也是對之傾倒不已，這正是錢學森于上世紀中期所提出來的助推—滑翔式彈道。如此在課堂上靈活將知識體系和當下熱點結(jié)合的方式，使學生對錢學森景仰不已，更是對控制論倍感興趣，不僅激發(fā)了學生的學習熱情，更是通過錢學森的事跡思政于學生，當時可以說是起到了妙不可言的效果。

（二）全過程考核

此外，還完善了課程考核評價機制，見表1 和表2，使考核貫穿課程始終，從而很好地引導了學生重視學習的全過程，將過程與結(jié)果并重。

表1 課程考核成績構(gòu)成

表2 課程過程性考核計劃

（三）多媒介教學

同時嘗試將國家精品課、MOOC 網(wǎng)資源、公開課、網(wǎng)絡視頻、多媒體、Matlab 及釘釘?shù)荣Y源推薦和引入課程教學，實現(xiàn)多媒介融合教學，例如，我們推薦東北大學國家精品課（國家線上一流課程）機械工程控制基礎進行學習輔助，又如在學習拉普拉斯變換時，學生最多的疑問就是拉普拉斯變換究竟是怎么來的？為什么要用e-st對其積分？由此我們引入麻省理工學院數(shù)學系主任Arthur Mattuck 的公開課18.03——微分方程中拉普拉斯變換章節(jié)推薦給學生進行學習，廣博名師。再如，PID校正的分析和設計，教材中的原理講述和工程實例設計數(shù)學化嚴重，許多參數(shù)手工計算十分困難，且處理過程中充斥了簡化和忽略，學生理解接受和應用都很困難，為此采取先引導同學重點分析PID 校正的基本原理，深入理解掌握其校正思路，然后借由Matlab 將校正思路進行計算仿真實施，再讓同學仔細觀察對比教材例題的處理方法，要求學生倒過來討論總結(jié)書本方法與Matlab處理方法間的異同，這樣學生即掌握了PID 校正知識點，又有效地將先進工程實際設計方法與理論相結(jié)合起來。實踐證明采用多媒介融合的教學形式，極大地提升了課程先進性和教學效率、擴大了學習視野以及與工程實際處理方法和手段的聯(lián)系，有效保障了課程教學的創(chuàng)新性和目標的實現(xiàn)。

（四）高階與挑戰(zhàn)

課程教學中，充分重視學生的知識儲備與實際能力，不僅安排有教材上適合的知識點（如最小相位系統(tǒng)模塊），更是設置有教材以外的課外學習拓展任務，例如在學習系統(tǒng)微分方程知識模塊時，要求學生課后調(diào)查TMD 調(diào)諧阻尼器的原理和應用，并選擇臺灣101 大樓的風阻尼器進行分析和說明，具有相當?shù)奶魬?zhàn)性；再如，要求學生查閱學習工程實際中的動剛度與靜剛度知識，并說明對工程實際的影響；以及Matlab 的學習與應用等讓學生去主動探索和學習。應該說通過拓展任務訓練，有效地引導了學生將所學知識遷移到工程實際問題的解決之中，鍛煉培養(yǎng)了學生初步解決工程問題的思維能力，有效保障了課程知識的高階性、與工程的結(jié)合性以及學習的挑戰(zhàn)度。

四 教學反饋

根據(jù)最近一期教學質(zhì)量學生調(diào)查反饋統(tǒng)計，學生對課程的整體滿意度為9.59 分，對課程內(nèi)容質(zhì)量和課程教學模式的總滿意度均達到98.59%。在最近一期學校教學評教中，學生給教師的打分為98.207 和97.65 分，課程等級和教師等級分數(shù)均獲得A 級，以上數(shù)據(jù)說明本課程的教學確實得到了學生的歡迎和學校的認可。如圖1 所示，從最近兩期的學生成績統(tǒng)計來看，成績分布比較合理，說明本課程的教學方法和教學模式確有成效，有力的支撐了課程目標的實現(xiàn)。但及格和中等比例波動相對較大，說明新的教學模式對于學生的基礎、學習參與度和主動性要求更高，后期對于中等及中等偏下基礎同學的學習情況需要進一步地研究和關注。

圖1 最近兩期學生成績分布

此外，在課程團隊老師的引導下，部分學生參與了一些與課程相關的競賽，例如，中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽、中國大學生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽智能制造大賽等，并取得了一定的成績，這也從另一個角度間接證明了課程的教學成效。

五 展望

未來我們將繼續(xù)以“工程教育”“新工科”和“金課”（一流課程）的標準為課程建設指導，結(jié)合時代進步、自身特點和學情對課程文件、授課內(nèi)容、課后作業(yè)及拓展任務等教學資源等持續(xù)研討和更新修訂，以更符合課程目標的要求；同時為解決課程知識內(nèi)容抽象、難以理解的困難，也將嘗試引入和開發(fā)相關教具在課內(nèi)進行演示教學，以配合理論知識的學習和拉近與工程實際的聯(lián)系；此外為解決大班教學中學生基礎不一，尤其是中等偏下落后的同學學習，將課后作業(yè)微視頻講解制作納入建設之中，重點解決這部分同學的痛點問題，以提高整體課程目標達成度；另外，也將結(jié)合教學內(nèi)容持續(xù)對思政元素進行梳理和挖掘，堅持對黨和國家的新方針、新政策以及時事熱點進行學習，探索與課程內(nèi)容的有機結(jié)合點，探索思政教育如何無痕化以及如何有效地評價思政教育的成效。