面向“兩性一度”標準的工科專業(yè)課程教學改革

盛春陽　蓋文東　盧曉

［摘 要］“金課”建設是提升人才培養(yǎng)水平和教育質(zhì)量的重要手段。文章基于“兩性一度”標準對工科專業(yè)課程教學改革進行研究，具體以現(xiàn)代控制理論課程為例，從課程特點和教學現(xiàn)狀分析出發(fā)，并在課程教學目標、教學內(nèi)容、教學方法、課程評價方式等多方面給出改革措施，以期將現(xiàn)代控制理論課程打造成為自動化類專業(yè)“金課”，提高自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

［關鍵詞］現(xiàn)代控制理論；“兩性一度”；課程教學；“金課”

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0043-04

課程是落實“立德樹人”根本任務的具體化、操作化和目標化。2018年，時任教育部部長陳寶生提出要合理增加課程難度，拓展課程深度，擴大課程的可選擇性，真正把“水課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[1]?，F(xiàn)代控制理論課程是自動化類專業(yè)的基礎課、核心課，是后續(xù)專業(yè)主干課學習的基礎，是開展控制領域?qū)W術研究的基礎，將現(xiàn)代控制理論課程打造成工科專業(yè)“金課”，對培養(yǎng)自動化類專業(yè)學生解決復雜工程問題能力和綜合素養(yǎng)至關重要。

一、課程特點及教學現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容設置一般包括狀態(tài)空間法和最優(yōu)控制基礎兩個部分，具有理論性強、實用價值高、可延續(xù)性強的特點。理論性強是指課程學習需要有扎實的數(shù)學和物理基礎，如控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模、狀態(tài)空間的模型求解、穩(wěn)定性分析等，都離不開數(shù)學工具和物理分析；實用價值高是指課程核心內(nèi)容聚焦控制器和觀測器設計，可廣泛應用于工程實踐；可延續(xù)性強是指現(xiàn)代控制理論課程是后續(xù)本科課程運動控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、計算機控制等的先修課程，也是控制科學與工程學科碩士研究生課程線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應控制等的基礎課程，更是研究生階段開展控制理論研究的學術基礎。

目前，傳統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論課程教學內(nèi)容趨于固定化，在教學設計和教學方法上雖然做出部分嘗試，但還需要進一步開展課程教學綜合改革?，F(xiàn)代控制理論課程改革的關鍵點如下：

一是課程具有理論性較強的特點，涉及較多的理論推導和證明，課程教學難度大。作為工科專業(yè)課，如何避免工科課程理科化，如何避免內(nèi)容枯燥，以此激發(fā)學生的學習樂趣，吸引學生的注意力，需要在課程改革中進一步探索。

二是課程內(nèi)容具有重要的實用價值，教學過程中如何緊密聯(lián)系工程實際，如何將專業(yè)背景融入課程教學，如何將行業(yè)發(fā)展與國家需求融入課程教學，提升學生對專業(yè)和課程的認可度，這亟須在教學過程中予以解決。

三是課程具有較強的延展性，課程教學應緊靠科技發(fā)展前沿。如何將前沿科技進展與時代特征合理融入課程教學，如何將科學研究精神融入課程教學，以此激發(fā)學生對前沿科技的興趣，增強學生對科學研究的熱情，是一項重要的工作。

二、“兩性一度”的內(nèi)涵分析

“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，是衡量“金課”的標準?！案唠A性”強調(diào)知識、能力、素養(yǎng)的有機融合。通過課程教學培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，體現(xiàn)在工科課程教學過程中就是以學生為中心，實現(xiàn)德育與專業(yè)教育并重，理論教學與工程實踐并重?！皠?chuàng)新性”要求課程內(nèi)容反映前沿性和時代性，不斷根據(jù)領域內(nèi)研究進展與技術革新更新課程教學內(nèi)容；教學形式呈現(xiàn)先進性和互動性，根據(jù)課程特點不斷創(chuàng)新教學方式方法，激發(fā)學生的積極性和主動性；使學習結(jié)果具有探究性和個性化，同時創(chuàng)新學習結(jié)果考核方式，考核標準注重多元化，以此激發(fā)學生的創(chuàng)造性和靈動性?！疤魬?zhàn)度”是課程有一定難度，體現(xiàn)在課程教學內(nèi)容有一定難度和深度，教師需要精心設計教學內(nèi)容，學生課后需要進行深入思考，這對教師備課和學生課后學習提出較高要求。

基于課程內(nèi)涵分析，課程組對課程教學改革的要點進行了提煉，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：德育與專業(yè)教育有機融合、課程教學內(nèi)容設置與時俱進、教學模式與方法不斷革新、考核評價機制多元化設計?；凇皟尚砸欢取睒藴实默F(xiàn)代控制理論課程教學改革設計思路如圖1所示。

三、現(xiàn)代控制理論“金課”教學改革

（一）德育與專業(yè)教育有機融合

全面推進高校課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰(zhàn)略舉措。只有將德育與專業(yè)教育有機融合，才能實現(xiàn)人才培養(yǎng)知識、能力、素養(yǎng)目標的有機融合。現(xiàn)代控制理論課程包括系統(tǒng)建模、運動分析、穩(wěn)定性分析、控制器設計等內(nèi)容，其中蘊涵了許多歷史文化、哲學思想。開展現(xiàn)代控制理論課程思政教學，將德育與專業(yè)教育有機融合有助于培養(yǎng)學生的綜合能力和高級思維。另外，現(xiàn)代控制理論被廣泛應用于工業(yè)、運輸業(yè)、經(jīng)濟、軍事等領域，尤其在載人航天、人造衛(wèi)星、火箭導彈等國防事業(yè)中起至關重要的作用，這些領域誕生了錢學森、關肇直、王永志等諸多愛國科學家[2]，其中蘊含著民族大義、愛國情懷和科學家精神，是課程教學過程中一筆寶貴的財富，關乎人才培養(yǎng)的價值導向。

（二）課程內(nèi)容設置與時俱進

1. 緊追前沿科技，體現(xiàn)時代特征

課程教學的最終目的在于人才培養(yǎng)，而創(chuàng)新能力是高精尖人才的重要特征。為培養(yǎng)優(yōu)秀人才，作為自動化類專業(yè)核心課程的現(xiàn)代控制理論在課程內(nèi)容設置上應緊追前沿科技，體現(xiàn)時代特征。以“最優(yōu)控制”部分為例，“最優(yōu)控制”是現(xiàn)代控制理論的一個重要分支，著重于研究使控制系統(tǒng)性能指標實現(xiàn)最優(yōu)化的基本條件和綜合方法。強化學習是人工智能領域的重要學習方法，具有前沿性，著重于研究使智能體在與環(huán)境交互過程中通過學習策略以達到回報最大化的方法。通過概念可知，最優(yōu)控制與強化學習有著密切的關系，都可以被用于求解優(yōu)化問題，而且二者具有共同的理論基礎，即動態(tài)規(guī)劃。因此，控制理論與強化學習本質(zhì)是相通的，都可以被應用于控制領域，作為控制器設計的工具。在現(xiàn)代控制理論的課程內(nèi)容設置時可以適當融入強化學習的內(nèi)容，既可以激發(fā)學生的興趣，又可以保證課程內(nèi)容與時俱進。但需要注意前沿教學內(nèi)容融入的尺度，不易難度太大，否則將產(chǎn)生適得其反的教學效果。

2. 立足創(chuàng)新培養(yǎng)，延伸拓展內(nèi)容

課程的教學內(nèi)容設置不僅要立足當下，更要面向?qū)W生未來發(fā)展，因此要適當?shù)貙I(yè)課程教學內(nèi)容進行延伸拓展，以培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和前沿思維，這對學生未來繼續(xù)攻讀學位或者工作都非常重要。以課程中的“觀測器設計”部分為例，如果僅僅是講授觀測器的概念、觀測器存在的條件、如何基于狀態(tài)觀測來進行極點配置，即便結(jié)合很好的工程案例，仍然很難講透觀測器的本質(zhì)，學生會誤認為觀測器的作用就是對難以測量的系統(tǒng)狀態(tài)進行估計。而實際上，觀測器是一個重要的概念，應用極其廣泛?？刂祁I域包含兩個重要問題，即跟蹤和抗擾，觀測器不僅可以觀測系統(tǒng)的未知狀態(tài)，還可以被應用于擾動觀測和補償器設計。因此，在課程教學過程中，可以適當?shù)貙⒄n程教學內(nèi)容進行延伸，介紹擾動觀測器的概念和自抗擾控制理論的思想內(nèi)涵，這樣不僅可以讓學生獲得更多的知識，更重要的是可以激發(fā)學生的學習興趣，加深其對觀測器的理解。

3. 面向行業(yè)需求，結(jié)合工程實際

工科課程最終是要服務于工程實踐的，更是服務于行業(yè)需求的?，F(xiàn)代控制理論作為自動化專業(yè)的一門核心課程，其教學內(nèi)容一定要結(jié)合工程實際，面向行業(yè)需求。目前部分學校的課程教學以理論教學為主，課程教學內(nèi)容中工程背景和實踐內(nèi)容涉及不夠。為培養(yǎng)學生的工科思維和解決復雜工程問題的能力，現(xiàn)代控制理論的課程教學內(nèi)容要面向行業(yè)需求，結(jié)合工程實際。具體可以從以下幾個方面入手：一是涵蓋熱力系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等行業(yè)背景知識，不能單一講授水箱和電路等最基本的物理系統(tǒng)；二是根據(jù)所服務的行業(yè)，在課程教學的主要章節(jié)中增加某些特定行業(yè)背景的應用案例，理論聯(lián)系實際開展案例教學；三是適當?shù)貙⑴c課程密切相關的科研項目和課題引入課程教學內(nèi)容，增加實踐環(huán)節(jié)；四是將課程學習的知識融入后續(xù)的課程設計和綜合實驗，進一步強化學生實踐能力培養(yǎng)。

（三）教學模式與方法不斷革新

1. “線上+線下”混合式教學模式

“線上+線下”混合式教學模式是將線上課程服務與線下教學相結(jié)合的一種教學模式，具有三大特征：“線上+線下”、翻轉(zhuǎn)課堂、師生高效互動[3]。由于現(xiàn)代控制理論課程具有較強的理論性和實踐性，使得單純地開展線下教學的效果不夠理想，因此，有必要構建“線上+線下”混合式教學模式?；旌鲜浇虒W的優(yōu)勢如下：

一是可以有效發(fā)揮校外精品教學資源的作用，將校外線上精品資源引入課堂，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，引導學生對知識進行多角度多方位理解。

二是有助于培養(yǎng)學生獲取知識的能力，線上資源便于學生有規(guī)劃地進行預習和復習。通過對線上知識的綜合利用，培養(yǎng)學生科學的辯證思維。

三是便于教學活動的開展。教師可以充分利用在線平臺、多媒體軟件，配合各種教學方法，對教學過程實施全方位監(jiān)管，優(yōu)化過程考核。

2. “舉一反三”的啟發(fā)式教學

啟發(fā)式教學的目的是培養(yǎng)學生“理論聯(lián)系實際、舉一反三”的思維，激發(fā)學生對專業(yè)知識的學習興趣[4]。現(xiàn)代控制理論某些章節(jié)包含有大量的數(shù)學知識，但是其課程性質(zhì)又是工科專業(yè)課，課程內(nèi)容的本質(zhì)是數(shù)學知識在工程中的運用。普通的講授式教學會造成課程教學枯燥乏味。開展啟發(fā)式教學，可以引導學生“舉一反三”，將已學的基礎知識和專業(yè)知識聯(lián)系起來進行加工創(chuàng)造。這個過程既可以幫助學生鞏固已學的知識，又可以鍛煉學生的綜合思維能力。教師從旁引導，學生自主學習課程內(nèi)容，同時獲得自我實現(xiàn)的情感。以第二章“中線性定常系統(tǒng)的運動分析”為例，其本質(zhì)是線性系統(tǒng)的求解，涉及線性代數(shù)的基礎知識。而系統(tǒng)的運動分析則是研究系統(tǒng)在給定輸入作用下的響應問題，如何將二者聯(lián)系起來是教學的關鍵。教師可以從電路原理課程入手，學生已學習過的一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的響應分析，其實質(zhì)上就是系統(tǒng)運動分析的特例，但學生在沒有學習現(xiàn)代控制理論時是很難意識到這點的，教師可以深入淺出地進行分析，使學生真正理解系統(tǒng)運動分析的內(nèi)容。通過電路課程的啟發(fā)，學生可以掌握線性系統(tǒng)的運動分析方法，進而將數(shù)學原理推廣應用到對其他類型的系統(tǒng)分析上，真正做到舉一反三、學以致用。

3.“探賾索隱”的探究式教學

探究式教學可以激發(fā)學生對知識主動探尋的興趣，做到敢于解決課程的難點問題，逐漸培養(yǎng)學生自主學習和終身學習的能力[5]。針對教學難度大的內(nèi)容，適宜采用探究式的教學方法，注重以學生為中心，有助于學生真正理解和掌握知識的本質(zhì)。以課程教學中的“李雅普諾夫穩(wěn)定性分析”為例，其中關于李雅普諾夫函數(shù)法的若干個定理都是充分性判定條件，特別是當李雅普諾夫函數(shù)的導數(shù)是負半定時，利用其分析非線性系統(tǒng)是非常困難的。為提高學生對專業(yè)知識的理解水平，使其具備“探賾索隱”的精神，教師可以制訂合理有效的探究式教學方案，設計具有挑戰(zhàn)度的教學切入點，引導學生主動探索，深入思考，達到對專業(yè)知識的深度理解，為后續(xù)培養(yǎng)研究型人才奠定基礎。

4. “鉤深致遠”的項目式教學

項目式教學是一種以學生為中心的教學方法，學生通過組建團隊來解決一個開放式的問題[6]。按照工程教育專業(yè)認證的標準，工科學生應具備解決復雜工程問題的能力，項目式教學無疑是適合的教學方法。根據(jù)現(xiàn)代控制理論課程特點，可以將任意實際系統(tǒng)的控制器設計問題設置成為項目，如燃燒爐的爐溫控制器設計。教師將項目分配給學生，學生可以自由組隊來共同完成?？刂破髟O計的項目涉及對系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)的運動分析，系統(tǒng)的能控性、能觀性分析，系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，控制器設計等諸多課程內(nèi)容。如果系統(tǒng)的狀態(tài)不是直接可測量的，還涉及觀測器設計。通常情況下，一個項目就會覆蓋整個課程的核心教學內(nèi)容。通過項目式教學，可以幫助學生厘清概念，增進學生對知識的理解，培養(yǎng)學生的團隊合作精神和解決復雜工程問題的能力。

（四）考核評價方式多元化設計

高校培養(yǎng)的人才應該是鮮活的，具有個性創(chuàng)造力的，人才培養(yǎng)個性化是對傳統(tǒng)的教育模式的積極變革[7]。課程的考核評價方式不應該是單一的，而應該是多元化的，考核機制應該能夠反映學生知識掌握情況、能力獲得情況、素養(yǎng)提升情況。通過將課程目標分解為知識目標、能力目標和素養(yǎng)目標，引入主觀評價方法，將主觀與客觀評價結(jié)合，增加過程考核所占比重。具體做法是將過程考核比重提高到50%，同時細化過程考核內(nèi)容，考核范圍覆蓋課程互動、章節(jié)測試、隨堂練習、課程報告、課堂表現(xiàn)等多個環(huán)節(jié)。考核評價方式多元化設計的目標是最終建成“知識、能力、素養(yǎng)”三閉環(huán)的機制，這不僅有助于開展評價，而且有助于實時優(yōu)化教學過程。

四、結(jié)語

本文基于“兩性一度”標準對工科專業(yè)“金課”建設進行了改革研究，具體以現(xiàn)代控制理論課程為例，從課程特點和教學現(xiàn)狀分析出發(fā)，對課程教學目標、課程內(nèi)容、教學模式方法、考核評價方式等多方面進行了改革研究，具體包括實現(xiàn)知識能力素養(yǎng)目標的有機融合，從前沿性、延續(xù)性、實用性的角度更新課程教學內(nèi)容，將啟發(fā)式、探究式、項目式等教學手段應用于教學過程，設計多元化的考核評價機制。課程教學改革的目的旨在將現(xiàn)代控制理論課程打造成為“金課”，提高自動化類專業(yè)的人才培養(yǎng)水平。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 吳巖. 建設中國“金課”［J］.中國大學教學，2018（12）：4-9.

[2］ 盛春陽，張婧，蓋文東，等.現(xiàn)代控制理論課程思政教學改革探索[J].高教學刊，2021，7（33）： 181-183.

[3］ 沙楠， 郭明喜， 高媛媛，等. 線上線下混合式教學模式探索與實踐：以“通信原理”課程為例[J].高等教育研究學報， 2022， 45（4）： 69-72.

[4］ 王俊偉， 楊俊玲. 基于OBE理念的現(xiàn)代控制理論教學改革研究與探討[J]. 大學教育， 2022（8）： 81-83.

[5］ 秦艷琳， 付鈺， 胡衛(wèi). 探究式教學設計在信息安全數(shù)學基礎課程中的應用[J]. 計算機教育， 2022（9）： 124-128.

[6］ 魏繼增， 陳仁海. 面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機組成與體系結(jié)構課程項目式教學改革[J]. 計算機教育， 2023（2）： 74-78.

[7］ 毛成， 趙春魚， 李一星. 新工科背景下地方院校個性化人才培養(yǎng)模式探索與實踐：以中國計量大學工科試點班為例[J]. 中國大學教學， 2022（Z1）： 31-38.

［責任編輯：蘇祎穎］