新工科背景下機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革探索

［摘 要］在新工科背景下，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的一流專業(yè)建設(shè)成果、現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果等資源，對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程開展了全面且系統(tǒng)的教學(xué)改革。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)存在的“概念抽象難懂、教學(xué)方法單一、考核偏重理論、實(shí)踐能力欠缺、思政教育融入不足”五大痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)提出了“案例驅(qū)動(dòng)與仿真賦能、強(qiáng)化實(shí)踐導(dǎo)向教學(xué)、構(gòu)建多維互動(dòng)教學(xué)模式、融入思政教育、優(yōu)化多元考核方式”五項(xiàng)改革措施。實(shí)踐結(jié)果表明，改革后的課程全方位提升了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，深度激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，有效增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力；考核優(yōu)化后，學(xué)生成績(jī)優(yōu)良率顯著提升，總體及格率從 89.47% 提升至 93.75%，凸顯了改革的科學(xué)性與高效性，為新工科教育創(chuàng)新提供了范例。

［關(guān)鍵詞］新工科；教學(xué)改革；機(jī)械工程控制基礎(chǔ)；實(shí)踐導(dǎo)向；考核優(yōu)化

［中圖分類號(hào)］G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］2095-3437（2025）13-0051-05

當(dāng)前，科技與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尤其是信息技術(shù)和人工智能的深度融合，使社會(huì)對(duì)工程人才培養(yǎng)提出了新的要求。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，教育部提出要推進(jìn)新工科建設(shè)，旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和跨學(xué)科視野的工程人才[1-5]。機(jī)械工程控制基礎(chǔ)作為機(jī)械工程專業(yè)的主干課程，在提升學(xué)生理論知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐操作能力方面具有極其關(guān)鍵的作用[6-9]。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用方面存在諸多不足，難以滿足新工科建設(shè)的需求[10]。因此，在新工科背景下，對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行大膽創(chuàng)新與深入改革，構(gòu)建符合新工科建設(shè)需求的教學(xué)體系，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必然選擇。這一舉措既能提升課程實(shí)用性，讓課程內(nèi)容貼合實(shí)際工程場(chǎng)景，又能賦予課程前瞻性，使學(xué)生了解行業(yè)動(dòng)態(tài)與技術(shù)趨勢(shì)，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力，這對(duì)推動(dòng)工程教育改革與時(shí)代需求深度融合具有深遠(yuǎn)意義。

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)依托貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的一流專業(yè)建設(shè)成果、現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果等資源，秉持立德樹人的理念，以“金課”標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)向，對(duì)機(jī)械工程專業(yè)核心課程機(jī)械工程控制基礎(chǔ)開展了新工科背景下的改革與建設(shè)。該課程共2.5學(xué)分，40學(xué)時(shí)（含8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），在大三上學(xué)期開設(shè)，是連接基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的重要橋梁。該課程以控制理論中的 “建模—分析—綜合”為主線，融合數(shù)學(xué)、力學(xué)及電學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程問(wèn)題解決能力，進(jìn)而為其未來(lái)的職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[11-13]。

一、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)痛點(diǎn)與改革思路

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)作為一門多學(xué)科交叉的綜合性課程，其內(nèi)容涵蓋廣、應(yīng)用領(lǐng)域多，在機(jī)械工程專業(yè)的課程體系中占據(jù)著重要地位。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在諸多制約學(xué)生學(xué)習(xí)效果和綜合素質(zhì)發(fā)展的教學(xué)痛點(diǎn)，主要包括概念抽象難懂且公式推導(dǎo)復(fù)雜、教學(xué)方法單一[10， 13-15]、考核偏重理論[6， 10， 15]、實(shí)踐能力培養(yǎng)欠缺[10， 16]、思政教育融入不足[14， 17]（簡(jiǎn)稱五大痛點(diǎn)）。這些痛點(diǎn)不僅影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效果，也對(duì)教師教學(xué)提出了更高的要求。

基于前述分析，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)把握五大痛點(diǎn)的具體表征，深入考量其對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)造成的影響以及給教師教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在我國(guó)工程教育認(rèn)證與新工科建設(shè)的推動(dòng)下，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)定地遵循“以學(xué)生發(fā)展為中心、以教學(xué)成果為導(dǎo)向、以持續(xù)改進(jìn)質(zhì)量為支撐”的理念，圍繞學(xué)生綜合素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，逆向設(shè)計(jì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容與方法并推進(jìn)改革創(chuàng)新，構(gòu)建了全新的教學(xué)體系（見(jiàn)圖1）。該體系以學(xué)生畢業(yè)要求為指引，清晰地界定了包含知識(shí)、能力以及素質(zhì)三個(gè)維度融合統(tǒng)一的課程目標(biāo)，確立了“理論實(shí)踐結(jié)合、激發(fā)興趣、培養(yǎng)綜合能力”的教學(xué)思路，為課程教學(xué)改革及提升學(xué)生工程創(chuàng)新實(shí)踐能力提供了著力點(diǎn)。

二、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革措施

基于上述課程目標(biāo)和改革思路，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)精心策劃了五項(xiàng)關(guān)鍵的改革措施，分別為案例驅(qū)動(dòng)與仿真賦能、強(qiáng)化實(shí)踐導(dǎo)向教學(xué)、構(gòu)建多維互動(dòng)教學(xué)模式、融入思政教育、優(yōu)化考核方式，旨在全方位提升教學(xué)效果，確保教學(xué)改革思路的有效落地。

（一）案例驅(qū)動(dòng)與仿真賦能：深化對(duì)抽象概念的理解與激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

在新工科建設(shè)背景下，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)控制理論過(guò)程中因概念抽象和推導(dǎo)復(fù)雜而導(dǎo)致的學(xué)習(xí)障礙、效率低下等問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了“案例驅(qū)動(dòng)”與“仿真賦能”相結(jié)合的教學(xué)模式。教師通過(guò)引入一系列具體工程案例，如質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)、擺桿控制、溫度控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人控制等，圍繞課程“建?！治觥C合”的核心主線，巧妙地融合了MATLAB/ Simulink等圖形化仿真工具的應(yīng)用等內(nèi)容。這種教學(xué)模式通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真，直觀展示了傳遞函數(shù)、時(shí)域響應(yīng)曲線、奈奎斯特圖、伯德圖及系統(tǒng)校正等理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，將難懂的抽象理論通過(guò)生動(dòng)有趣的形式展現(xiàn)出來(lái)，有效降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。這不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)控制理論的掌握，更激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新潛能，為新工科人才培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）強(qiáng)化實(shí)踐導(dǎo)向教學(xué)：提升學(xué)生動(dòng)手解決問(wèn)題的能力

在新工科實(shí)踐導(dǎo)向教育理念的引領(lǐng)下，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)致力于強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，全面提升學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，以使其能夠有效應(yīng)對(duì)控制基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)中實(shí)踐能力相對(duì)薄弱的問(wèn)題。為此，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并引入了多樣化實(shí)踐環(huán)節(jié)，包括實(shí)際控制系統(tǒng)項(xiàng)目（如電梯控制和無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制）、典型工業(yè)案例（如機(jī)器人軌跡規(guī)劃和自動(dòng)化生產(chǎn)線控制），并通過(guò)MATLAB進(jìn)行PID校正設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)的深度融合。同時(shí)，借助直流電機(jī)控制和振動(dòng)控制系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生得以親身體驗(yàn)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，直觀理解控制理論在實(shí)踐中的價(jià)值。此外，課程設(shè)置了工程應(yīng)用問(wèn)題類的課外拓展任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加中國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽等實(shí)踐活動(dòng)。這些以實(shí)踐為導(dǎo)向的教學(xué)創(chuàng)新舉措，切實(shí)提升了教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)新時(shí)代高素質(zhì)工程人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）構(gòu)建多維互動(dòng)教學(xué)模式：提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效能

在新工科建設(shè)目標(biāo)的引領(lǐng)下，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)全面整合多維度教學(xué)方法與前沿技術(shù)，著力構(gòu)建了以學(xué)生為中心，具有高度互動(dòng)性和深度參與性的新型教學(xué)模式。這一教學(xué)模式按照課前、課堂、課后三個(gè)步驟開展教學(xué)工作，確保教學(xué)流程有條不紊，兼具系統(tǒng)性與連貫性。以“系統(tǒng)穩(wěn)定性分析”教學(xué)模塊為例，課前環(huán)節(jié)，教師通過(guò)超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)推送優(yōu)質(zhì)視頻教程與閱讀材料，并布置預(yù)習(xí)任務(wù)，學(xué)生結(jié)合自主設(shè)定的仿真參數(shù)觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性變化，從而初步建立知識(shí)體系。課堂環(huán)節(jié)，教師采用小組討論的協(xié)作學(xué)習(xí)形式，運(yùn)用基于問(wèn)題導(dǎo)向的逆向?qū)W習(xí)方法，圍繞“2W1H”（Why、What、How）核心框架設(shè)計(jì)探究性問(wèn)題，如：系統(tǒng)為何需要穩(wěn)定？什么是系統(tǒng)穩(wěn)定性？如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定？同時(shí)，依托MATLAB仿真工具，實(shí)時(shí)演示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，深入剖析特征方程法、Routh-Hurwitz判據(jù)和Nyquist判據(jù)等穩(wěn)定性分析方法，助力學(xué)生跨越理論與實(shí)踐的鴻溝，實(shí)現(xiàn)二者的深度融合。課后環(huán)節(jié)，教師通過(guò)超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)布綜合性任務(wù)，如汽車懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Lyapunov穩(wěn)定性分析方法，評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性并探討Routh判據(jù)的局限性，進(jìn)而研究摩擦力對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和乘坐舒適性的影響，從而提升學(xué)生對(duì)不確定非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的認(rèn)識(shí)深度。此措施克服了傳統(tǒng)“注入式”教學(xué)的局限，強(qiáng)調(diào)課堂的高互動(dòng)性及學(xué)生的深度參與，通過(guò)多層次、多維度的教學(xué)設(shè)計(jì)，有效推動(dòng)了教學(xué)過(guò)程的優(yōu)化升級(jí)，顯著提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效能。

（四）融入思政教育：培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感與愛(ài)國(guó)情懷

為打破傳統(tǒng)教學(xué)中思政教育融入不足的瓶頸，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉持“立德樹人，育人為先”的理念，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[11， 14， 17-19] ，精準(zhǔn)對(duì)接時(shí)代發(fā)展脈絡(luò)與專業(yè)前沿需求，精心設(shè)計(jì)了將思政元素全面融入教學(xué)內(nèi)容的方案。該方案集系統(tǒng)性、連貫性和創(chuàng)新性于一體，精心設(shè)計(jì)各章節(jié)課程思政教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)突出主要培養(yǎng)目標(biāo)要求（見(jiàn)表1），確保每一教學(xué)單元均富含深邃的思政教育內(nèi)涵，旨在培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、科學(xué)精神與國(guó)家榮譽(yù)感，助力其全面發(fā)展。

（五）優(yōu)化考核方式：注重學(xué)生綜合能力的評(píng)估

為克服傳統(tǒng)考核模式中理論比重過(guò)大、實(shí)踐與創(chuàng)新環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱的問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)秉持貴州大學(xué)“明德至善，博學(xué)篤行”的校訓(xùn)精神，精心優(yōu)化考核方式，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了多維度的考核評(píng)價(jià)體系（見(jiàn)表2）。表2中，考核方式一為優(yōu)化后的新考核體系，考核方式二為優(yōu)化前的舊考核方案。通過(guò)對(duì)表2的分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的考核方式更加注重對(duì)學(xué)生綜合能力的全面評(píng)估，旨在引領(lǐng)學(xué)生在知識(shí)、能力、素養(yǎng)等多維度不斷突破自我，使其達(dá)成卓越成長(zhǎng)與全面發(fā)展的目標(biāo)。

三、機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革效果實(shí)證分析

為驗(yàn)證本文提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是否真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生綜合能力的全面考核，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)以表2中優(yōu)化前后的考核方法為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)某班級(jí)的39名學(xué)生期末考核數(shù)據(jù)進(jìn)行了教學(xué)改革成效的實(shí)證對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。分析表明，考核方式優(yōu)化后，各關(guān)鍵指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著的積極變化：總體及格率從89.47%提升至93.75%，顯示出考核方式優(yōu)化在提升學(xué)生整體學(xué)業(yè)表現(xiàn)方面的積極效果；優(yōu)秀率從5.6%增長(zhǎng)到6.25%，表明尖子生在新的評(píng)估體系下學(xué)業(yè)水平顯著提升；良好率從18.42%大幅躍升至40.63%，表明新的考核方式極大激發(fā)了學(xué)生追求更高學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的潛能；中等率保持相對(duì)穩(wěn)定（優(yōu)化后為40.63%，優(yōu)化前為42.11%），反映出中等成績(jī)的學(xué)生在考核改革中表現(xiàn)穩(wěn)定；不及格率由10.53%降至6.25%，顯示出優(yōu)化后的考核方式在減少學(xué)業(yè)困難學(xué)生數(shù)量方面具有顯著成效。這些結(jié)果充分驗(yàn)證了優(yōu)化考核方式在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)與知識(shí)應(yīng)用能力、科學(xué)評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及綜合能力表現(xiàn)等方面的積極效果，并凸顯了其在促進(jìn)更多學(xué)生達(dá)到良好及以上水平方面的顯著優(yōu)勢(shì)。這充分證明了教學(xué)改革的科學(xué)性和有效性，為未來(lái)工程教育創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究基于新工科建設(shè)需求，針對(duì)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程進(jìn)行了系統(tǒng)性教學(xué)改革，提出了五大創(chuàng)新措施并取得了顯著成效。改革后，學(xué)生的優(yōu)秀率和良好率顯著提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力也有效提升。研究結(jié)果表明，案例驅(qū)動(dòng)與仿真賦能的教學(xué)模式、實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)強(qiáng)化、多維互動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)、思政教育的深度融入以及考核方式的優(yōu)化，共同推動(dòng)了學(xué)生的全面成長(zhǎng)與進(jìn)步。這一改革成果為同類高校在新工科背景下開展工程教育創(chuàng)新改革探索提供了實(shí)踐參考。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］