以學(xué)生為中心的教學(xué)理念在教學(xué)中的應(yīng)用

李宗帥 王修巖

[摘要]課題組分析了自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計課程的特點，根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)，合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，并制訂了以學(xué)生為中心的教學(xué)新措施：為了提高學(xué)生的工程實踐能力，以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，采用專題化教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)提高學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性;基于CDIO模式進(jìn)行項目設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維;進(jìn)行高效的實踐教學(xué);基于在線問卷調(diào)查，及時反饋學(xué)生知識掌握情況;校企合作共建實驗室。以上措施，提高了學(xué)生的工程實踐能力。

[關(guān)鍵詞]工程實踐;專題化教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;CDIO;問卷調(diào)查

[中圖分類號]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]2095-3437（2019）12-0035-04

隨著社會以及教育的不斷發(fā)展，隨著新時代大學(xué)生所處環(huán)境、所接受教育的不同，社會需求對高校以及高校的教學(xué)方法都提出了新的挑戰(zhàn)。教學(xué)正在逐步地由教師主導(dǎo)型向以學(xué)生為主體的方式轉(zhuǎn)變，教師的教學(xué)觀念也隨著悄然地發(fā)生改變。計算機(jī)的普遍應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)、學(xué)生獲取知識途徑的增多，都對傳統(tǒng)的教學(xué)方式產(chǎn)生了影響，教師應(yīng)該從傳統(tǒng)的填鴨式知識灌輸者向引導(dǎo)型方向轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的方向、正確的價值觀、學(xué)習(xí)的興趣、培養(yǎng)綜合能力的方法等。筆者教授自動化專業(yè)學(xué)生自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計課程，結(jié)合課程以及學(xué)生特點，在以學(xué)生為中心的教學(xué)理念指導(dǎo)下，開展了教學(xué)方法改革的探索與實施。

一、課程性質(zhì)

自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計是自動化專業(yè)高年級學(xué)生的一門專業(yè)課，主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生將自動控制專業(yè)的相關(guān)理論技術(shù)知識綜合應(yīng)用，解決實際工程問題的能力。該門課程的典型特點是：很多知識點學(xué)生以前都有學(xué)習(xí)過，關(guān)鍵是聚點成線、綜合應(yīng)用。因此，在實際授課過程中筆者采用了引導(dǎo)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生如何利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)資源自己提出問題、分析問題、解決問題。課程的重點是培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。工程思維能力是工程實踐能力提高的根本原因，只有具備了成熟的工程思維能力，有了成熟工程設(shè)計指導(dǎo)思想，才可以較好地進(jìn)行工程實踐。

工程思維能力與學(xué)術(shù)思維能力是有所不同的，圖1是二者之間的對比圖，圖1（a）是從工程思維的角度考慮解決問題的方式，從圖中可以看出工程思維解決問題側(cè)重點在于工程目標(biāo)以及工程上的可實施性，最終需要進(jìn)行實際的檢驗使用，在這個過程中還要涉及復(fù)雜的工程技術(shù)問題，涉及的知識領(lǐng)域比較寬泛，同時涉及工程管理、財務(wù)預(yù)算、市場分析，等等。

二、課程內(nèi)容

自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計涉及的知識領(lǐng)域比較寬泛，除了自動控制領(lǐng)域的相關(guān)知識，還涉及工程管理、財務(wù)預(yù)算、市場分析，等等。因此，對教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置是課程組教師一個很大的考驗。目前，很難找到一本涵括以上知識的教材，并通過不斷優(yōu)化、實踐合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，既做到全面又做到深入淺出，以培養(yǎng)學(xué)生基本的工程思維能力。然而目前新畢業(yè)的學(xué)生又在以下工程能力方面有明顯缺失：工商業(yè)方式方法、管理能力、項目管理方法、質(zhì)量管理方法、溝通能力、市場原則知識、道德和職業(yè)感等。針對以上內(nèi)容的缺失，筆者為自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計課程進(jìn)行了內(nèi)容設(shè)置，如表1所示。

三、教學(xué)方法改革策略

（一）“專題化”教學(xué)

根據(jù)課程以及知識的特點，理論教學(xué)環(huán)節(jié)主要采用“專題化”教學(xué)方法，根據(jù)課程教學(xué)大綱的培養(yǎng)目標(biāo)，將每個知識模塊設(shè)計成專題，并將專題問題化，按照“是什么”“為什么”“解決什么問題”的方式展開。該教學(xué)方法側(cè)重于引導(dǎo)，能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性?！皥?zhí)行機(jī)構(gòu)”是自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計中的一個，下面以“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”為例具體說明專題化教學(xué)應(yīng)如何展開，如表2所示。

（二）基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法能夠調(diào)動學(xué)生的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。該門課程是自動化專業(yè)高年級學(xué)生的專業(yè)課，其中很多知識點學(xué)生在以前都或多或少地接觸過，因此尤其適合使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法。

實例：“電梯邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計”一課。教師課堂上進(jìn)行簡單的講解，然后出題目讓學(xué)生按照以前講過的工程設(shè)計的步驟內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計。

題目要求：設(shè)計某電梯控制系統(tǒng)。已知：電梯有10層，額定載重1500kg，轎廂自重1000kg，需要電梯運(yùn)行速度2m/s。（設(shè)計內(nèi)容包括：電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)）

要求4人一組，以組為單位來完成，時間是1周。學(xué)生利用課下時間來設(shè)計完成。完成后每組要在課上進(jìn)行講解，如圖2所示。學(xué)生講解完后，再通過教師點評、學(xué)生問學(xué)生、學(xué)生問教師三種形式的討論，加深對系統(tǒng)設(shè)計的理解。

（三）基于CDIO的生命周期模型設(shè)計控制系統(tǒng)

在課程的最后布置一份大作業(yè)，要求學(xué)生按照工程設(shè)計的思路設(shè)計控制系統(tǒng)，但是由于真實的工程設(shè)計涉及內(nèi)容太多，所以要求學(xué)生按照“構(gòu)思一設(shè)計一實施一運(yùn)行”的方式（即CDIO模式）設(shè)計控制系統(tǒng)。CDIO模式基本包含了實際工程設(shè)計中應(yīng)該涵括的所有理念。表3是按照CDIO模式設(shè)計的控制系統(tǒng)的生命周期模型，但并不是嚴(yán)格按照順序列出的設(shè)計內(nèi)容，因為很多產(chǎn)品或者系統(tǒng)的設(shè)計都是螺旋式開發(fā)的，需要很多任務(wù)進(jìn)行大量的迭代，圖2所示的這些工作則都必須進(jìn)行。圖2是學(xué)生講解自己按照CDIO模式設(shè)計的控制系統(tǒng)。

（四）將MATLAB應(yīng)用于課堂分析

在進(jìn)行某些控制理論的講解時，為了更加形象理解參數(shù)的變化對于系統(tǒng)的影響，將MATLAB直接應(yīng)用于課堂教學(xué)，采用現(xiàn)場演示的方式，進(jìn)行系統(tǒng)分析。

實例：在研究控制系統(tǒng)工程設(shè)計中擾動通道和前向通道的時間常數(shù)、放大倍數(shù)以及延遲時間對控制系統(tǒng)的影響時，設(shè)計了如圖3所示的仿真模型。在改變Kf、Tf、Tf、Ko、To以及π。的值后就可以通過輸出曲線觀察時間常數(shù)、放大倍數(shù)以及延遲時間對控制系統(tǒng)的影響。例如圖4就是Tf對輸出的影響情況。

（五）考核方式和實踐環(huán)節(jié)

科學(xué)設(shè)計考核內(nèi)容，考核內(nèi)容要能夠體現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)的相關(guān)要求，并且能夠反映不同學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。題型既要有評價學(xué)生較低層次知識記憶、一般理解能力的填空、選擇、簡答等題型，又要有評價較高層次理解力、歸納總結(jié)和綜合應(yīng)用能力的分析、設(shè)計題型。期末試卷中，盡量以能力考核為主，弱化純記憶性的內(nèi)容，分析、設(shè)計型題目占總分的70%以上。未來計劃采取開卷考試的形式，考試內(nèi)容為按照工程設(shè)計思路設(shè)計指定的控制系統(tǒng)。

實踐環(huán)節(jié)主要是依據(jù)實驗室現(xiàn)有的電梯系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)開展實驗教學(xué)，學(xué)生自己設(shè)計整個控制系統(tǒng)、編制程序、調(diào)試、設(shè)計上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合理論課內(nèi)容進(jìn)行相互驗證。如圖5所示，學(xué)生在進(jìn)行實驗，并且要將自己設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行講解。

（六）校企合作

校企合作共建實驗室，提高學(xué)生的工程能力。根據(jù)行業(yè)特點和企業(yè)需求，將民航特色的裝置、系統(tǒng)引入實驗室，并根據(jù)行業(yè)、企業(yè)的需求結(jié)合課程設(shè)置相關(guān)的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在校園內(nèi)就可以近距離接觸行業(yè)、了解行業(yè)，使教學(xué)做到有的放矢。我校與廣州白云空港設(shè)備技術(shù)發(fā)展有限公司共建機(jī)場地面設(shè)備校企合作實驗室，充分利用企業(yè)的設(shè)備優(yōu)勢、生產(chǎn)條件和成熟的研發(fā)技術(shù)為學(xué)生提供良好的實驗條件以及校外實訓(xùn)基地。圖6是學(xué)生到企業(yè)實踐以及企業(yè)贈送的實驗設(shè)備。

（七）教學(xué)反饋

以學(xué)校“三回路”質(zhì)量監(jiān)控體系為基礎(chǔ)，健全課程質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制。除此以外借助問卷星對學(xué)生每章結(jié)束后的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)查，如圖7所示。通過調(diào)查可以實現(xiàn)兩個目的：一是讓學(xué)生了解自己對該章知識的掌握情況，有哪些不足的地方需要加強(qiáng);二是讓任課教師掌握學(xué)生的總體情況。

綜上，整個自動控制系統(tǒng)工程設(shè)計的總體教學(xué)思路如圖8所示。

四、總結(jié)

通過近兩年的教學(xué)改革實踐，學(xué)生對該門課程的興趣明顯增大，教學(xué)效果也有了很大的提升，尤其是在分組講解上，學(xué)生表現(xiàn)出了濃厚的興趣，基本每年都有2～3組學(xué)生表現(xiàn)很優(yōu)秀。總之，教學(xué)方法多種多樣，但核心都是以學(xué)生為中心，目的在于充分調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。