基于PBL 模式在“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程中的教學(xué)改革與應(yīng)用實(shí)踐＊

王磊

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

隨著高校對(duì)“高水平大學(xué)建設(shè)”的需要，本科教學(xué)改革朝著高水平的本科教育體系和教育教學(xué)質(zhì)量目標(biāo)前進(jìn)[1]。傳統(tǒng)教學(xué)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的需求，因此，探索嘗試新的教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式、優(yōu)化專業(yè)課程體系在本科教學(xué)中日益重要。

沈陽理工機(jī)械工程學(xué)院開設(shè)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程幾十年，其是機(jī)械學(xué)院本科專業(yè)學(xué)生必修的主干課程和重點(diǎn)課程。應(yīng)用項(xiàng)目學(xué)習(xí)理念（PBL）[2-4]在此課程中開展創(chuàng)新性教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性[5]，提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)精神和實(shí)踐能力。

1 課程現(xiàn)狀分析

1.1 講解內(nèi)容與工程實(shí)際的結(jié)合程度不夠

課程主要講述控制理論的基本原理及其在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，理論性較強(qiáng)，對(duì)掌握前序課程的程度有一定的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)過程在內(nèi)容取舍、理論和實(shí)際結(jié)合等多方面存在不足，學(xué)生在面對(duì)理論講解時(shí)興趣和信心不足，講解內(nèi)容與工程實(shí)際的結(jié)合程度不高，學(xué)生空有理論框架而無解決工程問題的應(yīng)用技能。

1.2 課程的開放性不夠

大部分學(xué)校采用線下為主的教學(xué)模式，學(xué)生在課前和課后對(duì)課程涉及的工程實(shí)踐問題的求知欲不強(qiáng)。缺乏線上教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合的視聽課程，學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)點(diǎn)的多層次教學(xué)體感不強(qiáng)。

1.3 課程的過程考核方式與綜合能力培養(yǎng)目標(biāo)不匹配

課程成績評(píng)定多由期末考試和平時(shí)的過程考核構(gòu)成，其中注重過程性考核和加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練考核占比較少，學(xué)生取得的分?jǐn)?shù)與其解決實(shí)際工程問題的綜合能力不匹配。

2 基于PBL 翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)改革

針對(duì)舊的實(shí)驗(yàn)課設(shè)體系和教學(xué)模式存在的一系列問題，對(duì)傳統(tǒng)模式下的課程進(jìn)行項(xiàng)目化課程改革研究。

2.1 線上/線下結(jié)合的技能學(xué)習(xí)流程設(shè)計(jì)

依托學(xué)校首批建設(shè)的“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”的在線開放課程平臺(tái)，根據(jù)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的知識(shí)要點(diǎn)，選擇“磁盤驅(qū)動(dòng)器讀入系統(tǒng)”和“工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)”為應(yīng)用工程展示項(xiàng)目。針對(duì)線上課程的主要章節(jié)，開展控制模型建立，時(shí)間響應(yīng)分析、頻率分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析，綜合校正，根軌跡分析等項(xiàng)目模塊制作，在線上進(jìn)行展示。同時(shí)線上設(shè)計(jì)教學(xué)管理模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)模塊、后臺(tái)管理模塊、實(shí)時(shí)交流模塊。授課時(shí)結(jié)合問題模式和項(xiàng)目模式同時(shí)進(jìn)行，從專業(yè)、實(shí)驗(yàn)技能、工程實(shí)踐三位一體對(duì)學(xué)生進(jìn)行高素質(zhì)管理和培養(yǎng)。線上線下平臺(tái)中工程項(xiàng)目在各章節(jié)的展示要點(diǎn)包括控制器設(shè)計(jì)、分析等。

2.2 基于PBL 翻轉(zhuǎn)課堂模式的具體教學(xué)案例實(shí)施

為了保證學(xué)生有效開展課外自主學(xué)習(xí)，實(shí)施方案包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻的制作和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支持平臺(tái)的開發(fā)。課程展示以知識(shí)點(diǎn)或技能點(diǎn)項(xiàng)目方式進(jìn)行，制作教學(xué)視頻集，每個(gè)時(shí)長控制在10～15 min 左右，觀看視頻過程中適時(shí)地插入一些交互性練習(xí)題和分析，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程的掌握程度。采用教學(xué)團(tuán)隊(duì)親自錄制的“慕課堂SPOC”平臺(tái)，布置學(xué)習(xí)任務(wù)，便于學(xué)生隨時(shí)學(xué)習(xí)、提問和交流，有效保證學(xué)生個(gè)性化和協(xié)作化學(xué)習(xí)。

針對(duì)本專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，結(jié)合課程知識(shí)點(diǎn)，課程環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了不同級(jí)別的項(xiàng)目，并對(duì)其進(jìn)行分析。

教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐平臺(tái)上創(chuàng)建項(xiàng)目討論區(qū)，鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)遇到的工程實(shí)踐疑難問題進(jìn)行交流。教師按照課程大綱對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)特色項(xiàng)目。

實(shí)施方案以“系統(tǒng)的性能指標(biāo)”和“系統(tǒng)校正概述”為代表進(jìn)行闡述。采用課前、課中和課后三個(gè)階段進(jìn)行實(shí)施，過程融合了基于技能學(xué)習(xí)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)的核心要素和基本流程，提升學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。依據(jù)課程應(yīng)用的內(nèi)涵，將項(xiàng)目目標(biāo)貫穿于整個(gè)代表性課程目標(biāo)中。

結(jié)合課程的教學(xué)大綱，項(xiàng)目組教師進(jìn)行集體討論，分解課程內(nèi)容中關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，以此選擇合理的項(xiàng)目，建立相應(yīng)的課程模塊。

在課前，利用申請(qǐng)者錄制的SPOC 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐平臺(tái)為學(xué)生準(zhǔn)備充足的學(xué)習(xí)資源和任務(wù)單。學(xué)習(xí)者一邊學(xué)習(xí)教學(xué)視頻，一邊查看并解決任務(wù)學(xué)習(xí)單中的問題，并在問題解決中不斷質(zhì)疑、嘗試自主探究來解決疑點(diǎn)。教師在線上教學(xué)支撐平臺(tái)上創(chuàng)建討論區(qū)，鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)中遇到的疑難點(diǎn)進(jìn)行交流，同時(shí)積極收集討論區(qū)中所反映的共性問題，以便更好地實(shí)施課內(nèi)項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)。

在課中，解答學(xué)生在線上教學(xué)視頻學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的疑問。對(duì)不同難度和類別的項(xiàng)目進(jìn)行獨(dú)立探究與協(xié)作學(xué)習(xí)。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方面，包括知識(shí)理解與表達(dá)（開環(huán)與閉環(huán)性能指標(biāo)）、知識(shí)理解與表達(dá)（時(shí)域與頻域關(guān)系）、知識(shí)點(diǎn)延申（濾波器應(yīng)用分析）部分。

在知識(shí)理解與表達(dá)中選取了初級(jí)的工程案例分析，從指標(biāo)的理論公式推導(dǎo)，奈奎斯特圖、伯德圖的圖解說明兩方面幫助學(xué)生理解指標(biāo)的工程意義，提高對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、難點(diǎn)問題的授課效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)了學(xué)生質(zhì)疑環(huán)節(jié)，學(xué)生上臺(tái)舉例講解，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)帶寬選擇進(jìn)行討論，增加學(xué)生對(duì)工程實(shí)際問題的理解。

此外，設(shè)計(jì)了課程問答環(huán)節(jié)，通過繪制奈奎斯特圖、伯德圖，在不同圖形中標(biāo)識(shí)開環(huán)剪切頻率，回顧以前章節(jié)知識(shí)，融會(huì)貫通。結(jié)合工程中“低頻、中頻、高頻”不同頻段對(duì)控制系統(tǒng)的影響，分別引用3 個(gè)工程實(shí)例，作為課程環(huán)節(jié)的中級(jí)項(xiàng)目進(jìn)行分析。同時(shí)，與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，提出信噪比的定義，對(duì)學(xué)生日常購買的電子產(chǎn)品進(jìn)行舉例、分析，引導(dǎo)學(xué)生考慮實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)問題。

在知識(shí)點(diǎn)延伸方面，以低通和高通濾波器為例，詳細(xì)推導(dǎo)了時(shí)域和頻域內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，并回顧了涉及的前面章節(jié)知識(shí)點(diǎn)，鞏固學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步推導(dǎo)互補(bǔ)濾波器應(yīng)用。在知識(shí)擴(kuò)展環(huán)節(jié)中，通過授課教師實(shí)際完成的綜合類工程類項(xiàng)目對(duì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分析。同時(shí)講解項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)歷、實(shí)施過程中處理的關(guān)鍵點(diǎn)等。結(jié)合工程中對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目過程的有效分解，對(duì)涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析，積極開展“師生互動(dòng)”與“生生互動(dòng)”。

在課后，采集線上與線下平臺(tái)研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測評(píng)教學(xué)效果。具體實(shí)施案例時(shí)，在“低頻、中頻、高頻”性能影響知識(shí)點(diǎn)中引入3 個(gè)中級(jí)案例，在此過程中，可在課堂與課后布置客觀題與主觀題，開展線上問卷調(diào)查，設(shè)置課堂答疑區(qū)、課堂交流區(qū)、討論區(qū)等，并在課后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的翻轉(zhuǎn)課堂模式的看法，對(duì)小組間互相評(píng)閱組員的子系統(tǒng)項(xiàng)目和大綜合項(xiàng)目開展自評(píng)與互評(píng)，按權(quán)重計(jì)算出每個(gè)學(xué)生的不同教學(xué)模塊的成績，作為過程考核的一部分，最后進(jìn)行教學(xué)反思，優(yōu)化教學(xué)方案。

2.3 體現(xiàn)綜合能力評(píng)價(jià)的過程考核方式

結(jié)合PBL 的特點(diǎn)，對(duì)課程設(shè)計(jì)過程進(jìn)行考核。采用線上自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合等方式進(jìn)行綜合性評(píng)定，如通過線上SPOC 平臺(tái)在線討論單元內(nèi)容，互動(dòng)交流，自評(píng)與互評(píng)，考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的熟悉度和掌握度。在不同階段，設(shè)計(jì)集中教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)結(jié)合的項(xiàng)目實(shí)施評(píng)定方法。

3 結(jié)束語

在PBL 模式下對(duì)原有課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行整合，提出了可行的模塊化與項(xiàng)目式教學(xué)方法。通過線上SPOC 對(duì)線下課程進(jìn)行有力輔助與支撐，結(jié)合問題模式和項(xiàng)目模式同時(shí)進(jìn)行授課，克服項(xiàng)目實(shí)踐學(xué)時(shí)少的限制，重點(diǎn)對(duì)以學(xué)生為中心的工程實(shí)踐項(xiàng)目環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。課程的實(shí)施方案具有一定的普適性和借鑒性，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行高素質(zhì)管理和培養(yǎng)。