以工程思維培養為核心的實踐教學體系構建研究*

孫書蕾 陳興燕

摘? 要? 機械工程控制基礎是機械設計制造及自動化專業非常重要的專業必修課程，然而學生普遍反映學習這門課程比較困難，學完之后不知道該如何應用。以學生工程思維培養為核心，開展“一教學模式，一思維，一工具，一實踐”的實踐教學體系構建研究。

關鍵詞? 機械工程控制基礎；工程思維；實踐教學體系

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0139-03

0? 引言

對于工科學生來說，建立工程思維是很有必要的。工程思維最大的特點就是目的性，即高效率地達到目的，解決問題。相對于工程思維而言，科學思維則是研究事物的發展規律，重視數學的嚴格證明以及公理化體系等。現代知識生產方式是從人類生產生活中遇到的實際問題出發，具有顯著的跨學科、非線性特征[1]。而工程思維就是要運用學到的科學知識快速有效地解決問題，在這個過程中有時候需要大膽創新。對于現實世界而言，優秀的工程師對于世界的貢獻不亞于科學家，因為在具體的工程實踐中有時間、成本、質量等要求，在具體的過程中會碰到無數的問題，但是工程的特點決定了工程的目的很明確，要快速有效地解決問題。相比較而言，科學研究的目的性就不夠明確，因為科學研究是探索，具體的方向是未知的。量子力學的發展很好地說明了科學研究的特點。

工科學生的學習特點明顯不同于理科學生的學習特點。理科學生的學習很重視公理化體系的創建，很注重證明以及必要性和充分性的論證。而工科學生的學習顯然不同，工科學生很重要的特點之一就是目的性，要解決工程實際中的問題，而不是研究事物的發展規律。比如中學學過的萬有引力定律，牛頓看到蘋果落到地上發現萬有引力，加上牛頓三定律，進而逐步推演出經典力學。可是就算再精通經典的牛頓力學，也不能直接把火箭發射上太空，火箭發射的問題還是要靠工程學來解決。科學研究往往比較單一，就是研究事物的規律和原理，而工程思維的重點則是實戰，而且往往涉及很多的知識，錯綜復雜。理論應用到生活中往往要經過很長一個過程，工程思維就是努力縮短這個過程，最終讓理論和生活順利對接。

1? 教學過程面臨的主要問題

工程思維是基于科學思維的，指明方向一路推進，最終修建出一條通向正確方向的道路。但是在現行的教學過程中，往往混淆工程思維和科學思維，造成學生學習的混亂。課程現有的教學大綱與教學計劃大多是根據所選用的教材和課程知識體系所需要的知識點確定的，并沒有考慮教學內容、授課順序對學生能力培養的關聯度和支撐度[2]。目前而言，普遍存在以下幾個問題。

1）應試的氛圍很濃，學生不知道學習這門課程有什么用，也不會用。對于學到的知識不能夠融會貫通，也不能把不同課程有機聯系起來。對于偏數學的課程興趣不大，學習敷衍了事。

2）學生沒有建立起工程思維。有的學生對書中的某些知識點有興趣，于是糾纏于個別知識點，沒有大局觀，最終不能完成整門課程的建構，也不能運用學到的知識解決問題。

3）理論學習與實踐脫節，理論課教師不懂實驗，實驗課教師也不是很懂理論課，這對于學生的高素質成長是不利的，所以有必要在實踐中建立起導向，讓學生主動探索與思考，并嘗試用自己所學課程知識解決遇到的問題。

應用型工科院校要培養高素質工程型人才，提高學生的動手能力，就是要讓學生能夠很熟練地設計機電系統，并成功應用于生產實際[3]。

以機械工程控制基礎課程教學為例，該課程主要內容是有關經典控制論的基礎知識，因此在教學中主要建立的是工程思維，是工程控制論思維。應用技術型人才的核心是“用”，本質是學以致用[4]。

數學中復變函數與積分變換是該門課程的數學基礎，教學內容包括系統的時域分析、頻域分析、根軌跡以及綜合與校正等章節，一環扣一環、皆有聯系，教學量大、課程緊張。從教學實踐來看，學生能夠掌握具體的知識點，比如系統的時域分析、頻域分析、根軌跡等，但是對于應用性很強的綜合與校正則完全不能掌握，無法編寫程序。但是如果學生只會做題，不能對系統進行綜合與校正，就是簡單地學習了幾個知識點，對于如何構建一個控制系統，如何調整系統的快速性、穩定性和準確性，則完全不會，這于工科學生的培養來說是不利的。

總的來說，機械工程控制基礎涉及的控制、系統、反饋等思想對學生將來的發展大有裨益，但學生對該課程接受程度不高，難以完全發揮課程對工科學生的教育培養作用。

2? 教學改革內容

2.1? 改變傳統的教學模式

以建立學生的工程控制思維為核心的實踐教學體系可以極大地調動學生學習的積極性和創造性，讓學生真正掌握這門課，建立工程控制思維，能夠應用控制論的知識，而不是只追求考試及格。因此，可以做一些大膽的教學改革，如圖1所示。比如變被動學習為主動學習，充分調動學生的學習積極性，讓學生通過學習和比賽能夠更好地掌握一項專業技能[5]。再比如：引入MATLAB及其工具箱Simulink等，讓學生通過一些簡單的仿真練習逐漸不再恐懼數學公式的推導；構建符合實際工程需求的教學體系，而不是僅限于教材的教學，工程控制論思維的建立貫穿教學始終；結合項目訓練，積極引導學生參與項目，提升學生自我更新知識的能力和團隊交流能力。

2.2? 培養工科學生的工程控制思維

以機械工程控制基礎為例，在現階段的本科教學過程中始終貫穿工程控制思維培養這一主線，凡設有控制基礎或自動控制原理課程或其他理論與實踐結合比較緊密的課程，均可以建立類似的工程思維實踐教學體系。工程思維的建立和實踐教學體系的構建，可以圍繞“一教學模式，一思維，一工具，一實踐”進行研究。

2.2.1? 新的課堂教學模式

全面推行項目驅動教學法，通過精選案例、分解任務、講練有機融合，將相關知識點融入項目。通過項目實現以及動畫演示、趣味教學等方法，學生能夠積極參與整個教學過程，體現“以學生為中心，教師為主導”的教學思想。在每次課的課堂教學過程中，采用“感知與聯想—引入與模擬—實戰演習—總結提高”模式，實現分層次教學。

在課堂講授中，對于每個章節可以適當適時添加課程思政內容，培養學生對專業的認同感，明白知識來源于生活實際，讓學生善于觀察生活、熱愛生活，激發創新意識，培養堅韌不拔的科學探索精神。讓學生了解錢學森對控制論建立所作出的貢獻并學習錢學森的愛國精神。

2.2.2? 建立控制論思維

積極引導學生參加學院、學校、國家及各層次舉辦的創新創業類項目或各類比賽項目，這些項目的開展可以極大調動學生主動學習控制論的積極性，教師也可以在此時講解控制論知識，讓學生建立起反饋、控制等控制論思維。

2.2.3? 利用MATLAB模擬仿真開展綜合實驗，貫穿整個課堂

由于機械工程控制基礎課程是理論與實踐相結合的課程，許多高校開設時域特性分析、頻域特性分析等相關基礎實驗，加深學生理解知識點的同時增強學生的動手能力。但是，一些復雜的、系統性較強的綜合性實驗受到硬件設備條件的限制，難以開展。經典控制論的課堂教學中，可以充分利用MATLAB進行講解，極大地調動學生的學習積極性，有利于加強學生對數學知識的理解。

2.2.4? 開展工程訓練

以工程教育為依托，對于學生學習成績的判定，可以增加工程訓練的內容。具體在機械工程控制基礎課程中，可以依托綜合與校正的章節，讓每個學生建立一個控制系統，達到要求的準確性、穩定性、快速性。應用MATLAB編程調整參數和繪圖，工程訓練的成績按照比例計入期末成績。工程實踐創新項目的開發要按照學生的認知規律、學習規律來進行，同時項目設計要按從易到難的順序進行[6]。

3? 結論

教學是教師和學生之間聯系的重要紐帶，教學內容既要包含該課程的基本理論知識，也要符合專業培養的目標與原則。因此，有必要針對目前教學存在的問題，建立起學生的工程思維。控制論的講授本身是偏數學的，但是通過教學模式的改變，課程思政內容的添加，充分調動學生的學習積極性，以“一教學模式，一思維，一工具，一實踐”這種新的教學模式開展教學，最終建立起學生的工程思維，提高學生綜合能力。

參考文獻

[1] 連海山，弓滿鋒，夏小群，等.“機械工程控制基礎”課程的創客教育改革探索：以嶺南師范學院為例[J].教育教學論壇，2021（33）：93-96.

[2] 周振華，陳耿彪，曹太山.工程教育專業認證背景下機械類“機械控制工程基礎”課程教學改革研究[J].教書育人（高教論壇），2017（15）：82-83.

[3] 張超，譚心，鐘金豹.基于卓越工程師教育計劃的《機械工程控制基礎》課程改革[J].包頭職業技術學院學報，2017，18（1）：74-76.

[4] 尚偉燕，劉淑珍，王學鋒，等.機械工程專業設計類課程體驗式課堂教學改革研究[J].教育現代化，2017，4（1）：51-52，65.

[5] 吳濤.工程教育背景下控制工程基礎課程建設與改革[J].教育教學論壇，2019（24）：80-82.

[6] 李建雄，文婷.工程實踐創新項目教學模式實施中存在的問題與對策[J].職業技術教育，2019，40（29）：40-42.

*項目來源：2020年貴州省教育科學規劃課題“以工程思維培養為核心的實踐教學體系構建研究——以《機械工程控制基礎》為例”（項目編號：2020B137）；貴州理工學院混合教改課程“機械工程控制基礎”。

作者：孫書蕾，貴州理工學機械工程學院，副教授，研究方向控制論、機械動力學；陳興燕，貴州理工學機械工程學院，講師，主要從事課堂教學研究（550003）。