新工科背景下的船舶機電傳動控制課程教學模式初探

吳軍 李維嘉 郭卉 何莎莎

[摘 要]針對目前船舶機電傳動控制課程教學中存在的突出問題，項目組結合新時代工科教育變革的要求，以國際先進的CDIO工程教育理念為指導，設計面向知識、能力與素質一體化培養的船舶機電傳動控制課程教學新模式，并給出在新工科背景下船舶機電傳動控制課程教學模式改革的實施途徑和方法。

[關鍵詞]新工科;教學模式;知識;能力;素質;深度學習

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）06-0048-04

隨著以物聯網、3D打印、大數據、人工智能為核心的第四次工業革命的興起，創新驅動發展、“中國制造2025”和“互聯網+”等國家戰略的深入推進，以及以新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，社會對工程科技人才的培養提出了更高要求，迫切需要加快新時代新時期的大學工科教育變革。為此，2017年2月，國家發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，并組織專家學者開展了一系列的大學新工科建設研討，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等。這標志著我國的大學工科教育步入了新篇章[1]。

所謂的新工科是指針對新興產業，以物聯網、數據科學和工業智能為核心的工科專業，抑或將云計算、大數據、區塊鏈、虛擬現實、人工智能和機器人等應用于傳統工科專業的升級改造[2， 3]。其內涵是以立德樹人為引領，通過繼承與創新、交叉與融合、協調與共享等方式，面向未來培養國際化、多元化和創新型卓越工程技術人才。船舶與海洋工程專業是融合了力學、機械、信息、控制、材料等學科，具有鮮明行業特色的傳統工科專業，也是國家實施海洋強國和制造強國等戰略的重要依托，為國防建設、船舶建造和海洋開發等培養高精尖人才。因此，船舶與海洋工程專業理應成為新工科專業建設的排頭兵。

船舶機電傳動控制課程是船舶與海洋工程專業的一門基礎核心課程。它以船舶和海洋平臺上的機電系統（裝備）為對象，通過對系統動力學、電機、控制元件、調速模塊等基礎知識的講授，著力培養學生提出、分析與解決船舶機電系統工程問題的能力，使學生具備一定的船舶機電系統的綜合設計與分析能力。該課程是輪機自動化、水下機器人、船舶建造工藝、船舶輔機等后續專業課程學習的基礎，具有承上啟下的意義。基于此，本文以國際先進的CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育理念為指導，通過系統分析船舶機電傳動控制課程教學的現狀與存在問題，探討新工科背景下船舶機電傳動控制課程教學模式改革的途徑與方法。

一、船舶機電傳動控制課程教學的現狀與存在問題

船舶機電傳動控制課程是基于大班授課，學生人數大于50名。目前，主要采取的是課堂教學與動手實驗相結合的教學方式，以教學大綱和教材為指導，以知識傳授為主。在新工科專業建設的背景下，從CDIO工程教育理念的視角，重新審視船舶機電傳動控制課程教學的各個環節，發現船舶機電傳動控制課程在教學過程中存在如下主要問題：

（一）教學內容更新慢，明顯滯后于新技術發展

船舶機電傳動控制課程教學仍然是基于教學大綱，以教材為中心，教學內容涉及機電系統動力學分析、直流與交流電機、繼電器與接觸器控制、可編程控制以及調速系統等。目前，大數據、人工智能、機器人等新技術的發展非常迅速，并在船舶與海洋工程領域得到了一定程度的應用。由于技術成熟度、出版周期等各種因素的影響，這些最新技術及其工程應用并沒有在相關教材中得到及時更新，使得船舶機電傳動控制課程教學內容略顯陳舊。這一方面影響了學生學習的積極性，另一方面也使得培養的學生難以適應時代發展。

（二）教學方法單一，缺乏知識、能力與素質一體化培養舉措

船舶機電傳動控制課程教學仍然是以教師為中心，采用注入式填鴨教學模式，重心主要在教授傳授知識點和剖析案例上，學生被動地接受知識灌輸，忽視了教師的個性化指導以及學生的自主學習能力、解決問題能力和團隊協作能力等培養。由于學生的知識結構與學習能力的差異性，采用的教學方法與教學手段也應多樣化，否則將難以實現知識、能力與素質三維一體化培養。

（三）實驗教學資源固化，不適應學生創新能力培養

船舶機電傳動控制實驗所采用的實驗裝置是交流伺服電機驅動的模組線性直線滑臺導軌/滾珠絲桿工作臺。它是由專業公司設計與制造的，由于保密或高度集成化、模塊化等方面的原因，實驗教學資源相對固化，學生必須嚴格按照實驗作業指導書去完成實驗內容，自主性實驗難以實現，這制約了學生實踐能力和創新能力的培養。

二、面向知識、能力與素質一體化培養的船舶機電傳動控制課程教學新模式設計

CDIO工程教育理念是由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等機構聯合創立的先進工程教育模式，代表了現行國際工程教育的最新成果[4]。它根據卓越工程技術人員必須具備的知識、能力和素質，系統全面地定義了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的12條標準。CDIO工程教育的核心理念是以產品從構思、設計、實現到運作的生命周期為載體，讓學生以主動和實踐等方式進行學習，實現學生的知識、能力與素質一體化培養，從而將學生培養成既具備扎實的專業基礎知識，又具備較強的專業技能與素養的創新型人才。基于此，針對目前船舶機電傳動控制課程教學中存在的主要問題，結合CDIO工程教育模式的意愿、大綱和標準等核心文件要求，項目組構建了新工科下的船舶機電傳動控制課程教學新模式。

圖1所示的是船舶機電傳動控制課程教學新模式的體系架構。它是以項目為牽引，以知識傳授為主體，以能力提升為核心，以素質教育為目標，以案例教學為手段，將大數據、虛擬現實、人工智能等新技術融入電機原理、調速控制等知識點的講解中，通過課堂翻轉、小組討論、自主實驗等方式，實現船舶機電傳動控制課程的知識、能力與素質教育融為一體，相互滲透，協調發展的教學目標。具體內容包括：

（一）知識-能力-素質一體化培養教學體系再設計

根據CDIO工程教育的教學大綱要求，項目組重新設計了船舶機電傳動控制課程的知識、能力與素質一體化培養的教學體系，包括知識模塊、能力模塊與素質模塊。三個模塊相互關聯、有機融合，使學生能夠勝任產品構思、設計、實施和運作全壽命周期中的所有工作。

知識模塊將船舶機電傳動控制課程的授課內容劃分為基礎科學知識、核心工程基礎知識和高級工程基礎知識。基礎科學知識包括電力電子學基礎、機電傳動系統的運動方程式、電機的結構與工作原理等。核心工程基礎知識包括機電傳動系統穩定運行條件、電機的機械特性、可編程控制的工作原理與編程元件等。高級工程基礎知識包括電機的啟動與制動特性、電機調速控制、可編程控制器的編程技巧等。

能力模塊著重培養船舶與海洋工程專業學生的工程推理和分析解決問題能力、實驗和發現知識能力、系統思維能力、團隊協作與交流能力等。通過設計若干典型案例，鼓勵學生對工程問題進行分析與描述，建立工程模型，進行定性分析與不確定性因素分析，大膽提出解決方法和建議。開展自主實驗設計，提出假設，鼓勵學生通過查閱專業文獻資料，進行實驗探索，并進行假設檢驗與求證。在此過程中，培養學生的整體思維和大工程觀等系統思維能力以及團隊協作與交流能力。

素質模塊是從船舶機電傳動控制系統的構思與工程化、設計、實施和運行全過程培養學生的大工程視野、職業道德和人文情懷等。在船舶機電傳動控制課程中，通過水面無人艇、液壓舵機等綜合課程設計來培養學生的素質。

（二）基于深度學習的教學實踐變革

互聯網等信息技術的發展與普及，突破了傳統教育的局限，拓寬了學生的眼界和快捷獲取知識渠道。然而，隨之也出現了知識碎片化、信息娛樂化、淺層讀圖等現象，導致了學生學習深度缺乏等問題。依據CDIO工程教育的12條標準，項目組開展了船舶機電傳動控制課程的教學實踐變革，以促進學生深度學習。具體包括主動經驗學習教學、一體化學習教學等。

船舶機電傳動控制課程的主動經驗學習教學是將自上而下和自下而上教學方式進行融合，通過諸如問題引導、案例教學、項目驅動等方式，開展自下而上的教學，促進學生在做中學，將知識獲取與主動實踐過程聯系起來，從而提升學生主動學習的積極性和自覺性，培養學生的創新能力;結合自上而下的教學，通過教師的剖析或知識串聯，學生能更深刻地理解知識和系統全面地掌握知識。

船舶機電傳動控制課程的一體化學習教學是以具體工程產品為對象，將工程實踐問題和學科問題相結合，通過翻轉課堂和小組研討等方式，引導學生運用系統和批判性思維對問題進行分析與陳述，提出解決方案，同時鼓勵學生運用各種潛在的工具、方法和工程技術，主動實際，解決遇到的工程實際問題，從而破除存在的重“學”輕“術”的現象，培養學生的工程問題解決能力和團隊協作能力等（見圖1）。

三、船舶機電傳動控制課程教學新模式的實施途徑

（一）以知識模塊為主線，實現課堂教學的深度學習

傳統的以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心的教學模式，更注重知識傳授。然而，隨著以互聯網為代表信息技術的飛速發展與普及，學生獲取知識的途徑越來越多，如慕課、網絡公開課、云課堂等[5-7]。為了提高學生的學習興趣和主動性，教師需要將教學內容進行融合，以知識模塊為主線，以能力培養與素質教育為目標，通過課堂教學的深度學習，實現知識、能力與素質協調發展。具體方法如下：

首先，按照船舶機電系統的結構與功能，將船舶機電傳動控制課程教學內容模塊化，包括動力學知識模塊、電機知識模塊、控制系統知識模塊、調速系統知識模塊。每個知識模塊教學，按照“要點問題—基本概念—基本原理—實現方法”展開，并結合若干典型案例，深入剖析知識點和重難點，同時將大數據、虛擬現實、人工智能等新技術新方法融入各個知識模塊講解過程中，不斷調動學生的學習興趣與主動性。

再者，通過教學交流QQ群、課堂調查、課后作業等形式、收集與甄別學生學習過程中的疑點或共性問題，在課堂上以案例教學為手段，進行深入講解，引導學生將新知識整合到原有的認知結構中，經同化或順應過程，深化對新知識的理解與長期保持。

在此基礎上，在每個知識模塊中設計一次翻轉課堂，引導學生自主學習、合作學習或變式學習，并制作PPT進行課堂講解和討論，在主動學習過程中感受、領悟、構建知識，將知識轉化為技能。同時，通過在復雜、豐富、多變的應用場景中錘煉所學技能，將所學知識遷移應用到實際工程問題中，實現對新知識的深度理解與內化，提升解決實際工程問題的能力。

（二）實驗教學的多層次化構建

根據船舶機電傳動課程實驗作業指導書，將實驗分為必做、選做和自主實驗三個層次。在必做與選做實驗中教師制定實驗要求，闡述實驗原理，給定具體實驗步驟，并列出一系列實驗思考題。在具體的教學方法上，提倡個人思考、小組討論和獨立實施，培養學生之間相互學習的意識和團隊協作的精神。在自主實驗教學中，學生根據課程教學內容，自主擬定實驗方案，并由教師審核通過后再進行實驗，培養學生的創新能力。多層次化實驗教學模式，實現了學生共性提高和個性發展的有機結合。

（三）教學過程監控與考核改善

將課程最終的考核轉變為知識、能力和素質的綜合評價，分別從教學效果、實驗環節和試卷考核等方面建立相應的過程監控與考核體系，如表1所示。通過對學生學習過程與效果進行全方位評價，調動學生學習的積極性和主動性，鍛煉學生團隊合作能力和交流溝通能力，持續改進教學內容和教學方法，提高人才培養質量。

四、結束語

本文首先論述了在加快建設新工科專業背景下開展船舶機電傳動控制課程教學模式改革的重要意義。再者，以CDIO工程教育理念為指導，系統分析了船舶機電傳動控制課程教學的現狀，并指出課堂教學中存在的主要問題。接著，設計了面向知識、能力與素質一體化培養的船舶機電傳動控制課程教學新模式，并探討新工科背景下船舶機電傳動控制課程教學新模式的實施途徑。研究結果對于在新時期推動船舶與海洋工程專業的建設等具有重要的實際指導意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 余壽文. 工程教育評估與認證及其思考[J]. 高等工程教育研究， 2015（3）： 1-6+24.

[2] 原帥，賀飛. 哈佛大學工學院發展戰略及其對新工科建設的啟示[J]. 高等工程教育研究， 2018（2）： 67-70+89.

[3] 張國榮. 基于深度學習的翻轉課堂教學模式實踐[J]. 高教探索， 2016（3）： 87-92.

[4] 周悅，胡媛，劉雨青，吳燕翔. 基于知識能力素質培養的電路課程教學改革[J]. 教育教學論壇， 2016（31）： 88-89.

[5] 張浩強. 基于創新型人才培養的《機電傳動控制》課程教學改革方法研究[J]. 教育教學論壇， 2016（19）： 91-92.

[6] 余宏亮，張雅君. 基于翻轉課堂的微課程教學法建構[J]. 重慶高教研究， 2017（4）： 6-16.

[7] 李政民卿， 王黎娜， 陸鳳霞， 鮑和云， 靳廣虎. 美國基礎教育給中國工科研究生專業基礎教學的啟示[J]. 大學教育， 2014（11）：22-23.

[責任編輯：劉鳳華]