以工程思維培養(yǎng)為核心的實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究*

孫書蕾 陳興燕

摘? 要? 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)是機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)非常重要的專業(yè)必修課程，然而學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)這門課程比較困難，學(xué)完之后不知道該如何應(yīng)用。以學(xué)生工程思維培養(yǎng)為核心，開展“一教學(xué)模式，一思維，一工具，一實踐”的實踐教學(xué)體系構(gòu)建研究。

關(guān)鍵詞? 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)；工程思維；實踐教學(xué)體系

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）24-0139-03

0? 引言

對于工科學(xué)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(dá)到目的，解決問題。相對于工程思維而言，科學(xué)思維則是研究事物的發(fā)展規(guī)律，重視數(shù)學(xué)的嚴(yán)格證明以及公理化體系等。現(xiàn)代知識生產(chǎn)方式是從人類生產(chǎn)生活中遇到的實際問題出發(fā)，具有顯著的跨學(xué)科、非線性特征[1]。而工程思維就是要運(yùn)用學(xué)到的科學(xué)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(chuàng)新。對于現(xiàn)實世界而言，優(yōu)秀的工程師對于世界的貢獻(xiàn)不亞于科學(xué)家，因為在具體的工程實踐中有時間、成本、質(zhì)量等要求，在具體的過程中會碰到無數(shù)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(xué)研究的目的性就不夠明確，因為科學(xué)研究是探索，具體的方向是未知的。量子力學(xué)的發(fā)展很好地說明了科學(xué)研究的特點。

工科學(xué)生的學(xué)習(xí)特點明顯不同于理科學(xué)生的學(xué)習(xí)特點。理科學(xué)生的學(xué)習(xí)很重視公理化體系的創(chuàng)建，很注重證明以及必要性和充分性的論證。而工科學(xué)生的學(xué)習(xí)顯然不同，工科學(xué)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(fā)展規(guī)律。比如中學(xué)學(xué)過的萬有引力定律，牛頓看到蘋果落到地上發(fā)現(xiàn)萬有引力，加上牛頓三定律，進(jìn)而逐步推演出經(jīng)典力學(xué)。可是就算再精通經(jīng)典的牛頓力學(xué)，也不能直接把火箭發(fā)射上太空，火箭發(fā)射的問題還是要靠工程學(xué)來解決。科學(xué)研究往往比較單一，就是研究事物的規(guī)律和原理，而工程思維的重點則是實戰(zhàn)，而且往往涉及很多的知識，錯綜復(fù)雜。理論應(yīng)用到生活中往往要經(jīng)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(xué)過程面臨的主要問題

工程思維是基于科學(xué)思維的，指明方向一路推進(jìn)，最終修建出一條通向正確方向的道路。但是在現(xiàn)行的教學(xué)過程中，往往混淆工程思維和科學(xué)思維，造成學(xué)生學(xué)習(xí)的混亂。課程現(xiàn)有的教學(xué)大綱與教學(xué)計劃大多是根據(jù)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(xué)內(nèi)容、授課順序?qū)W(xué)生能力培養(yǎng)的關(guān)聯(lián)度和支撐度[2]。目前而言，普遍存在以下幾個問題。

1）應(yīng)試的氛圍很濃，學(xué)生不知道學(xué)習(xí)這門課程有什么用，也不會用。對于學(xué)到的知識不能夠融會貫通，也不能把不同課程有機(jī)聯(lián)系起來。對于偏數(shù)學(xué)的課程興趣不大，學(xué)習(xí)敷衍了事。

2）學(xué)生沒有建立起工程思維。有的學(xué)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(gòu)，也不能運(yùn)用學(xué)到的知識解決問題。

3）理論學(xué)習(xí)與實踐脫節(jié)，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(xué)生的高素質(zhì)成長是不利的，所以有必要在實踐中建立起導(dǎo)向，讓學(xué)生主動探索與思考，并嘗試用自己所學(xué)課程知識解決遇到的問題。

應(yīng)用型工科院校要培養(yǎng)高素質(zhì)工程型人才，提高學(xué)生的動手能力，就是要讓學(xué)生能夠很熟練地設(shè)計機(jī)電系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實際[3]。

以機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)為例，該課程主要內(nèi)容是有關(guān)經(jīng)典控制論的基礎(chǔ)知識，因此在教學(xué)中主要建立的是工程思維，是工程控制論思維。應(yīng)用技術(shù)型人才的核心是“用”，本質(zhì)是學(xué)以致用[4]。

數(shù)學(xué)中復(fù)變函數(shù)與積分變換是該門課程的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，教學(xué)內(nèi)容包括系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、根軌跡以及綜合與校正等章節(jié)，一環(huán)扣一環(huán)、皆有聯(lián)系，教學(xué)量大、課程緊張。從教學(xué)實踐來看，學(xué)生能夠掌握具體的知識點，比如系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、根軌跡等，但是對于應(yīng)用性很強(qiáng)的綜合與校正則完全不能掌握，無法編寫程序。但是如果學(xué)生只會做題，不能對系統(tǒng)進(jìn)行綜合與校正，就是簡單地學(xué)習(xí)了幾個知識點，對于如何構(gòu)建一個控制系統(tǒng)，如何調(diào)整系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，則完全不會，這于工科學(xué)生的培養(yǎng)來說是不利的。

總的來說，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)涉及的控制、系統(tǒng)、反饋等思想對學(xué)生將來的發(fā)展大有裨益，但學(xué)生對該課程接受程度不高，難以完全發(fā)揮課程對工科學(xué)生的教育培養(yǎng)作用。

2? 教學(xué)改革內(nèi)容

2.1? 改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式

以建立學(xué)生的工程控制思維為核心的實踐教學(xué)體系可以極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生真正掌握這門課，建立工程控制思維，能夠應(yīng)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(xué)改革，如圖1所示。比如變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)和比賽能夠更好地掌握一項專業(yè)技能[5]。再比如：引入MATLAB及其工具箱Simulink等，讓學(xué)生通過一些簡單的仿真練習(xí)逐漸不再恐懼?jǐn)?shù)學(xué)公式的推導(dǎo)；構(gòu)建符合實際工程需求的教學(xué)體系，而不是僅限于教材的教學(xué)，工程控制論思維的建立貫穿教學(xué)始終；結(jié)合項目訓(xùn)練，積極引導(dǎo)學(xué)生參與項目，提升學(xué)生自我更新知識的能力和團(tuán)隊交流能力。

2.2? 培養(yǎng)工科學(xué)生的工程控制思維

以機(jī)械工程控制基礎(chǔ)為例，在現(xiàn)階段的本科教學(xué)過程中始終貫穿工程控制思維培養(yǎng)這一主線，凡設(shè)有控制基礎(chǔ)或自動控制原理課程或其他理論與實踐結(jié)合比較緊密的課程，均可以建立類似的工程思維實踐教學(xué)體系。工程思維的建立和實踐教學(xué)體系的構(gòu)建，可以圍繞“一教學(xué)模式，一思維，一工具，一實踐”進(jìn)行研究。

2.2.1? 新的課堂教學(xué)模式

全面推行項目驅(qū)動教學(xué)法，通過精選案例、分解任務(wù)、講練有機(jī)融合，將相關(guān)知識點融入項目。通過項目實現(xiàn)以及動畫演示、趣味教學(xué)等方法，學(xué)生能夠積極參與整個教學(xué)過程，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)思想。在每次課的課堂教學(xué)過程中，采用“感知與聯(lián)想—引入與模擬—實戰(zhàn)演習(xí)—總結(jié)提高”模式，實現(xiàn)分層次教學(xué)。

在課堂講授中，對于每個章節(jié)可以適當(dāng)適時添加課程思政內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)同感，明白知識來源于生活實際，讓學(xué)生善于觀察生活、熱愛生活，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)堅韌不拔的科學(xué)探索精神。讓學(xué)生了解錢學(xué)森對控制論建立所作出的貢獻(xiàn)并學(xué)習(xí)錢學(xué)森的愛國精神。

2.2.2? 建立控制論思維

積極引導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)院、學(xué)校、國家及各層次舉辦的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項目或各類比賽項目，這些項目的開展可以極大調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)控制論的積極性，教師也可以在此時講解控制論知識，讓學(xué)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(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程是理論與實踐相結(jié)合的課程，許多高校開設(shè)時域特性分析、頻域特性分析等相關(guān)基礎(chǔ)實驗，加深學(xué)生理解知識點的同時增強(qiáng)學(xué)生的動手能力。但是，一些復(fù)雜的、系統(tǒng)性較強(qiáng)的綜合性實驗受到硬件設(shè)備條件的限制，難以開展。經(jīng)典控制論的課堂教學(xué)中，可以充分利用MATLAB進(jìn)行講解，極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于加強(qiáng)學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的理解。

2.2.4? 開展工程訓(xùn)練

以工程教育為依托，對于學(xué)生學(xué)習(xí)成績的判定，可以增加工程訓(xùn)練的內(nèi)容。具體在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中，可以依托綜合與校正的章節(jié)，讓每個學(xué)生建立一個控制系統(tǒng)，達(dá)到要求的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速性。應(yīng)用MATLAB編程調(diào)整參數(shù)和繪圖，工程訓(xùn)練的成績按照比例計入期末成績。工程實踐創(chuàng)新項目的開發(fā)要按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、學(xué)習(xí)規(guī)律來進(jìn)行，同時項目設(shè)計要按從易到難的順序進(jìn)行[6]。

3? 結(jié)論

教學(xué)是教師和學(xué)生之間聯(lián)系的重要紐帶，教學(xué)內(nèi)容既要包含該課程的基本理論知識，也要符合專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)與原則。因此，有必要針對目前教學(xué)存在的問題，建立起學(xué)生的工程思維。控制論的講授本身是偏數(shù)學(xué)的，但是通過教學(xué)模式的改變，課程思政內(nèi)容的添加，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以“一教學(xué)模式，一思維，一工具，一實踐”這種新的教學(xué)模式開展教學(xué)，最終建立起學(xué)生的工程思維，提高學(xué)生綜合能力。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 周振華，陳耿彪，曹太山.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下機(jī)械類“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)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(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程改革[J].包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2017，18（1）：74-76.

[4] 尚偉燕，劉淑珍，王學(xué)鋒，等.機(jī)械工程專業(yè)設(shè)計類課程體驗式課堂教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（1）：51-52，65.

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

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

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

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