航海類專業研究生課程數字化教學改革與探索
——以現代控制理論課程為例

單麒赫，俞菲斐，滕菲，肖仲明，于仁海

（1.大連海事大學 航海學院，遼寧大連 116026；2.大連海事大學 船舶電氣工程學院，遼寧大連 116026）

近年來，隨著信息化建設的發展，數字技術不斷加快向教育領域全方位融入。從2012 年3 月教育部印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》[1]，到2018 年4 月教育部印發《教育信息化2.0 行動計劃》[2]，到2021 年7 月教育部等六部門印發《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》[3]，再到2022 年2 月教育部發布的《教育部2022年工作要點》[4]明確提出“實施教育數字化戰略行動”，教育數字化轉型、智能升級、融合創新駛入快車道。2022 年10 月，黨的二十大召開，首次將“推進教育數字化”寫進二十大報告，標志著教育數字化正式成為國家教育改革發展的戰略部署，為高校網信工作者進一步做好新時代高校科技創新和教育數字化支撐工作，指明了前進方向、提供了根本遵循[5]。

隨著數字化成為推進高等教育高質量、可持續發展的戰略支撐和必然趨勢，我國順應高等教育數字化發展大勢，重視總體規劃的超前性、主動性、科學性，開展了一系列的有益探索與積極實踐[6-8]。中國慕課自2013 年起步，經過10 年探索與實踐，建設數量和應用規模均居世界第一[9]。以慕課為抓手，我國陸續構建了在線教育數字化政策支持體系，建設了國家智慧教育平臺，深入推進“慕課西部行計劃”，持續推動信息技術與教育教學深度融合[10]。我國連續三年舉辦世界慕課與在線教育大會，發起成立世界慕課與在線教育聯盟[11-13]，搭建慕課與在線國際交流合作新機制、新平臺，為世界高等教育數字化發展貢獻了中國經驗、中國方案。隨著慕課平臺的不斷壯大和數字化發展不斷深入推進，高等教育課堂正在重構，線上線下教學模式相互融合，催生出高等教育教學數字化新常態。

與此同時，工程教育改革創新方興未艾。2017 年，教育部先后在復旦大學和天津大學召開研討會，達成了“新工科建設復旦共識”[14]，發布了新工科建設行動路線（“天大行動”）[15]，提出要探索建立工科發展新范式。智能船舶作為《中國制造2025》重點發展領域之一，已成為船舶工程界科技創新的前沿課題。而航海類專業研究生是高層次工科人才，是未來智能船舶技術產業發展的中堅力量，如何使其具備成長為卓越工程師的創新能力和專業素質，是新工科建設亟待解決的重要問題之一[16-17]。

當前，航海類專業研究生培養過程中普遍存在理論與實踐聯系不緊密的現象，課程建設中脫離航海特色，過多地強調理論知識，這使得部分研究生課堂學習與實踐應用脫節，無法很好地適應新時期航海類職業需求。隨著新工科建設工作的逐步推進，面向航海類專業研究生的課程教學應以有效學習為中心，旨在引導研究生學習有用的知識，強化理論知識的應用實踐。然而，現有的課程考核方式多以研究生的出勤情況和期末成績為評價指標，考試內容過于依附教材，弱化了對研究生實踐應用能力的評價。要實現應用型工程人才培養目標，還需設計科學的、可操作的課程考核評價指標體系，評價中要關注航海類專業研究生對知識的實際掌握應用情況，使教學工作的重點真正落實到研究生創新創造能力的培養上。因此，隨著高等教育模式的調整，航海類高校應當在教育教學中關注如何結合航海類專業特色，構建新工科背景下研究生專業課程體系，以適應航海類新工科人才培養目標。

綜上，在高等教育數字化和新工科建設的背景下，航海類專業研究生課程教學亟須在政策引導下作出調整與改革。本文以航海類專業研究生現代控制理論課程為例，通過對目前課程教學現狀的分析，嘗試從授課方式、教學內容、實驗教學和課程考核評價方面進行教學改革，全面提升數字化課堂教學水平和航海類新工科人才培養質量。

1 現代控制理論研究生課程教學現狀

現代控制理論是建立在狀態空間法基礎上的一種控制理論，是自動控制理論的主要組成部分。它所包含的學科內容十分廣泛，主要有：線性系統理論、非線性系統理論、最優控制理論、隨機控制理論和自適應控制理論。

現代控制理論課程是航海學院交通信息工程及控制、航海科學與技術專業研究生階段的核心課程，具有理論性強、內容寬泛、應用發展迅速等特點。目前，大連海事大學航海學院碩士/博士現代控制理論課程安排32 課時，于研究生第一學年上半學期進行授課。課程的主要內容有：線性系統的狀態空間描述、線性系統的運動分析、線性系統的可控性和可觀測性、系統穩定性分析以及線性反饋系統的時間域綜合。課程采用了以理論教學和課堂講授為主的授課方式。

與很多研究生基礎課程一樣，現代控制理論課程教學也存在以下問題：

1.1 線下教學方式存在局限性

一方面，新工科建設對航海類人才培養提出了更高的要求，傳統的線下教學模式提供的教學資源有限，在為航海類專業研究生拓寬行業視野和了解新興技術方面稍顯乏力。另一方面，教師在對現代控制理論課程進行單一的線下教學時發現，由于信息化教學在線下課堂的可應用性有限，使得課程教學設計較為單薄，課堂氛圍略顯嚴肅，在復雜煩瑣的理論教學環節對學生的專注程度要求較高，難以保證教學效率。同時，由于課堂教學內容較多，部分非航海類專業出身的研究生專業基礎薄弱，難以確保其對所有課程教學內容完全吸收理解。因此，在高等教育數字化轉型背景下，現代控制理論課程線上教學體系構建成為必然。

1.2 課程教學內容設置缺乏科學合理性

現代控制理論課程面向航海學院交通信息工程及控制、航海科學與技術專業的研究生授課時，在教學內容的設置上，與航海類新工科人才培養所需要的知識結構契合度不高，科學合理性有待提高。智能船舶是航海新工科重要的發展方向，船舶控制理論在現代控制理論課程中的重要性也愈發凸顯。面對未來發展方向，大多集中于航海領域相關行業的研究生群體，在制定課程教學內容時，應當緊密結合航海類專業特色與航海類專業研究生發展特點，突出海上控制相關理論教學。然而目前的教學內容設置主要偏重于線性控制系統的理論與分析方法的講解，理論性強，但教材略顯單一，沒有很好地結合航海領域的相關控制問題與前沿控制理論，使研究生通過課程學習掌握的知識與實際應用脫節。

1.3 實驗教學內容與方式較為落后

現有的現代控制理論課程在理論與實踐教學上難以形成閉環，對研究生工程知識的應用能力培養不足，與基于新工科背景下的航海專業人才培養要求存在一定的差距。實驗內容設置較為陳舊，還停留在單一理論與知識點的仿真驗證方面，沒有很好地結合航海領域工程實例，且過于模塊化，對所學工程知識的銜接性和統籌應用不強，學生只是機械地按照算法進行編程，缺乏對實際問題解決能力的訓練。此外，實驗方式的選取也較為落后，目前所用的仍是一些數學處理功能較弱、語言結構復雜的高級語言，如C 語言等，在可視化實物仿真方面提供的功能過少，使用難度也較大。

1.4 考核方式和評價指標單一

現代控制理論課程在進行研究生課程成績考核時，主要采用平時出勤+期末成績且以期末考試成績為主的終結性評價方式。考核形式和評價指標單一，考核內容簡單且主要依附于教材，過程性考核較少，對研究生所學知識的實際應用能力的檢驗有待加強。部分研究生缺乏學習主動性，在平時課堂中的聽講效率難以得到保證，能力素質無法得到提升。對于授課教師來說，通過指標單一的終結性評價方式，無法了解學生不同階段學習過程中的知識掌握情況，不利于教學方案實施效果的反饋和調整改進，課程考核的導向作用難以發揮。

2 現代控制理論課程多元化線上教學課堂設計

2.1 更新教學內容，完善知識結構體系

從航海類專業研究生培養目標與發展特點出發，對接教學目標，更新傳統教學內容。以船舶自動化和無人船舶系統為切入點，融合線性控制系統、非線性控制系統、最優控制等相關理論知識，密切聯系課程內容在航海領域的應用實踐。對復雜且實用性不強的內容進行刪減，精選教學內容，凝練出完整獨立的教學體系，凸顯知識體系中的教學重點和難點，淡化教材中復雜、煩瑣的理論證明和公式推導，側重現代控制理論在航海領域的實際應用。同時，將教師在本領域的研究成果科學合理地融入原有的教學內容中，如多智能體系統協同控制在船舶控制領域的應用，并進行動態補充與更新。配合現代控制的前沿發展方向及相關技術，拓寬學生的視野，從理論知識、分析能力、應用能力和解決問題的能力等方面不斷豐富教學內容，完善知識結構體系。具體章節及內容如表1 所示。

表1 現代控制理論課程教學內容

2.2 利用多樣化的在線平臺，推動課程線上教學

在高等教育數字化轉型背景下，研究生線上教學成為新常態。由于現代控制理論課程的特點是理論性強、抽象概念多，教學內容中包含大量復雜的數學分析與證明，對研究生基礎知識的儲備要求較高，對線上教學質量的要求較高。針對該課程特點，利用云教育平臺的各種多媒體工具，制定了如表2 所示的“慕課+騰訊會議”的多元化線上教學策略。通過慕課上傳課程教學相關的電子教材、視頻、PPT 等教學資源，幫助研究生結合具體案例對理論知識加深理解；針對部分研究生專業基礎差的情況，在慕課平臺上有選擇地進行線性系統理論、自動控制原理等前序課程相關知識的補充，方便學生課后進行自主學習。同時，借助騰訊會議進行直播授課，改變研究生傳統線下教學一對多的課堂體驗感，為每位學生提供和教師更直接的互動，方便學生主動參與課堂活動，增強課堂融入感，便于開展線上實驗教學。此外，教師通過線上平臺可以實時分享技術發展前沿，為新工科背景下航海類專業研究生的發展打下堅實的基礎。

表2 現代控制理論課程線上教學平臺

2.3 利用豐富的軟件資源構建線上實驗教學模式

以工科人才能力培養為目標，強化實踐能力訓練，選用MATLAB 進行仿真實驗教學，將理論與實踐相結合，在幫助研究生夯實基礎知識、加深對課程理論內容理解的同時，提高學生對知識進一步的探究能力、分析能力和運用能力。實驗教學內容方面，在側重理論驗證的基礎性實驗方面，增設面向工程實例的綜合性實驗，將MATLAB 仿真軟件提供的針對控制系統建模、分析與設計的強大功能和無人船平臺有機結合，提供可視化的控制系統仿真實驗平臺，加入控制對象的演示仿真，使線上實驗教學更為生動有趣，讓學生感受到控制的過程和效果，加深理解，提升學習興趣。實驗教學形式方面，教師采用“視頻演示+線上直播”的方式，在線上教學過程中實時解決學生實驗中遇到的各類問題，并錄制教學視頻，上傳至慕課平臺，供學生課后自主進行回顧；學生嚴格遵循課前預習、線上教學、現場實驗、課后按時提交實驗報告的順序，來完成線上實驗課程。

2.4 制定多元化的考核方式，完善評價體系

調整現代控制理論課程傳統的單一考核模式，將終結性考核與形成性考核相結合，學習過程評價與目標評價相結合，理論知識考核與能力素質考核相結合，課程期末考試與平時考查相結合，筆試與實踐操作相結合，以多元化的綜合性評價方式全面考核研究生的能力培養達成情況。加大平時成績在課程考核中的占比，增加案例討論、小組項目、實驗仿真等形成性評價，平時成績由課堂考勤、隨堂測驗和課程作業三部分組成。其中隨堂測驗包括課堂提問、課堂討論、課上習題等形式；課程作業包括課后習題、小組項目以及實驗仿真等類型。具體考核方式及評價標準見表3。

表3 現代控制理論課程考核方式及評價標準

3 結語

隨著高等教育數字化的不斷深化，加快推進教學改革是新工科建設背景下提升高校教育教學水平和人才培養質量的關鍵。航海類專業研究生基礎課程承擔著應用型、技能型航海人才培養的重任，推動建設具有航海特色的數字化課程體系是必然趨勢。針對航海類專業研究生現代控制理論課程教學，本文圍繞當前形勢下課程建設過程中存在的問題，從授課方式、教學內容、實驗教學和課程考核四個方面深入研究，提出了現代控制理論課程多元化線上教學課程改革方案，更新完善后的教學內容密切聯系理論發展前沿與實際應用，拓寬了學生視野，提高了航海類專業研究生的實踐應用能力；通過“慕課+騰訊會議”的數字化教學手段，輔以MATLAB 線上仿真實驗教學，提高了研究生的學習主動性和創造性，在夯實基礎的同時培養了研究生的實踐探究能力；多元化的考核方式豐富了研究生課程教學評價標準，提高了課堂教學成效和研究生的學習積極性。在國家教育數字化戰略行動的引導下，航海教育工作者未來應進一步推進研究生專業課程的數字化教學改革，在航海類專業研究生培養過程中加強課程體系的內涵建設，為全面提高航海類新工科人才培養質量提供有力支持。