新工科思維在實驗課中的應用與實踐

摘 要 文章以“自動控制原理實驗”課程為例，探討了新工科思維在實驗課程中的應用與實踐。文章比較了傳統教育和新工科思維的區別，強調了后者在跨學科技能、創新和實際應用中的重要性。文中介紹了將新工科思維融入實驗課程的方法，并討論了這種方法如何有效提升學生的問題解決能力、團隊合作和創新能力。最后，文章對這種教育方法在適應社會發展需求方面的前景進行了展望。

關鍵詞 新工科思維；教學應用；自動控制原理實驗

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.12.024

Application and Practice of New Engineering Mindset in Experimental Course

——Take \"Experiment on the Principle of Automatic Control\" course as an example

ZHANG Shouxu， LI Daojiang， YU Jing

（School of Marine Science and Technology， Northwestern Polytechnical University， Xi'an， Shaanxi 710000）

Abstract This article uses the \"Experiment on the Principle of Automatic Control\" course as a case study to explore the application and practice of new engineering mindset in laboratory courses. It compares this approach with traditional education， highlighting the importance of interdisciplinary skills， innovation， and practical application in the new engineering mindset. The methods for integrating this mindset into experimental courses are discussed， along with how it effectively enhances students' problem-solving abilities， teamwork， and innovation skills. Finally， the article provides a perspective on the future of this educational approach in adapting to the evolving demands of society.

Keywords new engineering mindset; educational application; Experiment on the Principle of Automatic Control

在信息技術快速發展的背景下，人們意識到傳統的工程教育模式已經不能滿足社會的需求，同時，現代社會對工程人才的需求也在不斷發生變化，不再僅僅需要掌握某一領域的專業知識，還需要具備跨學科合作和解決實際問題的能力，在這種背景下，新工科思維應運而生。

新工科是新科技時代教研改革之首選，也是教育發展的全新模式。在新工科背景下，根據創新興國的思想，高校有必要改變傳統工科實驗課程的設置模式，整理、分配多種實驗室相關資源，建立靈活多變的實驗系統，以促進教師和學生更有效地利用實驗資源進行相關專業實驗和教學[1]。在新的教育背景下，特定課程如“自動控制原理實驗”成為實踐新工科思維的一個例證。這門課程作為控制領域專業的核心課程，強調通過實驗進行科學實踐，證明控制理論知識的實用性。這種實踐不僅是理論課程無法替代的，同時也是將能力和知識、實踐和理論相互結合的重要一環[2]。本文主要以“自動控制原理實驗”課程為例，探討新工科思維在實驗課中的應用和實踐，以期對工科教育的發展和改革提供一些有益的啟示。

1 "新工科思維介紹

新工科思維是一種以實踐和應用為導向的教育理念，旨在培養具備跨學科綜合能力、創新能力和實踐能力的工程人才。我國為順應行業發展的新需求，于2016年首次提出新工科概念，此后積極推進新工科建設，從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，新工科思維的教育理念及內涵越來越明晰[3-4]。

1.1 "與傳統工科思維的區別

新工科思維和傳統工科思維在教育理念、課程設計、學習方法和培養目標等方面存在明顯的區別。傳統工科思維側重于傳授基礎知識和技能，培養學生的專業技術能力，注重理論知識的傳授和掌握。課程設置相對固定，以聽講解、記筆記、課后習題為主要學習方法，學生被動地接受知識。新工科思維除了培養專業知識和技能外，還強調培養學生的跨學科綜合能力、創新能力、實踐能力和團隊合作精神，使其具備更廣泛的能力面。新工科思維下的課程設計更加靈活，其引入跨學科知識，注重實際問題的解決，實驗課程強調問題驅動、項目式實踐和開放性實驗，引導學生自主學習和探究，倡導問題帶動學習、項目合作、實踐操作，使學生能積極主動地參與學習過程，注重學以致用。

總的來說，新工科思維強調學生的綜合能力和實際應用能力的培養，注重學生的創新能力和問題解決能力，更加符合當今社會對工科人才的需求。傳統工科思維依然重要，而新工科思維的引入為培養更具創新和實踐能力的工科人才提供了新的思路和方法。

1.2 "新工科思維的特點

新工科思維是一種面向新興工程學科發展的教育思維，它強調的是實踐和應用[5]。相比于傳統的工科教育，新工科思維更注重學科交叉融合、產學研結合以及視野全球化。新工科思維的特點主要包括以下幾個方面。

①注重實踐和應用。新工科思維的核心理念是實踐和應用，強調學生需要通過實際的項目和案例來學習、思考和解決問題。這種實踐性的學習方式有助于提高學生的學習興趣和能力，使他們更好地掌握和應用所學知識。 ②強調創新和創造。新工科思維鼓勵學生發揮創新精神，提倡在實踐中探索新的思路和方法。通過開展創新性項目和實驗，可以培養學生的培養創新思維和創造力，使其更好地適應未來的工作和生活。③重視學科交叉融合。新工科思維不僅關注工程學科的發展，也強調工程學科與其他學科的融合和交叉。實際項目通常涉及多個學科領域，如計算機科學、數學、物理等，通過跨學科融合知識的學習，學生可以更好地解決實際問題。④推崇產學研合作。新工科思維倡導學校、企業和科研機構之間的合作和互動，將實踐與理論相結合，打破傳統教育和產業界的界限。這種產學研合作不僅可以幫助學生更好地了解行業發展趨勢，還可以提高學生的實際工作經驗和就業競爭力，同時也有利于實際問題的解決和學術研究的深入發展。

2 "新工科思維應用的基本原則和方法

新工科思維在實驗課中的基本原則包括問題驅動學習、學科交叉融合、團隊合作、開放性實驗和實踐與理論結合等。在實際運用中，教師應該將實驗設計為解決特定問題的任務，引導學生提出問題、制訂假設、進行實驗操作、分析數據，并培養學生分析問題和解決問題的能力。同時，引入多學科知識，將不同學科領域的知識融入實驗內容，培養學生的跨學科綜合能力。通過項目式實踐，學生在團隊中完成實驗項目，培養實踐能力和團隊協作精神。提供開放性的實驗環境，提供實驗自由度，鼓勵學生自主設計實驗方案，培養創新思維。將實驗與理論知識緊密結合，幫助學生將抽象的理論知識轉化為具體的實際操作，加深其對知識的理解。鼓勵學生在實驗后進行討論和反思，培養其分析和思考能力。教師的角色轉變為學習的引導者和指導者，引導學生開展自主學習和探究。最后，要求學生撰寫詳細的實驗報告，并鼓勵用圖表、模型等形式展示實驗結果，鍛煉學生的表達能力和團隊協作能力，使實驗課程更具創新性和實用性。利用現代教育技術，整合虛擬實驗軟件、在線實驗平臺等，提供多樣化學習體驗。建立全面的評價機制，綜合評估學生的綜合素質。這些方法的綜合運用旨在激發學生學習興趣，培養其實際動手能力、團隊協作能力，使實驗課程更貼近新工科思維的理念（圖1）。

圖 1 "新工科思維實驗課教學模式

同時，為解決傳統實驗課程中，學生理論學習不牢固、對實驗缺乏興趣、注重結果而忽視過程等問題，課程組通過課前整合線上線下教學資源，利用各種媒介進行實驗前資源整合和討論，完成預習報告，注重課堂實踐過程，強調過程理念，培養學生積極挖掘問題的能力。

此外，結合互聯網的發展，課程組可以借助“互聯網+”實驗課、“慕課+開放實驗室”等模式，使學生通過網絡進行實驗操作，接觸不同地區的實驗環境，增強其跨文化合作能力，對獲取的實時數據進行分析和處理，提高實驗操作效率[6]。基于互聯網的實驗教學還能提供個性化學習體驗，讓學生根據興趣和需求選擇實驗內容，獲得個性化的服務，同時提供實時的學習反饋，幫助學生調整學習策略。新工科思維與互聯網的結合將使實驗教學更加靈活多樣，豐富實驗內容和形式，提升學生的實際操作能力、創新能力和團隊協作能力，為學生提供更好的學習體驗和更廣闊的發展空間。

3 "應用實例

3.1 "“自動控制原理實驗”課程簡介

“自動控制原理實驗”是自動化、控制工程、電子、電氣工程等專業學生的必修課，旨在通過實驗讓學生了解自動控制原理的基本概念、原理和實際應用。所以，加強對自動控制原理實驗課的認識與掌握可以為學生后續的專業課程學習打下良好的基礎。因此，應構建多層次自動控制原理實驗課程體系。如圖2所示，從基礎實驗入手，學習系統建模方法，使用Matlab或Simulink進行系統建模和傳遞函數求解；學習系統的穩定性分析方法，包括根軌跡、Nyquist圖和Bode圖，然后使用實驗板或仿真工具進行系統穩定性分析；學習并設計PID控制器，并在實驗中進行調試和性能評估；掌握現代控制方法，學習狀態空間分析方法和模糊控制的基本原理，設計模糊控制器，并在實驗中對模糊系統進行建模與控制；學習嵌入式系統基礎知識，綜合運用所學的各種控制方法設計一個復雜的控制系統，鼓勵學生根據自身興趣和所學知識，自主選擇一個控制系統項目，從需求分析、系統設計、硬件搭建到軟件編程，完成一個完整的控制系統項目。

3.2 "實施情況

3.2.1 "基于問題的學習和探究

在“自動控制原理實驗”課程中，以系統建模和穩定性分析實驗為例，將直流電機建模與穩定性分析設計為解決特定問題的任務，學生需要分析問題，建立電機模型，設計控制策略，并分析系統的穩定性。同時，教師不再是傳統意義上的知識傳授者，而是學習的引導者和指導者，教師可以提出問題，如“如何改善電機轉速控制系統的穩定性？”給予實驗一定的自由度，鼓勵學生根據自己的興趣和問題需求自主設計電機驅動系統。學生可以嘗試不同類型的電機、不同的控制策略、不同的控制方法等，以提高創新思維和解決實際問題的能力。開放性實驗激發了學生的創造力，使他們能夠更好地面對真實工程挑戰，通過這種問題導向的學習方式，學生能夠更好地理解和掌握實驗的核心概念，并開發自己的創造性思維來解決實際問題。

3.2.2 "團隊協作

系統建模和穩定性分析實驗需要引入物理學、電子工程、控制理論和計算機等多學科知識，學生不僅需要了解電機的物理特性，還需要掌握電子電路設計和控制算法，通過綜合應用多學科的知識，學生可以更好地理解系統的復雜性，提高跨學科綜合能力。學生被分成小組，小組成員需要分工合作，各司其職，例如一人負責建模，一人負責電路設計，另一人負責控制算法的實現。通過合作學習和團隊協作，學生能夠更好地發揮各自的優勢，協同完成實驗任務，提高學習效率和合作能力。

3.2.3 "應用導向

在“自動控制原理實驗”課程中，學生需要通過實驗來掌握自動控制原理的基本知識，同時也需要將所學知識應用于實際問題的解決中。例如，在電機轉速控制系統的實驗中，學生需要通過實驗來掌握PID控制器的基本原理和調試方法，同時需要將所學知識應用于實際控制中，通過調節控制器參數來提高電機轉速控制系統的性能。通過這種實踐和應用導向的教學方法，學生能夠更好地理解理論知識和應用方法，并能夠將所學知識應用于實際問題的解決。

3.3 "實踐結果與效果分析

新工科思維通過問題驅動學習，培養了學生解決實際問題的能力，鼓勵學生在面對真實問題時靈活運用所學知識。同時，項目式實踐和團隊合作培養了學生的團隊協作、溝通和協調能力，使他們具備未來完成工程項目時所需的團隊精神。學科交叉融合的特點使學生能夠綜合運用多學科知識，提高其解決問題的綜合能力，激發學生的創新思維。實踐與理論的結合加深了學生對理論知識的理解，使他們能夠將知識應用于實際問題的解決中。此外，新工科思維下教師的角色轉變為學習的引導者，培養了學生自主學習和自主探究的能力。最終，學生通過實驗報告和展示，不僅總結了實驗的過程和結果，還展現了團隊的合作能力和創新性，提高了實驗報告和展示的質量。新工科思維教學方法的應用使得該課程更具實際應用性，為學生的綜合素質提升和未來的工程實踐奠定了堅實的基礎。

4 "發展和應用前景

新工科思維在實驗課教學中展現了廣闊的發展和應用前景。隨著科技的飛速發展和社會需求的變化，培養具備解決實際問題能力、創新思維和團隊協作精神的工程人才變得尤為迫切。新工科思維強調問題驅動學習、跨學科整合、實踐與理論結合等特點，完美滿足了未來工程教育的需求。

未來，新工科思維將推動實驗課程更加貼近實際工程問題，引入更多前沿技術和實踐經驗。實驗課程將更注重培養學生的實際操作能力和創新潛力，鼓勵學生積極參與實驗設計和方案選擇。同時，新工科思維下的實驗課程將更強調團隊合作和項目實踐，培養學生的團隊協作、溝通和領導能力[7]。學生將在團隊中完成真實的工程項目，鍛煉實際操作技能和團隊合作能力。

此外，新工科思維將促使實驗課程與產業界更緊密地結合。學校與企業、科研機構等展開合作，將實際工程問題引入實驗課程，使學生在實踐中接觸真實的工程項目，了解產業需求，提前適應職場環境。這種密切結合也將為學生提供更多實習和就業機會，增強他們的職業競爭力。總體而言，新工科思維將引領未來實驗課教學向實踐性、創新性和產業導向性更強的方向發展。

5 "結語

本文從新工科思維的定義、實驗課中的應用方法以及“自動控制原理實驗”課程為例的實踐案例分析等方面，探討了新工科思維在實驗課教學中的應用和實踐，并展望了未來新工科思維在實驗課教學中的發展和應用前景。

在實驗課中，運用新工科思維可以幫助學生更好地理解和應用專業知識和技能，培養學生的實踐能力和創新精神，提高實驗課的綜合性，增強學生的主體性和自主性，促進學生的全面發展和成長。未來，隨著社會的不斷發展和變革，實驗課教學也將面臨更多的挑戰和機遇，教師們需要不斷創新和改進教學方法和手段，積極運用新工科思維方法和原則，探索更加有效和切實可行的教學模式和策略，不斷提高教學質量和效果，為學生的未來發展和成長貢獻更多的智慧和力量。

基金項目：西北工業大學教育教學改革研究項目（2024JGY12）；西北工業大學教育教學改革研究項目（2023JGZ04）。

參考文獻

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