軍隊院校背景下的“機械工程控制基礎”課程優化探索

摘" 要：“機械工程控制基礎”是一門理論抽象又與實踐結合緊密的課程，如何讓學員在課程學習過程中掌握控制的理論內涵，將其應用于工程實踐一直是學習的難點。面對新工科教育對軍隊院校課程建設發展提出的新要求，首先通過課程分析和學情分析探討課程學習的難點，然后從教學設計、教學方法、實踐內容、線上資源、考核手段、課程思政等方面，介紹課程開展的線上線下混合式教學改革優化探索，通過改革旨在培養學員發現問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力和創新精神。

關鍵詞：軍隊院校；機械工程控制基礎；課程改革；工程思維

中圖分類號：G420" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2025）02-0143-04

軍隊院校是培養軍事人才的重要基地，隨著新時代戰爭形態的改變，以及新工科教育的持續推進和深入發展，對強軍新工科的專業建設發展提出了新要求。強軍新工科專業建設的概念內涵要求軍隊院校教育要為戰育人，以“面向未來軍事人才崗位需求、學科建設與專業建設同時開展”為根本遵循，重點圍繞新型學科、領域和專業建設，主要體現在理念、標準、模式等方面的更新上。［1-2］機械工程控制基礎作為軍隊院校機械工程專業的一門必修課程，在基礎課和專業課之間發揮著橋梁作用。課程以經典控制理論為基礎，以機械工程系統為對象，在鍛煉學員提升機械工程技術、控制理論、高等數學和系統工程等知識交叉互相融合能力的同時，幫助學員掌握相關控制理論的研究與應用，為提高學員的工程實踐能力，培養一般性抽象創新思維奠定基礎。［3-4］隨著新工科人才培養的要求不斷提升，對課程的創新性提出了更高的要求。

一、課程面臨的新問題

課程內涵抽象使課程學習具有了較高的挑戰度。“機械工程控制基礎”課程通常開設在第六學期，呈現理論體系強、應用范圍廣的特點，上承工程數學和建模，下接工程測試技術和故障診斷與檢測等，理論與實踐緊密結合。課程的對象是機械工程中實際的元器件，解決實物之間內在的控制邏輯問題，既抽象又難懂。對于剛入大三的學員來說，其很難在課程學習中真實地感受到控制的內涵和精要以及它又是如何對機械工程元器件的相關作用施加影響。

課程目前面臨的問題主要表現在：一是課程縮減帶來的理解之難。大部分學員沒有深入學習復變函數以及拉普拉斯變換等控制工程的數學基礎知識，而“機械工程控制基礎”這門課程恰恰需要學生具備對這些知識的靈活應用，課程本身難以理解，加上枯燥乏味的公式推導，學員對課程的學習興趣不高。二是工程思維構建之難。課程中需要用數學思維邏輯去理解工程問題，涉及諸多理論推導，如傳遞函數，及其零點、極點和放大系數的求解；拉普拉斯變換及其逆變換和Routh、Nyquist、Bode穩定判據還有Nyquist圖和Bode圖的繪制等。課程針對詳細的機械系統建立微分方程，但后續的時域分析、頻域分析、穩定性分析和系統校正大多從理論的角度展開分析，重視對高等數學公式的推導和應用，容易讓學員產生在學習數學的錯覺，忽略了對應用工程的學習訓練，使得學員難以構建工程思維，達不到課程對學員的學習目標要求。三是重視理論分析帶來的實踐之難。課程通過先對機械工程系統構建模型，然后進行理論分析來指導實際的生產生活實踐。目前的實驗實踐項目大多采用驗證性實驗或虛擬實驗，偏向于對Matlab等軟件的學習和應用，學員在面對工程實踐時無從下手，無法將理論分析與實際問題聯系起來，難以達到應用型工科人才的培養目標。［5］

二、學員學習能力方面

軍校大學生具備新時代青年的優異特點，經過大學的強化訓練和集體生活，養成了學生良好的課堂紀律，學員之間保持良好的學習狀態，學習氛圍濃厚。同時由于日常訓練任務繁重，身體疲累，課堂的活躍性和內在動力調動存在不足。一是面對課程上枯燥的數學公式和推導過程，學員上課更容易走神，不利于學生對課堂知識的準確掌握。二是自由學習時間相對較少帶來的活躍度不足，主要是學員難以在課外投入大量的精力到課程的理論知識學習以及擴展知識的了解上。這就需要教員優化課程教學內容，調動學員課堂積極性、主動性，提高學生興趣，讓學員主動強化對控制的認識和理解，提升課程的學習效果。

三、提升課程建設質量的措施

面對軍校改革新的要求，針對機械工程控制基礎課程教學存在的問題，要堅持結合學科發展趨勢，突出“以學生為主體，以教師為主導，充分發揮學生的主觀能動性”。［6］

（一）教學設計

強化從共性問題到個性問題的延伸。課程的抽象性在于分析系統時，研究對象不一定是某一個具體控制系統，而是將一般控制系統的規律抽象出來，得到相同或相似的數學模型，將個性問題轉化為共性問題分析推導，得到描述系統的一般參量。［7］此過程具有嚴謹的數學理論推導分析，但缺乏對后續實際系統的對應，使得學員感覺學習的內容沒有落腳點。甚至有時候教師上課過程中會淡化從某一個具體控制系統抽象化到一般控制系統的過程，學員在學習過程中難以有效明白其中的知識，既不知道問題從何而來，也不知道答案往哪里應用，學習過程較為迷茫。

采用“案例貫穿式”的模塊劃分，通過車輛懸架主動控制系統這一實例，將經典控制理論的數學建模、時域分析、頻域分析、穩定性分析以及系統校正等知識點融入其中。［8］講課過程中將該工程實例拆分成多個環節，隨教學內容分步驟融入課堂，既讓學員掌握經典控制理論的知識點，又能明白機械元器件與一般數學模型的抽象關系，建立通過數學模型分析解決實際設計問題的思路。讓學員更多掌握控制理論“個性—共性—個性”的思維方式，獲得對控制理論學習的出發點和落腳點。例如，數學建模作為控制系統分析和設計的開端，通過分析車輛懸架主動控制系統中的組成部分，并根據其依據的物理化學等規律運動方程，得到單個部分以及系統的微分方程。在時間響應分析中，將階躍信號、脈沖信號等與實際的汽車行駛路況相對應，作用于系統后得到輸出，從而得到描述系統的穩定性、快速性、準確性等指標，并以此指標描述汽車的不同駕駛性能。在頻域分析中，可以采用同樣的分析方式。在穩定性分析和系統校正環節，則分析如何通過改變懸架系統的實際物理量來改變校正環節得到的各項參數。

（二）教學方法

采用強化線上線下混合式教學。機械工程控制基礎課程知識點多、理論性強、內容抽象，加之學員繁重的訓練和不斷壓縮的課時，僅僅依靠傳統的線下課程模式不足以應對課程教與學的矛盾問題。［9］雨課堂作為智慧教學平臺，將信息技術手段與PowerPoint和微信相結合，在課外預習與課堂教學間架起溝通的橋梁，為開展智慧教學提供了良好的環境。因此可以借助雨課堂教學平臺，豐富教學手段、優化教學方法、提升教學效果、把控“課前—課中—課后”的學習過程。［10］一是課前推送。教員根據課程教學計劃和教學實際，在課前向學員推送預習內容，預習內容可以包括慕課視頻、控制小知識、預習課件等內容。學員按時完成預習任務，并及時檢驗其預習結果，檢驗方式可以采用課前三分鐘小測驗、學員上講臺、小組打擂等方式進行，教員可根據反饋情況制訂每次課的教學計劃，教學更有側重點。課程目前采用的教材為華中科技大學出版的《機械工程控制基礎（第八版）》，教材在各個章節均印有二維碼，學員可以通過掃描二維碼直接觀看網絡視頻進行預習和復習。二是課中互動。定制課程學習任務單，通過雨課堂提前發布，主要包含課前學習任務單、課中討論議題以及課后復習測驗重點等內容。在課堂組織過程中依據該任務單實施不同的教學方式，其中課前學習任務單主要是每一次課程的基本概念，可以采取翻轉小課堂的形式進行，學生講完后再進行補充，教員最后總結點評。課堂討論議題則是每一章易混淆、需要進一步理解的概念，或者引導學生理解理論與實際工程的聯系，該部分則通常采用小組討論的研討式教學方法。上課過程中，可以針對工程案例進行分析，穿插采用雨課堂。一方面進行隨堂測驗，掌握學員學習掌握情況，另一方面可將小組討論內容以紙面形式實時傳入雨課堂討論區，方便課后進行交流。三是課后輔導。任務單中的課后復習測驗重點通常以習題的方式，通過雨課堂發布每次課的課后測驗，全面了解學員對課程的掌握，把握課程進度，對下次課的內容進行調整修改，及時查漏補缺。針對課后測驗的主觀習題錄制微視頻，在學員遇到不會問題時，可以將微視頻及時推送到個人，保證快速解決學員疑惑。

（三）實踐內容

機械工程控制基礎課程具有概念抽象、理論深奧、計算繁雜等特點，學員學習過程中除了要面對復雜的數學公式外，其最大的難點是理論學習沒有落腳點，學員難以將理論的推導分析與實踐相結合。［11］實踐是教學效果提升的較好手段，尤其是對于機械工程控制等原理性強的課程，更要加強實踐教學工作。傳統的實驗教學采用模擬試驗箱和Matlab仿真進行，操作步驟機械，學員雖然學習了一定的編程知識，提升了動手能力，但本質上操作的還是虛擬的數學公式或者電路，對于究竟怎么才算控制，改變一個參數究竟會對實際的物理系統產生怎樣的改變沒有直觀的感受。為了更加直觀地展示控制系統的各種特性，同時培養學員的設計能力和創新能力，實驗室按照 “基礎性實驗—綜合性實驗—創新性實驗”的模式開展多層級遞進式實驗教學。引入電機速度控制、水溫控制和液面高度控制等，通過計算機顯示系統的輸入輸出和參數等數據，讓學員可以直接看到物理參數改變對系統帶來的變化以及變化的過程，鍛煉其編程能力和實驗動手能力。在綜合性試驗中，主要借助于智能車開發平臺，讓學員進行智能車的設計、組裝、調試等，在此過程中體會控制理論的應用，培養綜合學員發現問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力，提升學員對知識的整體認識。創新性實驗則圍繞無人駕駛展開，結合視覺算法、智能避障、路徑規劃等知識，重點開展智能控制理論的了解和應用。

（四）線上資源

機械工程控制基礎以經典控制理論在機械工程中的應用展開學習，經典控制理論作為現代控制理論和智能控制理論的基礎，三者不可分割。［12］但現代控制理論和智能控制理論通常在研究生教育中才進行深入學習，而在軍校院校中，大部分學員通常在本科學習后便面對實際的崗位工作，這使得學員對于控制理論在工程實踐和科學研究中的重要作用缺乏直觀的感受和實踐認知。通過線上資源，向學員推薦控制小知識、最前沿控制技術以及控制理論的現狀和發展等，可以讓學員對控制理論在現代社會的重要作用有深刻的認知。另一方面，自身也可以依托線上資源進行課程的數字化資源積累。例如，建設課程課前引導的小視頻，設置選擇題或者疑問題等，在課前進行推送。搜集課程的常識資源，包括復變函數、拉普拉斯變換、車輛懸架系統等，這些都是課程學習過程中需要用到的知識。此外還有軍事電子資源，將特種車輛中的復雜系統拆解開來，得到各個單獨的系統，通過控制的知識對系統進行解釋和描述。最后在課后習題的鞏固方面，可以通過個人錄制課題的求解過程，形成線上微課。每個微課只針對一道題目，形成獨立的視頻，當學員需要時，可以將其推送給學員。

（五）考核手段

課程現有的考核手段采用“終結性考核+形成性考核”的考核方式，其中終結性考核占課程考核總成績的70%，并采用閉卷考試方式進行，考核方式單一，難以將多元化、全過程考核貫穿課程學習中。學員在學習過程中會將課程作為一項任務來完成，出現“考前突擊，考后就忘”的問題，不利于學員全面掌握控制理論，并將其用于工程實踐中。在教學過程中加大形成性考核的比重，除課后習題外，借助雨課堂的統計功能，還可以要求學員根據自己的理解編寫課程內容的邏輯關系圖，學員根據自己的理解獨立創作，也可以與其他同學一起討論完成后上傳雨課堂，教員根據情況打分。對學生的課前預習、日常的推送視頻以及課后測驗進行數據統計，將其作為課程考核成績的一部分，通過對學生學習行為數據的分析，為教學內容、方法和模式的改進提供數據支持，使考核結果能夠客觀詳盡地反映出各項課程目標的達成情況。［13］

（六）課程思政

軍隊院校教育秉持“立德樹人，為戰育人”的教學理念，將知識傳授與價值引領相結合，把思想政治教育融入學習的全過程，培養符合部隊需要的高素質專業化新型軍事人才。結合課程思政建設目標，機械工程控制基礎建立思政庫，將職業道德、愛國主義、科學精神和敬業奉獻等融入課程，根據課程內容講思政，實現與課程知識體系的有機結合，避免知識思政“兩張皮”。例如講述控制理論的發展歷程中融入錢學森先生“五年歸國路”“十年兩彈成”的攻堅克難精神、創新精神和愛國精神；講述幅值裕度和相位裕度時引導學生做事時要做好充分準備，不打無準備之仗，遇到突發事件要保持沉著冷靜；講述系統的校正時，融入“吾日三省吾身”的警句。

四、結語

機械工程控制基礎是一門理論深度高、實踐應用性強的專業基礎課程。本研究立足課程教學目標，在教學設計、教學方法、實踐內容、線上資源、考核手段、課程思政等方面進行了優化，旨在探索新工科建設背景下培養應用型人才的課堂教學方法，培養學生的工程實踐能力和創新精神。［14］課程的優化使得課程與工程實際聯系更加緊密，課程更加重視學習的過程而不是閉卷考試成績，信息量增加、自主學習內容增多對學員的自主學習能力提出更高要求，從而培養新型軍事人才。

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［14］ 張新榮. 工程教育認證背景下自動控制原理課課程思政教學探索與實踐［J］. 高教學刊，2023，9（14）：189-192.

（責任編輯：陳華康）

基金項目：陜西省高等教育教學研究項目“適應實戰化要求的裝備維修保障人才培養體系研究與實踐”（項目編號：19BY153）。

作者簡介：趙冠（1990—），男，碩士，火箭軍工程大學講師，研究方向為裝備維修保障的教學科研；袁曉靜（1979—），男，博士，火箭軍工程大學副教授，研究方向為裝備維修保障的教學科研；羅偉蓬（1991—），男，博士，火箭軍工程大學講師，研究方向為裝備維修保障的教學科研。