新技術背景下工程類專業基礎課課程建設與實踐

文章編號：1671-489X（2025）06-0080-05 DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.06.080

0 引言

隨著人工智能、生物識別、新能源、虛擬現實等新技術的不斷突破和廣泛應用，人類生產生活方式發生深刻變革，對高等教育的人才培養模式產生深遠影響。《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函（2017）6號）指出，深化工程教育改革、建設工程教育強國，對服務和支撐我國經濟轉型升級意義重大，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。2018年，天津大學成立全球首個新工科教育創新中心，建設教育教學研究和實踐的基地，統籌開展各項建設工作。我國各高校積極參與，加快推進新工科建設和發展，構建中國范式的工程教育教學體系。2019年4月26日，全球50多所高校在深圳成立“新工科教育國際聯盟”，推動全球高等工程教育合作發展、共建共享。在這一過程中探索如何構建適合新技術變革的人才培養模式，成為熱點問題[1-5]。

大學工程類專業基礎課程（如電工學、電子技術、控制工程、理論力學等）內容理論性強，面向電類和非電類學生，而他們處于大二、大三年級，還不具備很高的專業理論知識水平和應用能力。針對這類課程，在教學過程中采用“理論知識一基礎實驗—融合新技術實驗”相結合的教學設計[1-5]，將理論和實驗密切結合起來，選取優質科研項目的部分內容與教學內容相結合，設計成融合新技術實驗。基礎實驗和融合新技術實驗分別采用引導式和演示的教學方法，通過由淺入深、循序漸進的講授方式，將理論知識和新技術應用聯系起來，培養學生的技術創新和應用能力。在教學過程中主動跟隨新技術變革，借鑒新的經驗，及時歸納和總結，進行教學內容和方法改革，進而推動課程教學模式轉變，拓寬學生學習思路，強化學生創新能力。

1教學內容改革

1.1注重理論知識與基礎實驗密切結合

大學教育的專業基礎課程涵蓋了對應學科的基礎理論知識，可以為后續專業知識的學習提供有力支撐。工程類專業基礎課程都會設置相應的實驗課，在授課過程中不要拘泥于實驗課程教學大綱要求的內容，要積極尋找合適的切入點，將課程相關的實驗內容與理論知識結合起來，使學生在學習過程中由理論知識學習順暢過渡到實驗學習，通過理論指導實驗，根據所學的理論知識對實驗項目進行分析和設計；用仿真實驗進行驗證，讓學生通過實際操作和測試對數據進行分析與總結，提高工程實踐能力；同時通過實驗驗證所學理論的正確性，也可以加深對理論知識的理解和掌握。

1.2注重理論知識與科研項目密切結合

大學工程類專業基礎課程教學內容涵蓋定理、定律和理論分析較多，學習比較枯燥，學生往往處于被動學習狀態。對此，教師可以將科研項目引入課程教學，選擇與工農業生產和日常生活密切相關的內容。一方面，學生比較容易理解，能夠將所學的理論知識和工程應用結合起來，激發學習興趣；另一方面，學生可以學習工程應用方法，了解行業動態和發展方向。

將科研項目完全導入教學內容，并不適用于專業基礎課的面向對象。教師可以將科研項目拆分，提取部分難度適當的內容，與理論知識密切結合，并設計成實驗項目植入教學，便于學生理解和學習。通過實驗得出數據，用理論知識進行數據分析，進而解釋實驗現象，揭示科學規律。通過開展科研項目可以探索新的理論和方法，推動技術進步并應用于實踐，做到科教融合。

1.3注重理論知識與先進技術密切結合

理論知識是實現先進技術的基礎。隨著經濟發展由粗放到集約模式的轉變，知識生產模式也發生深刻變革[5，新技術不斷涌現并日新月異，產品更新換代速度很快。為了快速適應這一技術變革，在教學過程中應注重先進科學技術的引入，如人工智能技術、深空探測技術、能源技術、量子技術等，并尋找合適的切入點，將先進技術和課堂所學的理論知識與方法聯系起來，講授先進技術的應用，更新迭代過程和發展趨勢。

隨著學科交叉融合趨勢的加強，很多問題的解決不再局限于單一學科和領域。注重跨學科知識的融合，可以促進交叉學科的學習，拓展知識應用的廣度和深度，讓先進的科學技術不再遙不可及。同時，先進技術是所學理論知識和實踐應用的延展，通過循序漸進、潛移默化的學習，學生不僅可以培育好奇心，開闊視野，增強探索精神，而且可以加深對理論知識的理解，不斷完善知識結構體系，提高解決綜合問題的能力。

2教學方法改革

2.1通過教學設計改革推動思維方式改變

在教學過程中，教學設計直接決定教學質量和效果。結合教學要求和學生實際情況設定教學目標和內容，合理分配教學內容各部分的比例，并選擇合適的教學方法，借助智慧教學平臺，采用多種教學形式，可以調動學生的學習積極性，推動學生思維方式的轉變，培養學生逐步具備并提升學習能力、獨立思考能力和創新能力。

在理論知識與新技術的應用結合起來的教學設計中，通過基礎實驗的學習，引導學生積極參與其中，自主探究，獨立完成實驗。融合新技術實驗采用演示的教學方法，不僅可以拓寬學生學習的知識面，而且其中蘊含著創新的思維方式，對學生掌握未來參與科技創新的思路和方法有很好的滲透作用。融合新技術實驗門檻較高，部分學生較難參與其中，通過教學設計的改革鼓勵有相關學習基礎的學生積極參與，培養理論知識與科學研究相結合的能力和解決復雜工程問題的綜合能力。

2.2開展形式多樣的教學改革和實踐

課程緊跟教育教學改革步伐，融合數字技術，逐步開展多項教學改革和實踐，修訂教學大綱，編寫實驗教材，引進先進的實驗儀器和設備[6-8]。開展資源共享課建設工作，編寫作業題庫，錄制理論與實驗課程的教學視頻和微課，制作教學導學案、課程知識點歸納總結、知識圖譜，在省級教學資源平臺實現優質教學資源共享。利用雨課堂智慧教學平臺開展線上線下混合式一流課程建設工作，完成跨校修學分課程的建課和授課任務。利用翻轉課堂，以學生為中心，調動學習積極性，開展學習討論，使每名學生都能參與其中，提高解決復雜問題的能力。利用科技競賽和大學生創新創業項目，將理論與實踐結合，提高學生的工程實踐和創新能力，以適應科技變革的需要。重視課后輔導環節，利用微課、騰訊平臺等輔助課后答疑工作，提升教師教學水平。注重學生的過程管理和考核，采用形成性評價，變被動式學習為探究式學習。結合OBE理念，通過教學考核和評價結果，了解學生的學習情況，進行相應的教學調整，有針對性地給予學生指導和幫助。

2.3體現“兩性一度”的金課標準

2018年，教育部提出金課的教學理念，并指出“兩性一度”的課程建設標準，即高階性、創新性和挑戰度。教學目標的設置要體現高階性，教學內容、形式和結果要體現創新性，教學設計要體現挑戰度，激發學生的學習熱情，使學生獲得較好的課程體驗，能夠理解和掌握教學內容，構建完整的知識體系，提高解決復雜問題的綜合能力。

將教學進行“理論知識一基礎實驗一融合新技術實驗”設計，可以使學習內容不拘泥于教材的內容，將理論知識進行外延，延展到實驗和應用環節，基礎實驗的設置起到承前啟后的作用，融合新技術實驗將實驗內容與先進技術相結合，體現教學的高階性、創新性。結合OBE理念，通過循序漸進和由淺入深的教學設計，使得部分有相關學習基礎的學生覺得“跳一跳”也能夠進行融合新技術實驗，體現學習的挑戰度[9]。

3 教學案例

下面以控制工程、電工學等課程都會講授的PID（Proportion Integration Differentiation）控制器為例進行說明。PID控制理念于1932年被提出，是經典控制理論中一種重要的控制律，由比例、積分、微分三個環節組成，用來消除系統的誤差，在工業控制系統中被廣泛應用。針對PID控制器理論知識的教學內容，設計基礎實驗項目一級倒立擺自平衡控制仿真實驗和融合新技術實驗項目兩輪自平衡車自平衡控制仿真實驗。將一級倒立擺自平衡控制仿真實驗植入PID控制器理論知識教學，使學生通過對基礎實驗項目的學習，加深對PID控制器理論知識的理解和掌握，同時驗證PID控制器理論的正確性。在此基礎上，由淺入深，將兩輪自平衡車自平衡控制仿真實驗植入教學，將與日常生活和生產密切相關的人工智能新技術滲透到所學理論知識中，將最新的知識內容和技術成果展示給學生，激發學生的學習興趣，體現教學內容的高階性和挑戰度以及教學設計的創新性，培養學生的探索精神和創新思維能力。

3.1一級倒立擺自平衡控制仿真實驗

一級倒立擺實驗是控制理論的基礎實驗項目[10]。一級倒立擺系統由小車和擺桿構成，如圖1所示，是典型的不穩定非線性系統，通過自身結構特點，可以直觀展示被控過程的穩定性。一級倒立擺的自平衡控制仿真實驗步驟為：首先根據牛頓力學原理建立數學模型和狀態方程，也可以直接使用已有的數學模型和狀態方程；然后依據PID控制器的控制原理，設計一級倒立擺的自平衡PID控制器，如圖2所示；最后使用MATLAB軟件進行仿真實驗，得到小車擺桿偏移角 θ 響應曲線，如圖3所示，在脈沖激勵下，小車擺桿偏移角 θ 響應最終歸零，實現自平衡控制。在教學過程中采用引導式教學方式，使學生參與其中，根據已有的數學模型自主完成控制系統的設計和代碼的編寫，實現一級倒立擺的自平衡控制，從而掌握PID控制器的理論知識和實驗方法。

3.2兩輪自平衡車自平衡控制仿真實驗

在日常生活和生產中，兩輪自平衡車以其輕便、快捷、環保等優點受到很多人的青睞，常被用于電動交通或者娛樂、健身等方面，具有廣闊的應用前景。兩輪自平衡車的設計原理基于傳感器和控制系統的動態穩定技術，通過內置多種傳感器實時檢測車身姿態和運動狀態，并發出感知信號給控制系統，控制系統接收信號后，通過調整電機的轉速和旋轉方向，以實現車身的自平衡調節。兩輪自平衡車的控制系統是基于典型的移動倒立擺模型設計的，自平衡控制也可以采用PID控制器進行設計，控制器設計思路與一級倒立擺一致。

區別于PID控制器等經典算法，隨著人工智能技術的不斷發展，兩輪自平衡車也采用了一些人工智能算法進行控制，如人工神經網絡、操作條件反射、深度強化學習等[1-12]，這些算法能夠使兩輪自平衡車模擬人類的自平衡控制學習過程，自主地通過反復試錯學習來實現其自平衡控制能力。隨著時間推移，經過多次試錯循環，兩輪自平衡車進行數據分析，識別失敗原因，不斷優化控制算法，最終學會如何在各種復雜情況和條件下保持自平衡控制，為用戶提供安全和舒適的使用體驗。

以目前科研熱點深度強化學習算法為例進行說明，首先對兩輪自平衡車進行數學建模，也可以采用已有的數學模型；然后設計基于深度強化學習的兩輪自平衡車自平衡控制器，兩輪自平衡車感知接收輸入狀態量，通過評價網絡和行為選擇網絡的自調節功能，輸出相應的動作量，在行動作用下調整到新的姿態，并接收新的輸入狀態量，同時得到外部反饋信號；兩輪自平衡車將外部反饋信號轉換并生成內部動機，用于學習姿態調整策略。如圖4所示，這一學習過程在“感知一行動\"閉環系統中往復進行，最終使兩輪自平衡車可以模擬人類學習過程自主地學會最優姿態調整策略。這一算法不僅可以用于姿態控制的學習，也可以用于其他行為決策的學習。兩輪自平衡車進行多輪自平衡控制學習時，其中一輪的學習過程的擺桿偏移角響應曲線如圖5所示。

通過教學案例的設計和實踐，使學生對PID控制器理論及其應用的知識理解更透徹。通過兩輪自平衡車自平衡控制仿真實驗，將最新科研成果展示給學生，融入行業發展趨勢，引入人工智能技術，使學生能夠對新技術的應用有所了解，拓寬學習思路，了解交叉學科內容，為以后對專業知識的學習和應用打好基礎，提高創新能力和應用能力。教師應鼓勵有相關學習基礎的學生結合自己的實際情況參與科研項目的研究，并對學生進行個性化指導，為學生量身定制學習方案，作為以后科技競賽和大學生創新創業項目的內容，充分發揮學生特長，培養創新精神和實踐能力。

4結束語

在新技術革命快速發展過程中，教育領域正經歷一場深刻的變革。為了更好地適應這一變革，依據“兩性一度”的金課標準，航空航天大學積極開展工程類專業基礎課教學改革，進行教學內容和方法建設與實踐。通過完善教學內容使其更具前瞻性，更貼合實際應用；充分利用智慧教學平臺，采用多種教學方法激發學生的學習熱情，體現以學生為中心的教學理念，培養學生主動學習的能力，注重個性化培養，強化跨學科知識融合能力，提高學生的科學素養。

航空航天大學每年都會開展一次由非電類專業學生廣泛參與的電工電子大賽，推動比賽和教學相互促進。非電類專業學生表現出極大的熱情和積極性，在2023年的比賽中獲得三項一等獎、六項二等獎和12項三等獎。電工電子課程為學校多個專業參加工程教育專業認證提供了數據和資料等強有力的支撐，使環境、安全等多個專業順利通過有效期為六年的工程教育專業認證。在以后的教學中，工程類專業基礎課還需要動態調整、持續改進，不斷提高教學水平。

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