新工科背景下機械工程控制基礎課程的教學改革探索

［摘 要］在新工科背景下，課程教學團隊依托貴州大學機械工程學院的一流專業建設成果、現代制造技術教育部重點實驗室的科研成果等資源，對機械工程控制基礎課程開展了全面且系統的教學改革。針對傳統教學存在的“概念抽象難懂、教學方法單一、考核偏重理論、實踐能力欠缺、思政教育融入不足”五大痛點，團隊提出了“案例驅動與仿真賦能、強化實踐導向教學、構建多維互動教學模式、融入思政教育、優化多元考核方式”五項改革措施。實踐結果表明，改革后的課程全方位提升了學生的綜合素養，深度激發了學生的學習潛能，有效增強了學生的工程實踐能力；考核優化后，學生成績優良率顯著提升，總體及格率從 89.47% 提升至 93.75%，凸顯了改革的科學性與高效性，為新工科教育創新提供了范例。

［關鍵詞］新工科；教學改革；機械工程控制基礎；實踐導向；考核優化

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）13-0051-05

當前，科技與產業的快速發展，尤其是信息技術和人工智能的深度融合，使社會對工程人才培養提出了新的要求。為應對這一挑戰，教育部提出要推進新工科建設，旨在培養具備創新能力、實踐經驗和跨學科視野的工程人才[1-5]。機械工程控制基礎作為機械工程專業的主干課程，在提升學生理論知識儲備和實踐操作能力方面具有極其關鍵的作用[6-9]。然而，傳統的教學模式在理論學習和實踐應用方面存在諸多不足，難以滿足新工科建設的需求[10]。因此，在新工科背景下，對機械工程控制基礎課程教學進行大膽創新與深入改革，構建符合新工科建設需求的教學體系，是順應時代發展的必然選擇。這一舉措既能提升課程實用性，讓課程內容貼合實際工程場景，又能賦予課程前瞻性，使學生了解行業動態與技術趨勢，培養其創新思維與實踐能力，這對推動工程教育改革與時代需求深度融合具有深遠意義。

課程教學團隊依托貴州大學機械工程學院的一流專業建設成果、現代制造技術教育部重點實驗室的科研成果等資源，秉持立德樹人的理念，以“金課”標準為導向，對機械工程專業核心課程機械工程控制基礎開展了新工科背景下的改革與建設。該課程共2.5學分，40學時（含8學時實驗），在大三上學期開設，是連接基礎課程與專業課程的重要橋梁。該課程以控制理論中的 “建模—分析—綜合”為主線，融合數學、力學及電學等多學科知識，致力于培養學生的創新思維和工程問題解決能力，進而為其未來的職業發展奠定堅實基礎[11-13]。

一、機械工程控制基礎課程的教學痛點與改革思路

機械工程控制基礎作為一門多學科交叉的綜合性課程，其內容涵蓋廣、應用領域多，在機械工程專業的課程體系中占據著重要地位。然而，傳統的教學模式存在諸多制約學生學習效果和綜合素質發展的教學痛點，主要包括概念抽象難懂且公式推導復雜、教學方法單一[10， 13-15]、考核偏重理論[6， 10， 15]、實踐能力培養欠缺[10， 16]、思政教育融入不足[14， 17]（簡稱五大痛點）。這些痛點不僅影響了學生學習的興趣和效果，也對教師教學提出了更高的要求。

基于前述分析，課程教學團隊精準把握五大痛點的具體表征，深入考量其對學生學習造成的影響以及給教師教學帶來的挑戰。在我國工程教育認證與新工科建設的推動下，課程教學團隊始終堅定地遵循“以學生發展為中心、以教學成果為導向、以持續改進質量為支撐”的理念，圍繞學生綜合素養培養目標，逆向設計機械工程控制基礎課程的教學內容與方法并推進改革創新，構建了全新的教學體系（見圖1）。該體系以學生畢業要求為指引，清晰地界定了包含知識、能力以及素質三個維度融合統一的課程目標，確立了“理論實踐結合、激發興趣、培養綜合能力”的教學思路，為課程教學改革及提升學生工程創新實踐能力提供了著力點。

二、機械工程控制基礎課程的教學改革措施

基于上述課程目標和改革思路，課程教學團隊精心策劃了五項關鍵的改革措施，分別為案例驅動與仿真賦能、強化實踐導向教學、構建多維互動教學模式、融入思政教育、優化考核方式，旨在全方位提升教學效果，確保教學改革思路的有效落地。

（一）案例驅動與仿真賦能：深化對抽象概念的理解與激發學習熱情

在新工科建設背景下，課程教學團隊針對學生在學習控制理論過程中因概念抽象和推導復雜而導致的學習障礙、效率低下等問題，創新性地提出了“案例驅動”與“仿真賦能”相結合的教學模式。教師通過引入一系列具體工程案例，如質量—彈簧—阻尼系統、擺桿控制、溫度控制系統、無人機和機器人控制等，圍繞課程“建模—分析—綜合”的核心主線，巧妙地融合了MATLAB/ Simulink等圖形化仿真工具的應用等內容。這種教學模式通過動態仿真，直觀展示了傳遞函數、時域響應曲線、奈奎斯特圖、伯德圖及系統校正等理論知識的實際應用，將難懂的抽象理論通過生動有趣的形式展現出來，有效降低了學生學習的難度。這不僅促進了學生對控制理論的掌握，更激發了其學習興趣與創新潛能，為新工科人才培養奠定了堅實基礎。

（二）強化實踐導向教學：提升學生動手解決問題的能力

在新工科實踐導向教育理念的引領下，課程教學團隊致力于強化實踐應用環節，全面提升學生解決實際工程問題的能力，以使其能夠有效應對控制基礎理論學習中實踐能力相對薄弱的問題。為此，課程教學團隊精心設計并引入了多樣化實踐環節，包括實際控制系統項目（如電梯控制和無人機姿態控制）、典型工業案例（如機器人軌跡規劃和自動化生產線控制），并通過MATLAB進行PID校正設計和仿真，實現理論與實踐教學的深度融合。同時，借助直流電機控制和振動控制系統等實驗設備，學生得以親身體驗理論知識的實際應用，直觀理解控制理論在實踐中的價值。此外，課程設置了工程應用問題類的課外拓展任務，鼓勵學生積極參加中國大學生機械創新大賽等實踐活動。這些以實踐為導向的教學創新舉措，切實提升了教學質量，為培養新時代高素質工程人才奠定了堅實基礎。

（三）構建多維互動教學模式：提升學生自主學習的效能

在新工科建設目標的引領下，課程教學團隊通過全面整合多維度教學方法與前沿技術，著力構建了以學生為中心，具有高度互動性和深度參與性的新型教學模式。這一教學模式按照課前、課堂、課后三個步驟開展教學工作，確保教學流程有條不紊，兼具系統性與連貫性。以“系統穩定性分析”教學模塊為例，課前環節，教師通過超星學習通平臺推送優質視頻教程與閱讀材料，并布置預習任務，學生結合自主設定的仿真參數觀察系統穩定性變化，從而初步建立知識體系。課堂環節，教師采用小組討論的協作學習形式，運用基于問題導向的逆向學習方法，圍繞“2W1H”（Why、What、How）核心框架設計探究性問題，如：系統為何需要穩定？什么是系統穩定性？如何實現系統穩定？同時，依托MATLAB仿真工具，實時演示系統動態響應，深入剖析特征方程法、Routh-Hurwitz判據和Nyquist判據等穩定性分析方法，助力學生跨越理論與實踐的鴻溝，實現二者的深度融合。課后環節，教師通過超星學習通平臺發布綜合性任務，如汽車懸掛系統的穩定性分析，引導學生運用Lyapunov穩定性分析方法，評估系統穩定性并探討Routh判據的局限性，進而研究摩擦力對系統穩定性和乘坐舒適性的影響，從而提升學生對不確定非線性系統穩定性分析的認識深度。此措施克服了傳統“注入式”教學的局限，強調課堂的高互動性及學生的深度參與，通過多層次、多維度的教學設計，有效推動了教學過程的優化升級，顯著提升了學生自主學習的效能。

（四）融入思政教育：培養學生的社會責任感與愛國情懷

為打破傳統教學中思政教育融入不足的瓶頸，教學團隊秉持“立德樹人，育人為先”的理念，結合相關文獻[11， 14， 17-19] ，精準對接時代發展脈絡與專業前沿需求，精心設計了將思政元素全面融入教學內容的方案。該方案集系統性、連貫性和創新性于一體，精心設計各章節課程思政教學內容，重點突出主要培養目標要求（見表1），確保每一教學單元均富含深邃的思政教育內涵，旨在培養學生的社會責任感、科學精神與國家榮譽感，助力其全面發展。

（五）優化考核方式：注重學生綜合能力的評估

為克服傳統考核模式中理論比重過大、實踐與創新環節相對薄弱的問題，教學團隊秉持貴州大學“明德至善，博學篤行”的校訓精神，精心優化考核方式，創新設計了多維度的考核評價體系（見表2）。表2中，考核方式一為優化后的新考核體系，考核方式二為優化前的舊考核方案。通過對表2的分析可以發現，優化后的考核方式更加注重對學生綜合能力的全面評估，旨在引領學生在知識、能力、素養等多維度不斷突破自我，使其達成卓越成長與全面發展的目標。

三、機械工程控制基礎課程的教學改革效果實證分析

為驗證本文提出的創新設計是否真正實現了對學生綜合能力的全面考核，課程教學團隊以表2中優化前后的考核方法為標準，對我校機械設計制造及其自動化專業某班級的39名學生期末考核數據進行了教學改革成效的實證對比分析，結果如圖2所示。分析表明，考核方式優化后，各關鍵指標均呈現顯著的積極變化：總體及格率從89.47%提升至93.75%，顯示出考核方式優化在提升學生整體學業表現方面的積極效果；優秀率從5.6%增長到6.25%，表明尖子生在新的評估體系下學業水平顯著提升；良好率從18.42%大幅躍升至40.63%，表明新的考核方式極大激發了學生追求更高學業標準的潛能；中等率保持相對穩定（優化后為40.63%，優化前為42.11%），反映出中等成績的學生在考核改革中表現穩定；不及格率由10.53%降至6.25%，顯示出優化后的考核方式在減少學業困難學生數量方面具有顯著成效。這些結果充分驗證了優化考核方式在激發學生的學習興趣、提升學生的學習與知識應用能力、科學評估學生的學習效果及綜合能力表現等方面的積極效果，并凸顯了其在促進更多學生達到良好及以上水平方面的顯著優勢。這充分證明了教學改革的科學性和有效性，為未來工程教育創新提供了堅實支撐。

四、結語

本研究基于新工科建設需求，針對機械工程控制基礎課程進行了系統性教學改革，提出了五大創新措施并取得了顯著成效。改革后，學生的優秀率和良好率顯著提升，學生的學習興趣和實踐能力也有效提升。研究結果表明，案例驅動與仿真賦能的教學模式、實踐導向的教學強化、多維互動的教學設計、思政教育的深度融入以及考核方式的優化，共同推動了學生的全面成長與進步。這一改革成果為同類高校在新工科背景下開展工程教育創新改革探索提供了實踐參考。

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［責任編輯：劉鳳華］