基于PBL 模式在“機械工程控制基礎(chǔ)”課程中的教學(xué)改革與應(yīng)用實踐＊

王磊

（沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

隨著高校對“高水平大學(xué)建設(shè)”的需要，本科教學(xué)改革朝著高水平的本科教育體系和教育教學(xué)質(zhì)量目標前進[1]。傳統(tǒng)教學(xué)模式已遠遠不能滿足學(xué)生的需求，因此，探索嘗試新的教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式、優(yōu)化專業(yè)課程體系在本科教學(xué)中日益重要。

沈陽理工機械工程學(xué)院開設(shè)“機械工程控制基礎(chǔ)”課程幾十年，其是機械學(xué)院本科專業(yè)學(xué)生必修的主干課程和重點課程。應(yīng)用項目學(xué)習(xí)理念（PBL）[2-4]在此課程中開展創(chuàng)新性教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性[5]，提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力。

1 課程現(xiàn)狀分析

1.1 講解內(nèi)容與工程實際的結(jié)合程度不夠

課程主要講述控制理論的基本原理及其在機械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，理論性較強，對掌握前序課程的程度有一定的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)過程在內(nèi)容取舍、理論和實際結(jié)合等多方面存在不足，學(xué)生在面對理論講解時興趣和信心不足，講解內(nèi)容與工程實際的結(jié)合程度不高，學(xué)生空有理論框架而無解決工程問題的應(yīng)用技能。

1.2 課程的開放性不夠

大部分學(xué)校采用線下為主的教學(xué)模式，學(xué)生在課前和課后對課程涉及的工程實踐問題的求知欲不強。缺乏線上教學(xué)與線下教學(xué)相結(jié)合的視聽課程，學(xué)生對課程理論知識點的多層次教學(xué)體感不強。

1.3 課程的過程考核方式與綜合能力培養(yǎng)目標不匹配

課程成績評定多由期末考試和平時的過程考核構(gòu)成，其中注重過程性考核和加強實踐訓(xùn)練考核占比較少，學(xué)生取得的分數(shù)與其解決實際工程問題的綜合能力不匹配。

2 基于PBL 翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)改革

針對舊的實驗課設(shè)體系和教學(xué)模式存在的一系列問題，對傳統(tǒng)模式下的課程進行項目化課程改革研究。

2.1 線上/線下結(jié)合的技能學(xué)習(xí)流程設(shè)計

依托學(xué)校首批建設(shè)的“機械工程控制基礎(chǔ)”的在線開放課程平臺，根據(jù)“機械工程控制基礎(chǔ)”課程的知識要點，選擇“磁盤驅(qū)動器讀入系統(tǒng)”和“工作臺位置控制系統(tǒng)”為應(yīng)用工程展示項目。針對線上課程的主要章節(jié)，開展控制模型建立，時間響應(yīng)分析、頻率分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析，綜合校正，根軌跡分析等項目模塊制作，在線上進行展示。同時線上設(shè)計教學(xué)管理模塊、學(xué)生學(xué)習(xí)模塊、后臺管理模塊、實時交流模塊。授課時結(jié)合問題模式和項目模式同時進行，從專業(yè)、實驗技能、工程實踐三位一體對學(xué)生進行高素質(zhì)管理和培養(yǎng)。線上線下平臺中工程項目在各章節(jié)的展示要點包括控制器設(shè)計、分析等。

2.2 基于PBL 翻轉(zhuǎn)課堂模式的具體教學(xué)案例實施

為了保證學(xué)生有效開展課外自主學(xué)習(xí)，實施方案包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻的制作和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支持平臺的開發(fā)。課程展示以知識點或技能點項目方式進行，制作教學(xué)視頻集，每個時長控制在10～15 min 左右，觀看視頻過程中適時地插入一些交互性練習(xí)題和分析，檢驗學(xué)生對課程的掌握程度。采用教學(xué)團隊親自錄制的“慕課堂SPOC”平臺，布置學(xué)習(xí)任務(wù)，便于學(xué)生隨時學(xué)習(xí)、提問和交流，有效保證學(xué)生個性化和協(xié)作化學(xué)習(xí)。

針對本專業(yè)學(xué)生的特點，結(jié)合課程知識點，課程環(huán)節(jié)設(shè)計了不同級別的項目，并對其進行分析。

教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐平臺上創(chuàng)建項目討論區(qū)，鼓勵引導(dǎo)學(xué)生對遇到的工程實踐疑難問題進行交流。教師按照課程大綱對重點知識點設(shè)計特色項目。

實施方案以“系統(tǒng)的性能指標”和“系統(tǒng)校正概述”為代表進行闡述。采用課前、課中和課后三個階段進行實施，過程融合了基于技能學(xué)習(xí)和項目學(xué)習(xí)的核心要素和基本流程，提升學(xué)生解決工程實際問題的能力。依據(jù)課程應(yīng)用的內(nèi)涵，將項目目標貫穿于整個代表性課程目標中。

結(jié)合課程的教學(xué)大綱，項目組教師進行集體討論，分解課程內(nèi)容中關(guān)鍵知識點，以此選擇合理的項目，建立相應(yīng)的課程模塊。

在課前，利用申請者錄制的SPOC 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支撐平臺為學(xué)生準備充足的學(xué)習(xí)資源和任務(wù)單。學(xué)習(xí)者一邊學(xué)習(xí)教學(xué)視頻，一邊查看并解決任務(wù)學(xué)習(xí)單中的問題，并在問題解決中不斷質(zhì)疑、嘗試自主探究來解決疑點。教師在線上教學(xué)支撐平臺上創(chuàng)建討論區(qū)，鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)中遇到的疑難點進行交流，同時積極收集討論區(qū)中所反映的共性問題，以便更好地實施課內(nèi)項目實踐環(huán)節(jié)。

在課中，解答學(xué)生在線上教學(xué)視頻學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的疑問。對不同難度和類別的項目進行獨立探究與協(xié)作學(xué)習(xí)。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計方面，包括知識理解與表達（開環(huán)與閉環(huán)性能指標）、知識理解與表達（時域與頻域關(guān)系）、知識點延申（濾波器應(yīng)用分析）部分。

在知識理解與表達中選取了初級的工程案例分析，從指標的理論公式推導(dǎo)，奈奎斯特圖、伯德圖的圖解說明兩方面幫助學(xué)生理解指標的工程意義，提高對關(guān)鍵知識點、難點問題的授課效率。同時，設(shè)計了學(xué)生質(zhì)疑環(huán)節(jié)，學(xué)生上臺舉例講解，引導(dǎo)學(xué)生進行思考，對實際控制系統(tǒng)帶寬選擇進行討論，增加學(xué)生對工程實際問題的理解。

此外，設(shè)計了課程問答環(huán)節(jié)，通過繪制奈奎斯特圖、伯德圖，在不同圖形中標識開環(huán)剪切頻率，回顧以前章節(jié)知識，融會貫通。結(jié)合工程中“低頻、中頻、高頻”不同頻段對控制系統(tǒng)的影響，分別引用3 個工程實例，作為課程環(huán)節(jié)的中級項目進行分析。同時，與學(xué)生進行互動，提出信噪比的定義，對學(xué)生日常購買的電子產(chǎn)品進行舉例、分析，引導(dǎo)學(xué)生考慮實際的產(chǎn)品設(shè)計與工程實現(xiàn)問題。

在知識點延伸方面，以低通和高通濾波器為例，詳細推導(dǎo)了時域和頻域內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，并回顧了涉及的前面章節(jié)知識點，鞏固學(xué)過的知識點，并以此為基礎(chǔ)進一步推導(dǎo)互補濾波器應(yīng)用。在知識擴展環(huán)節(jié)中，通過授課教師實際完成的綜合類工程類項目對學(xué)生進行項目分析。同時講解項目開發(fā)經(jīng)歷、實施過程中處理的關(guān)鍵點等。結(jié)合工程中對實踐項目過程的有效分解，對涉及的知識點進行分析，積極開展“師生互動”與“生生互動”。

在課后，采集線上與線下平臺研究數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，測評教學(xué)效果。具體實施案例時，在“低頻、中頻、高頻”性能影響知識點中引入3 個中級案例，在此過程中，可在課堂與課后布置客觀題與主觀題，開展線上問卷調(diào)查，設(shè)置課堂答疑區(qū)、課堂交流區(qū)、討論區(qū)等，并在課后進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計學(xué)生對基于項目學(xué)習(xí)的翻轉(zhuǎn)課堂模式的看法，對小組間互相評閱組員的子系統(tǒng)項目和大綜合項目開展自評與互評，按權(quán)重計算出每個學(xué)生的不同教學(xué)模塊的成績，作為過程考核的一部分，最后進行教學(xué)反思，優(yōu)化教學(xué)方案。

2.3 體現(xiàn)綜合能力評價的過程考核方式

結(jié)合PBL 的特點，對課程設(shè)計過程進行考核。采用線上自評、互評、教師評價相結(jié)合等方式進行綜合性評定，如通過線上SPOC 平臺在線討論單元內(nèi)容，互動交流，自評與互評，考察學(xué)生對知識點的熟悉度和掌握度。在不同階段，設(shè)計集中教學(xué)與課外自主學(xué)習(xí)結(jié)合的項目實施評定方法。

3 結(jié)束語

在PBL 模式下對原有課程設(shè)計內(nèi)容進行整合，提出了可行的模塊化與項目式教學(xué)方法。通過線上SPOC 對線下課程進行有力輔助與支撐，結(jié)合問題模式和項目模式同時進行授課，克服項目實踐學(xué)時少的限制，重點對以學(xué)生為中心的工程實踐項目環(huán)節(jié)進行設(shè)計。課程的實施方案具有一定的普適性和借鑒性，可以對學(xué)生進行高素質(zhì)管理和培養(yǎng)。