陳乃超，王 昊，馬行馳，謝 飛

（上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院 上海 201306）

為了進一步提高我國高等教育本科生的培養(yǎng)質(zhì)量，教育部先后提出了“雙萬”計劃和新工科、新醫(yī)科、新文科和新農(nóng)科建設(shè)，打造一流課程[1-2]，旨在振興我國高水平本科教育，形成高水平人才培養(yǎng)體系，全面提高本科生人才培養(yǎng)水平，開創(chuàng)高等教育新局面，建設(shè)高等教育強國，為將我國建成社會主義現(xiàn)代化強國提供強大的人才支撐和智力支持[3]。

2018年6月的中國高等學(xué)校本科教育工作會議上，教育部對全國的高校教師發(fā)起了號召，通過合理增加課程難度，提升學(xué)業(yè)的挑戰(zhàn)度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣，淘汰“水課”，建設(shè)“金課”，著實提高課程教學(xué)質(zhì)量[4]。隨后，針對如何設(shè)計和實施“金課”，教育部進一步提出了建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，并將“金課”設(shè)定為一流課程，提出課程的評價標(biāo)準(zhǔn)采用“兩性一度”來衡量：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。同時，再次強調(diào)課程在人才培養(yǎng)過程中的重要地位，處于核心要素[5]。根據(jù)“金課”標(biāo)準(zhǔn)，努力實現(xiàn)三個轉(zhuǎn)變，即從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心、從以考試為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)習(xí)為中心、從以學(xué)科為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫I(yè)為中心，強調(diào)學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的自主性、能動性和創(chuàng)造性[6-7]。

課程在人才培養(yǎng)過程中作為核心要素，是學(xué)生大學(xué)期間獲取知識和技能的主要來源。課程質(zhì)量好壞直接關(guān)系到學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和學(xué)業(yè)水平[8]。通過建設(shè)一流課程，可以有效提升學(xué)校專業(yè)的知名度，增強學(xué)生對于專業(yè)的認知，提高學(xué)生的主動性和積極性，拓寬學(xué)生對于專業(yè)知識的認知度[9]。常規(guī)課程雖然能夠讓大多數(shù)學(xué)生掌握課程的基本理論知識，但是僅限于課本的教學(xué)具有一定的局限性。一般而言，教學(xué)內(nèi)容的更新落后于科學(xué)發(fā)展，新技術(shù)、新知識融入課堂的速度較慢。這使得學(xué)生理論聯(lián)系實際不足、創(chuàng)新意識不強，缺乏最新的解決方法及仿真工具的使用能力[10]。因此，梳理課程內(nèi)容、拓展課程深度，提高課程教學(xué)質(zhì)量[11]，積極調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生主動參與到一流課程實施中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力[12]，逐漸成為課程改革和建設(shè)的重點和實現(xiàn)課程“金課”建設(shè)的目標(biāo)。

“機電傳動與控制”作為機械電子工程專業(yè)的一門必修專業(yè)課，是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握機電傳動與控制知識的主要途徑，也是獲取電機基本原理與拖動相關(guān)知識的重要課程。有效提高課程的教學(xué)效果，更好地實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，是新時代本課程教學(xué)改革需要解決的關(guān)鍵問題。

1 “兩性一度”的概念

“兩性一度”是根據(jù)“金課”建設(shè)的要求，提出的用于衡量課程的標(biāo)準(zhǔn)，即“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”。高階性，是知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和高級思維。創(chuàng)新性，是課程內(nèi)容反映的前沿性和時代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進性和互動性，追求學(xué)習(xí)的探究性和個性化。挑戰(zhàn)度，是指課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，對教師和學(xué)生提出較高要求[13]。課程具有高階性，對于教師備課和學(xué)生學(xué)習(xí)就具有一定的挑戰(zhàn)性。要使課程達到“高階性”，課程內(nèi)容和課程形式就必須具有“創(chuàng)新性”[14]。創(chuàng)新必須要突破學(xué)生的慣性和傳統(tǒng)認知思維，使學(xué)生獲得解決復(fù)雜工程問題的思維和能力。同時，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容的融合可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力[15]?？梢钥闯?，這三者之間是相輔相成，互相支持的。“兩性一度”的課程不能墨守成規(guī)，應(yīng)與時俱進改變教學(xué)方法，充實教學(xué)內(nèi)容，將課程內(nèi)容與實驗實踐課程相結(jié)合，挖掘?qū)W生更大的潛力[14，16]。

2 “機電傳動與控制”的課程教學(xué)改革

2.1 對標(biāo)“兩性一度”要求的教學(xué)改革

“機電傳動與控制”課程是一門傳統(tǒng)的機電類專業(yè)課程，應(yīng)用性較強，可以為后續(xù)機電產(chǎn)品和設(shè)備的動力源設(shè)計提供知識和技術(shù)。多年來，課程內(nèi)容相對比較固定，教授內(nèi)容在全國范圍內(nèi)形成了較為普遍性的共識，因此，課程的邏輯安排、內(nèi)容設(shè)置、實踐輔導(dǎo)等具有一定的成熟度，教學(xué)和授課方式也逐漸形成了統(tǒng)一的認識。但是，隨著教學(xué)方法、教學(xué)工具和教學(xué)手段的不斷發(fā)展和更新，以及國家對教育理念和教學(xué)思維提出了更高的要求，結(jié)合一流課程建設(shè)要求，開展“機電傳動與控制”課程的“兩性一度”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革顯得非常迫切和必要。

結(jié)合本課程的特點，根據(jù)“兩性一度”的定義和內(nèi)涵，本文探索了課程開展“兩性一度”框架下的教學(xué)的改革。

2.2.1 高階性

培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維可以為高階性的實現(xiàn)提供有效手段。復(fù)雜工程問題的解決不僅僅需要學(xué)生對某一知識點的理解和應(yīng)用，更需要能夠綜合應(yīng)用多個知識點或者多個學(xué)科的知識點。對接實際工程，機電產(chǎn)品設(shè)計除了正確的技術(shù)原理方案外，還包含多維領(lǐng)域的需求，這將改變原有的理論設(shè)計，進而綜合優(yōu)化，設(shè)計出滿足工程應(yīng)用的最優(yōu)的產(chǎn)品或設(shè)備。

基于上述分析，課程在基本知識講授的基礎(chǔ)上，引入現(xiàn)代機電產(chǎn)品設(shè)計和分析技術(shù)，增強學(xué)生對產(chǎn)品的設(shè)計分析能力，強化學(xué)生掌握現(xiàn)代分析工具的能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和分析工程問題的能力。在每章內(nèi)容中增加復(fù)雜機電工程問題分析的大型作業(yè)或基于CADe-SIMU的仿真模型。如機電系統(tǒng)動力學(xué)內(nèi)容，給出牛頭刨床整機的機電動力學(xué)分析要求，在此基礎(chǔ)上，考慮到節(jié)能機電設(shè)計，要求學(xué)生在市場成本及競爭條件下進行設(shè)計，實現(xiàn)最優(yōu)化；在三相異步電動機設(shè)計中，給出火力發(fā)電廠引風(fēng)機電動機設(shè)計與控制的設(shè)計大作業(yè)，要求學(xué)生不僅僅要考慮到執(zhí)行動作及邏輯的實現(xiàn)，還需按照高可靠性的要求進行綜合設(shè)計。設(shè)計以小組為單位，利用仿真軟件，進行復(fù)雜機電系統(tǒng)CADe-SIMU仿真設(shè)計，獲得設(shè)計模型，并進行相應(yīng)的性能分析，最后每個小組進行匯報，實施競賽，根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和答辯情況決定每個小組的成績，并將成績計入最后考試成績。

2.1.2 創(chuàng)新性

為了實現(xiàn)創(chuàng)新性目的，教師應(yīng)緊緊結(jié)合前沿性課題，以矛盾論和工程需求為牽引，激發(fā)學(xué)生探究性思維，突出自我解決問題的能力。隨著現(xiàn)代機電技術(shù)的發(fā)展，為提高設(shè)計和分析的效率，產(chǎn)生了許多先進、高效的工具。利用專用工具進行工作也是目前行業(yè)的通用方式。因此，為提高問題分析和解決能力，課程團隊將先進機電系統(tǒng)分析軟件引入課堂，為學(xué)生創(chuàng)新提供工具基礎(chǔ)，也為問題高效解決提供可能。

基于以上分析，在原有的課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，課程教學(xué)中添加CADe-SIMU模擬電器電路軟件和Proteus控制器仿真軟件的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生掌握目前解決工程問題的分析工具。通過計算軟件的仿真可以直觀、形象、動態(tài)地展示所學(xué)內(nèi)容，加速學(xué)生對知識的理解，大幅提高學(xué)生以工程化思維進行設(shè)計的能力，有利于學(xué)生形成自我分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；引入算法設(shè)計和實踐等，強化學(xué)生利用計算機技術(shù)進行計算、優(yōu)化和設(shè)計的思維，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為學(xué)生進行探究性研究提供技術(shù)和工具支持；以電機控制優(yōu)化和專用機電工程項目為導(dǎo)向，如風(fēng)力發(fā)電機組電動變槳距系統(tǒng)的電動機設(shè)計與控制，引導(dǎo)學(xué)生在機電控制方法和策略、機電系統(tǒng)優(yōu)化和控制運動綜合上的技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)設(shè)計和問題解決的個人方案，激發(fā)學(xué)生在論文發(fā)表、技術(shù)方案設(shè)計、工程技術(shù)文檔撰寫上能力的提升。

2.1.3 挑戰(zhàn)度

針對本課程而言，主要涉及電機的基本原理和工程應(yīng)用的內(nèi)容，因此，挑戰(zhàn)度的內(nèi)容需要根據(jù)這兩方面內(nèi)容的特點進行設(shè)計。從基本原理出發(fā)，挑戰(zhàn)度的內(nèi)容更多體現(xiàn)在對基本理論的深刻理解。理論推導(dǎo)過程在對基本原理的理解中具有重要作用，也是面對復(fù)雜問題深入分析的基礎(chǔ)，因此，可以以理論推導(dǎo)為手段，形成基本原理理解的挑戰(zhàn)度；針對工程應(yīng)用內(nèi)容，原有分析和作業(yè)多集中在給定詳細的工程參數(shù)和需求，方案或者答案多是固定的，學(xué)生按照流程和公式計算就可以獲得正確答案，學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性受到約束。要提高工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)度，可以打破原有固定和圈定下的問答模式，充分調(diào)動學(xué)生的主動性，以學(xué)生自我思考為牽引，學(xué)生通過個人探索給出自己的獨特方案。同時，在該過程中學(xué)生需要積極思考，以有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性。因此，將“固定性”回答轉(zhuǎn)變?yōu)椤白晕倚浴眴柎?，可以有效提高工程問題教學(xué)內(nèi)容的挑戰(zhàn)度。

基于以上分析，為了實現(xiàn)挑戰(zhàn)度目的，針對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，從基本原理出發(fā)，適當(dāng)添加原理的機理分析以及理論推導(dǎo)過程，使得學(xué)生對知識掌握得更加深刻，如增加對于異步電動機磁場分析，對知識難點的公式矢量分析進行理論推導(dǎo)，這樣的過程分析可以讓學(xué)生更好理解并加深對該難點問題的理解和應(yīng)用。此外，將教學(xué)的重點放在提升復(fù)雜工程問題解決能力上，該部分分為兩個層次，第一層次為基本的機電系統(tǒng)分析，提出機電系統(tǒng)大作業(yè)和軟件計算仿真的方法，重點解決高精度、高時效、高效率耦合下的機電系統(tǒng)性能分析；第二層次為機電系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)綜合，針對現(xiàn)實機電工程特殊實際需求和工程問題，提出結(jié)構(gòu)方案、尺度設(shè)計和控制方案，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高學(xué)生在解決問題后的獲得感。

2.2 課程內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，建設(shè)“新工科”課程

如前所述，本課程主要內(nèi)容為機電系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，前期多以關(guān)注課程本身的知識點為基礎(chǔ)，更多放在教會學(xué)生知識點，而并沒有過多涉及當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況和需求。如現(xiàn)在講授的理論分析及其推導(dǎo)過程，仍然采用一步一步的邏輯分析和繪圖說明，而實際工作中，現(xiàn)有的軟件繪圖技術(shù)非常發(fā)達，不需要進行手繪，且CAD分析法非常方便，精度高，大幅節(jié)省了設(shè)計時間；同時EDA軟件也發(fā)展迅速，直接通過專用軟件就可以仿真出電流和電壓情況。可以看出，在傳統(tǒng)的課程中，在對理論的分析和計算方法上需要與時俱進，要與目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況相吻合，跟上時代的步伐，否則培養(yǎng)出的學(xué)生知識結(jié)構(gòu)將會與社會需求存在差距。

本課程將在分析和計算上，引入軟件仿真設(shè)計理念，重點在CADe-SIMU和Proteus等設(shè)計工具上對學(xué)生進行引導(dǎo)和教育，提升學(xué)生對目前技術(shù)的認識；同時，引入前沿科技問題，如多目標(biāo)機電系統(tǒng)最優(yōu)化，大數(shù)據(jù)條件下的機電結(jié)構(gòu)選型與分析等，加深學(xué)生對未來技術(shù)發(fā)展的認識。

2.3 發(fā)揮線上信息化優(yōu)勢，構(gòu)造線上線下混合式課程新范式

在疫情期間，線下教學(xué)存在一定困難，甚至無法開展，因此進行線上教學(xué)十分必要，學(xué)生可以通過線上反復(fù)觀看課堂教學(xué)內(nèi)容，避免了以前上課未能及時消化帶來學(xué)生不理解知識點的局限性。學(xué)生可以通過視頻和教學(xué)資料實現(xiàn)自學(xué)。對于教師而言，利用線上課堂問答、作業(yè)和考試等方式，可以及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，這是線上教學(xué)的優(yōu)勢。例如，可以很容易對一章或幾節(jié)內(nèi)容進行考試，時間隨意，不受地域限制，也無需準(zhǔn)備紙質(zhì)試卷等，該類考試由于范圍較小，可以將所有需要注意的知識點都考慮到，能夠及時反映學(xué)生對知識的真實掌握情況，以便教師分析，及時調(diào)整教學(xué)方向。

基于上述分析，本課程充分利用線上教學(xué)的優(yōu)勢，提出以評為主線，實現(xiàn)學(xué)生自學(xué)、重點講授、工程問題牽引、課余時間一體化的教學(xué)和學(xué)習(xí)新范式。對部分較容易理解的內(nèi)容，教師可在線上提供若干優(yōu)質(zhì)講授視頻和多媒體課件，要求學(xué)生自己自學(xué)，不在課堂上進行講述，該部分內(nèi)容通過以評促學(xué)方式進行考查，即通過線上作業(yè)和考試進行評定；對于重點內(nèi)容，以線下教學(xué)為主，重點解決學(xué)生對知識點的理解，線上提供相關(guān)教學(xué)視頻，并配上相應(yīng)知識點的例題和詳細解題分析視頻，實現(xiàn)全天候、全視角的知識點解析，直至學(xué)生掌握。提出工程問題，目的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，給出復(fù)雜機電問題，挑戰(zhàn)工程難題，以及先進分析方法等，該部分內(nèi)容重點在于布置任務(wù)、過程監(jiān)督、問題解答等工作。核心的工作是學(xué)生通過課余時間來完成，實現(xiàn)課上和課下時間比例為2:3的學(xué)習(xí)模式，充分將學(xué)生課余時間利用起來，實現(xiàn)對學(xué)生知識和技能的培養(yǎng)。

實現(xiàn)過程化考核，不以期末考試定最終成績，按照章節(jié)考試、復(fù)雜問題及實踐環(huán)節(jié)、期末考試、課堂互動情況、出勤與作業(yè)的比例為30:30:25:5:10進行分配成績。

3 結(jié)論

基于“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)，通過培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維為主線，在基本知識教學(xué)基礎(chǔ)上，增加復(fù)雜機電工程問題分析的大型作業(yè)或基于CADe-SIMU的仿真模型，提高了高階性；通過引入仿真軟件等先進分析軟件，提高學(xué)生通過計算機解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生在解決機電控制方法、機電系統(tǒng)優(yōu)化和控制運動綜合上的技術(shù)創(chuàng)新，提高了創(chuàng)新性；從基本原理出發(fā)，添加原理的機理分析以及理論推導(dǎo)過程，提升學(xué)生對工程問題的解決能力，使得學(xué)生對知識掌握得更加深刻，達到了挑戰(zhàn)度的目的。同時把課程內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，引入軟件仿真設(shè)計理念，重點在工業(yè)設(shè)計和分析軟件等設(shè)計工具上對學(xué)生進行引導(dǎo)和教育，提升學(xué)生對目前產(chǎn)業(yè)技術(shù)的認識。課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容采取線上線下混合式課程新范式，多維度地獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋信息，使得教學(xué)模式更加靈活有效，實現(xiàn)教學(xué)的信息化，提高了教學(xué)效率和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。通過“機電傳動與控制”課程的教學(xué)改革，進一步培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實踐和解決問題的能力，提高了課程整體的教學(xué)水平。