王艷嬌

（廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 廣東 廣州 510006）

隨著數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程積累了大量包含過(guò)程信息和知識(shí)的數(shù)據(jù)，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展在不斷提升工業(yè)大數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，也對(duì)數(shù)據(jù)分析工程師等相關(guān)從業(yè)者的綜合能力提出了新的要求。因此如何在新工科背景下培養(yǎng)具有計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，是值得深入思考和探討的問(wèn)題。針對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)（以下簡(jiǎn)稱“大數(shù)據(jù)專業(yè)”）“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，文章以專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，針對(duì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，依據(jù)專業(yè)背景進(jìn)行課程改革，注重知識(shí)的外延和工程思維能力的培養(yǎng)，以更好地適應(yīng)“新工科”背景下關(guān)于應(yīng)用型人才的培育需求[1]。

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

先進(jìn)集散控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展使得實(shí)時(shí)獲取工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的規(guī)模越來(lái)越大，工業(yè)數(shù)據(jù)的變量維度也在逐漸增長(zhǎng)，工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，這為高等院校培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)的人才帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[2]。近年來(lái)，關(guān)于大數(shù)據(jù)專業(yè)專業(yè)課程和實(shí)踐課程的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)行了很多工作，也取得了諸多教學(xué)成果，而對(duì)于專業(yè)選修課的教學(xué)改革工作卻關(guān)注得很少。目前，從企業(yè)對(duì)人才專業(yè)能力的需求分析來(lái)看，學(xué)生不僅需要具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和編程實(shí)戰(zhàn)能力，同時(shí)還需要具備將數(shù)據(jù)思維應(yīng)用到工程領(lǐng)域的能力，能夠?qū)?shí)際問(wèn)題進(jìn)行深度的挖掘和全面的分析，因此專業(yè)選修課程的重要性不容忽視。

目前，大數(shù)據(jù)專業(yè)“自動(dòng)控制原理”（以下簡(jiǎn)稱“自控”）課程教學(xué)存在以下問(wèn)題：①自控課程需要物理、化學(xué)和電力等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，而大數(shù)據(jù)專業(yè)是一個(gè)綜合性學(xué)科，該專業(yè)的課程體系不同于自動(dòng)化、電氣等控制類專業(yè)，無(wú)法覆蓋所需基礎(chǔ)理論知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生缺少相應(yīng)的知識(shí)儲(chǔ)備；②教學(xué)內(nèi)容建立在比較抽象的數(shù)學(xué)模型之上，不能反映行業(yè)的最新動(dòng)態(tài)，學(xué)生對(duì)工程實(shí)際接觸不多，創(chuàng)新思維和工程能力培養(yǎng)不足；③大部分學(xué)生以考試為目的，學(xué)習(xí)方式局限于課堂聽(tīng)講、課后作業(yè)和期末刷題，缺乏學(xué)習(xí)興趣；④當(dāng)前，行業(yè)對(duì)學(xué)生的能力提出了新的需求，課程的考核方式和評(píng)價(jià)方法需要改進(jìn)和完善。

2 課程改革內(nèi)容

2.1 基于學(xué)科差異，制訂課程標(biāo)準(zhǔn)

課程的設(shè)計(jì)基于學(xué)科知識(shí)，在學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)上，選取一些“最有價(jià)值的知識(shí)”，構(gòu)成了一門課程，并形成教學(xué)內(nèi)容。然而，現(xiàn)實(shí)情況是，本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程僅為32 學(xué)時(shí)，這就需要考慮如何在有限的學(xué)時(shí)中選取適當(dāng)?shù)闹R(shí)來(lái)構(gòu)造課程，同時(shí)也要考慮到該專業(yè)學(xué)生的發(fā)展需求。此外，不同的專業(yè)對(duì)同一門課程所需要的知識(shí)、能力和素養(yǎng)的水平也存在差異，因此，要在課程內(nèi)容的深度和廣度、內(nèi)涵和外延之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，這也是一個(gè)要著重考慮的問(wèn)題。對(duì)于像大數(shù)據(jù)這類非控制類學(xué)科專業(yè)來(lái)說(shuō)，在課程實(shí)施過(guò)程中，主要側(cè)重于擴(kuò)展自控知識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合專業(yè)背景，強(qiáng)調(diào)如何將自控原理應(yīng)用于大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

2.2 基于專業(yè)差異，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的以“建?！治觥O(shè)計(jì)”為主線的授課方式注重對(duì)課程系統(tǒng)性和完整性的學(xué)習(xí)[3]，對(duì)大數(shù)據(jù)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們所學(xué)的前序課程無(wú)法覆蓋自控課程所需的基礎(chǔ)知識(shí)，如學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)電機(jī)學(xué)相關(guān)課程而對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作原理不了解，導(dǎo)致在采用電動(dòng)機(jī)為例子講解數(shù)學(xué)建模時(shí)，學(xué)生因?yàn)槿鄙傧鄳?yīng)的理論基礎(chǔ)，無(wú)法理解和體會(huì)控制系統(tǒng)的建模過(guò)程，更遑實(shí)際應(yīng)用。因此，教師需要針對(duì)教學(xué)對(duì)象的專業(yè)背景，整合優(yōu)勢(shì)資源，并與課程理論知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深度融合，制訂具有專業(yè)特色的教學(xué)案例。

2.3 改革教學(xué)方法和教學(xué)手段

自控課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的抽象思維能力要求高，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法通常是根據(jù)課本內(nèi)容，采用多媒體課件或板書(shū)進(jìn)行遞進(jìn)式的教學(xué)。但由于受學(xué)科局限，教師很難在課堂上與學(xué)生進(jìn)行有效的交流，因而忽略了學(xué)生自主性、工程性等方面的訓(xùn)練，使教學(xué)效果大打折扣。因此，需要打破傳統(tǒng)單一的教學(xué)格局，采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、利用慕課資源，開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)模式。

2.4 改進(jìn)和完善考核方式和評(píng)價(jià)方法

“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”是工程教育認(rèn)證的核心理念[4]。為了檢驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成和衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，自控教學(xué)組制訂了一套完善的考核和教學(xué)評(píng)價(jià)方法。為了更好地達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)，階段性的評(píng)價(jià)和補(bǔ)救性教學(xué)尤為重要。因此，教學(xué)組擬綜合利用慕課資源等手段，在有限的教學(xué)課時(shí)中進(jìn)行階段性測(cè)驗(yàn)、課堂小測(cè)驗(yàn)等，考核的結(jié)果用于階段性的持續(xù)改進(jìn)，即當(dāng)考核情況不理想時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救性教學(xué)，以確保期末考核時(shí)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

3 課程改革的具體舉措

3.1 關(guān)注學(xué)科差異，制訂不同的課程標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)要求，梳理細(xì)化分解課程目標(biāo)，修訂教學(xué)大綱。自動(dòng)控制原理教學(xué)內(nèi)容多，覆蓋面廣。要在32 課時(shí)的理論教學(xué)時(shí)間內(nèi)，兼顧知識(shí)、素質(zhì)、能力的培養(yǎng)，必須要有適用于非控制類專業(yè)的教學(xué)大綱引領(lǐng)。修訂教學(xué)大綱時(shí)，首先針對(duì)大數(shù)據(jù)專業(yè)的特點(diǎn)，梳理并細(xì)化課程教學(xué)目標(biāo)。課程目標(biāo)作為整個(gè)教學(xué)大綱的核心，支撐著要達(dá)成的畢業(yè)要求，涉及授課內(nèi)容、考核方式和學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)展。教學(xué)目標(biāo)不僅要體現(xiàn)知識(shí)目標(biāo)還要體現(xiàn)能力目標(biāo)和素質(zhì)培養(yǎng)。圍繞課程目標(biāo)要設(shè)計(jì)合適的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動(dòng)支撐。教學(xué)內(nèi)容除了課本知識(shí)外，還要適當(dāng)增加行業(yè)內(nèi)的最新動(dòng)態(tài)，如自控原理在人工智能、智能制造、新能源等新興行業(yè)中的應(yīng)用。學(xué)習(xí)活動(dòng)要體現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)，活動(dòng)的結(jié)果要便于評(píng)價(jià)和考核，考核方式要有明確的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)，教學(xué)組及時(shí)修正和調(diào)整課程內(nèi)容，對(duì)應(yīng)制訂了3 個(gè)課程目標(biāo)，每個(gè)課程目標(biāo)均支撐相應(yīng)的畢業(yè)要求。以課程目標(biāo)1：理解工程問(wèn)題中控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)，能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理知識(shí)和反饋控制的原理，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為例，這部分的課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)教材的第一章和第二章，設(shè)置的教學(xué)活動(dòng)包括課前MOOC 預(yù)習(xí)、課堂講解、隨堂小測(cè)、MOOC 章節(jié)測(cè)試和學(xué)習(xí)報(bào)告總結(jié)。

3.2 關(guān)注專業(yè)差異，根據(jù)需求引入不同的教學(xué)案例

專業(yè)課是一種以相關(guān)學(xué)科為基礎(chǔ)，為人才培養(yǎng)提供基礎(chǔ)支撐的課程組織方式。課程是最基礎(chǔ)的單位，它必須與各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)相匹配。在大數(shù)據(jù)專業(yè)中，如何整合各學(xué)科的優(yōu)勢(shì)教學(xué)與研究資源，并將其與學(xué)科知識(shí)進(jìn)行深度融合，是一個(gè)十分重要的課題。可以創(chuàng)建一個(gè)有大數(shù)據(jù)專業(yè)特點(diǎn)的教學(xué)案例庫(kù)，如以工業(yè)大數(shù)據(jù)為例，把自動(dòng)化技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等過(guò)程中的功能融合到課程教學(xué)中，將各學(xué)科的教學(xué)案例與核心知識(shí)有機(jī)地結(jié)合在一起，形成學(xué)科之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這種差異化的教學(xué)內(nèi)容可以為實(shí)施以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)提供參考。目前，自控主要的授課內(nèi)容包括系統(tǒng)建模，時(shí)域、根軌跡和頻域分析方法，主要涉及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能以及頻率特性，根據(jù)控制對(duì)象的控制目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。對(duì)于大數(shù)據(jù)專業(yè)這類非控制類專業(yè)的學(xué)生，考慮將工業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)的案例融入自控原理課程中，這里仍以教學(xué)目標(biāo)1 說(shuō)明，由于沒(méi)有設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在教學(xué)內(nèi)容上，如在系統(tǒng)建模階段，可以引入工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)；如采用生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在的機(jī)械臂作為研究對(duì)象，說(shuō)明建模問(wèn)題，首先講解如何尋找變量，確定機(jī)械臂控制系統(tǒng)的輸入和輸出變量等；在頻域分析方法中，可以結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行分析等。這樣做可以增強(qiáng)課程的實(shí)際應(yīng)用性，培養(yǎng)學(xué)生在大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的綜合能力，并使課程更具專業(yè)特色。此外，還可以進(jìn)一步升華內(nèi)容，通過(guò)講解機(jī)理建模的局限性，增加工業(yè)大數(shù)據(jù)時(shí)代基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和專家知識(shí)的建模方法，從而與該類專業(yè)的主修課程如機(jī)器學(xué)習(xí)等建模方法進(jìn)行深度融合，為全方位培養(yǎng)新型應(yīng)用型人才提供良好的知識(shí)基礎(chǔ)。

3.3 通過(guò)多元化的教學(xué)模式提升教學(xué)質(zhì)量

在“新工科”建設(shè)理念下，自控原理作為大數(shù)據(jù)專業(yè)的一門專業(yè)選修課，就課程目標(biāo)和內(nèi)容作出了新的調(diào)整。但如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，保質(zhì)保量完成教學(xué)大綱規(guī)定的授課內(nèi)容，同時(shí)能夠針對(duì)教學(xué)對(duì)象的專業(yè)背景，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，了解目前新一代信息技術(shù)、智能制造等相關(guān)新興行業(yè)的動(dòng)態(tài)和培養(yǎng)工程思維能力，仍是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。因此，需要采用多元化的教學(xué)模式。

利用慕課資源，開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)模式?；旌鲜浇虒W(xué)方案需要授課教師和學(xué)生都能合理利用網(wǎng)絡(luò)資源[4]。目前，為了豐富課程的教學(xué)資源，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自控教學(xué)組已經(jīng)錄制了慕課視頻，并成功在中國(guó)慕課網(wǎng)和智慧樹(shù)平臺(tái)推出。在這一背景下，授課教師需要根據(jù)慕課內(nèi)容合理地設(shè)計(jì)線下課堂的授課內(nèi)容和教學(xué)活動(dòng)，并要求學(xué)生在課前和課后都能充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源，相互配合，從而確保教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)進(jìn)度。慕課視頻具有時(shí)間短和可反復(fù)播放的優(yōu)點(diǎn)，因此便于學(xué)生提前預(yù)習(xí)和課后鞏固所學(xué)知識(shí)，每個(gè)章節(jié)都設(shè)置了相應(yīng)的選擇題和討論題，要求學(xué)生在每次授課前完成相關(guān)章節(jié)的學(xué)習(xí)和線上答題，教師可以根據(jù)線上答題情況調(diào)整課堂活動(dòng)的內(nèi)容，從而達(dá)線上線下的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。學(xué)生答題情況也被作為教學(xué)過(guò)程性的評(píng)價(jià)，并在期末總評(píng)中占20%的比例。

3.4 完善考核和教學(xué)評(píng)價(jià)方法，促進(jìn)課程目標(biāo)達(dá)成

為了檢驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成和衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，針對(duì)課程特點(diǎn)，課程組制訂了一套完善的考核和教學(xué)評(píng)價(jià)方法，除了期末閉卷考試外，還將線上學(xué)習(xí)成績(jī)、平時(shí)作業(yè)、課堂測(cè)驗(yàn)、學(xué)習(xí)報(bào)告等成績(jī)納入期末總評(píng)成績(jī)，體現(xiàn)課程考核的靈活性和多樣性。自控原理課程的總評(píng)成績(jī)由兩部分組成，平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)各占50%，平時(shí)成績(jī)包含4 個(gè)部分，其中MOOC 線上成績(jī)由視頻觀看時(shí)長(zhǎng)和章節(jié)小測(cè)成績(jī)構(gòu)成，占比40%，隨堂測(cè)試占20%，課后習(xí)題占20%，學(xué)習(xí)報(bào)告占20%。課前學(xué)生可以通過(guò)MOOC對(duì)課程進(jìn)行預(yù)習(xí)，同時(shí)進(jìn)行平臺(tái)測(cè)驗(yàn)考查學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)一步保障線上學(xué)習(xí)效果；學(xué)習(xí)報(bào)告是指學(xué)生每章學(xué)習(xí)結(jié)束后須提交一份學(xué)習(xí)匯報(bào)，題目自擬，內(nèi)容須涵蓋每章節(jié)課前提出的思考題回答，可以鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，用于評(píng)價(jià)階段性的學(xué)習(xí)效果。值得指出的是，本課程自從2020 年開(kāi)始嘗試教學(xué)改革的探索與實(shí)踐以來(lái)，大數(shù)據(jù)專業(yè)學(xué)生期末總成績(jī)的優(yōu)良率和均值都呈穩(wěn)中有增的發(fā)展趨勢(shì)，可見(jiàn)改革的效果非常顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

將改革方案應(yīng)用于大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程教學(xué)中，基于授課學(xué)生的學(xué)科和專業(yè)特征，讓學(xué)生更好地理解并掌握課程要求的知識(shí)和技能。同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，鍛煉工程思維，從而為培養(yǎng)學(xué)生成為具有計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才和從事相關(guān)工作提供助力。