新工科背景下的船舶机电传动控制课程教学模式初探
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[摘 要]针对目前船舶机电传动控制课程教学中存在的突出问题，项目组结合新时代工科教育变革的要求，以国际先进的CDIO工程教育理念为指导，设计面向知识、能力与素质一体化培养的船舶机电传动控制课程教学新模式，并给出在新工科背景下船舶机电传动控制课程教学模式改革的实施途径和方法。
[关键词]新工科;教学模式;知识;能力;素质;深度学习
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）06-0048-04
随着以物联网、3D打印、大数据、人工智能为核心的第四次工业革命的兴起，创新驱动发展、“中国制造2025”和“互联网+”等国家战略的深入推进，以及以新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，社会对工程科技人才的培养提出了更高要求，迫切需要加快新时代新时期的大学工科教育变革。为此，2017年2月，国家发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，并组织专家学者开展了一系列的大学新工科建设研讨，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等。这标志着我国的大學工科教育步入了新篇章[1]。
所谓的新工科是指针对新兴产业，以物联网、数据科学和工业智能为核心的工科专业，抑或将云计算、大数据、区块链、虚拟现实、人工智能和机器人等应用于传统工科专业的升级改造[2， 3]。其内涵是以立德树人为引领，通过继承与创新、交叉与融合、协调与共享等方式，面向未来培养国际化、多元化和创新型卓越工程技术人才。船舶与海洋工程专业是融合了力学、机械、信息、控制、材料等学科，具有鲜明行业特色的传统工科专业，也是国家实施海洋强国和制造强国等战略的重要依托，为国防建设、船舶建造和海洋开发等培养高精尖人才。因此，船舶与海洋工程专业理应成为新工科专业建设的排头兵。
船舶机电传动控制课程是船舶与海洋工程专业的一门基础核心课程。它以船舶和海洋平台上的机电系统（装备）为对象，通过对系统动力学、电机、控制元件、调速模块等基础知识的讲授，着力培养学生提出、分析与解决船舶机电系统工程问题的能力，使学生具备一定的船舶机电系统的综合设计与分析能力。该课程是轮机自动化、水下机器人、船舶建造工艺、船舶辅机等后续专业课程学习的基础，具有承上启下的意义。基于此，本文以国际先进的CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）工程教育理念为指导，通过系统分析船舶机电传动控制课程教学的现状与存在问题，探讨新工科背景下船舶机电传动控制课程教学模式改革的途径与方法。
一、船舶机电传动控制课程教学的现状与存在问题
船舶机电传动控制课程是基于大班授课，学生人数大于50名。目前，主要采取的是课堂教学与动手实验相结合的教学方式，以教学大纲和教材为指导，以知识传授为主。在新工科专业建设的背景下，从CDIO工程教育理念的视角，重新审视船舶机电传动控制课程教学的各个环节，发现船舶机电传动控制课程在教学过程中存在如下主要问题：
（一）教学内容更新慢，明显滞后于新技术发展
船舶机电传动控制课程教学仍然是基于教学大纲，以教材为中心，教学内容涉及机电系统动力学分析、直流与交流电机、继电器与接触器控制、可编程控制以及调速系统等。目前，大数据、人工智能、机器人等新技术的发展非常迅速，并在船舶与海洋工程领域得到了一定程度的应用。由于技术成熟度、出版周期等各种因素的影响，这些最新技术及其工程应用并没有在相关教材中得到及时更新，使得船舶机电传动控制课程教学内容略显陈旧。这一方面影响了学生学习的积极性，另一方面也使得培养的学生难以适应时代发展。
（二）教学方法单一，缺乏知识、能力与素质一体化培养举措
船舶机电传动控制课程教学仍然是以教师为中心，采用注入式填鸭教学模式，重心主要在教授传授知识点和剖析案例上，学生被动地接受知识灌输，忽视了教师的个性化指导以及学生的自主学习能力、解决问题能力和团队协作能力等培养。由于学生的知识结构与学习能力的差异性，采用的教学方法与教学手段也应多样化，否则将难以实现知识、能力与素质三维一体化培养。
（三）实验教学资源固化，不适应学生创新能力培养
船舶机电传动控制实验所采用的实验装置是交流伺服电机驱动的模组线性直线滑台导轨/滚珠丝杆工作台。它是由专业公司设计与制造的，由于保密或高度集成化、模块化等方面的原因，实验教学资源相对固化，学生必须严格按照实验作业指导书去完成实验内容，自主性实验难以实现，这制约了学生实践能力和创新能力的培养。
二、面向知识、能力与素质一体化培养的船舶机电传动控制课程教学新模式设计
CDIO工程教育理念是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等机构联合创立的先进工程教育模式，代表了现行国际工程教育的最新成果[4]。它根据卓越工程技术人员必须具备的知识、能力和素质，系统全面地定义了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。CDIO工程教育的核心理念是以产品从构思、设计、实现到运作的生命周期为载体，让学生以主动和实践等方式进行学习，实现学生的知识、能力与素质一体化培养，从而将学生培养成既具备扎实的专业基础知识，又具备较强的专业技能与素养的创新型人才。基于此，针对目前船舶机电传动控制课程教学中存在的主要问题，结合CDIO工程教育模式的意愿、大纲和标准等核心文件要求，项目组构建了新工科下的船舶机电传动控制课程教学新模式。
图1所示的是船舶机电传动控制课程教学新模式的体系架构。它是以项目为牵引，以知识传授为主体，以能力提升为核心，以素质教育为目标，以案例教学为手段，将大数据、虚拟现实、人工智能等新技术融入电机原理、调速控制等知识点的讲解中，通过课堂翻转、小组讨论、自主实验等方式，实现船舶机电传动控制课程的知识、能力与素质教育融为一体，相互渗透，协调发展的教学目标。具体内容包括： （一）知识-能力-素质一体化培养教学体系再设计
根据CDIO工程教育的教学大纲要求，项目组重新设计了船舶机电传动控制课程的知识、能力与素质一体化培养的教学体系，包括知識模块、能力模块与素质模块。三个模块相互关联、有机融合，使学生能够胜任产品构思、设计、实施和运作全寿命周期中的所有工作。
知识模块将船舶机电传动控制课程的授课内容划分为基础科学知识、核心工程基础知识和高级工程基础知识。基础科学知识包括电力电子学基础、机电传动系统的运动方程式、电机的结构与工作原理等。核心工程基础知识包括机电传动系统稳定运行条件、电机的机械特性、可编程控制的工作原理与编程元件等。高级工程基础知识包括电机的启动与制动特性、电机调速控制、可编程控制器的编程技巧等。
能力模块着重培养船舶与海洋工程专业学生的工程推理和分析解决问题能力、实验和发现知识能力、系统思维能力、团队协作与交流能力等。通过设计若干典型案例，鼓励学生对工程问题进行分析与描述，建立工程模型，进行定性分析与不确定性因素分析，大胆提出解决方法和建议。开展自主实验设计，提出假设，鼓励学生通过查阅专业文献资料，进行实验探索，并进行假设检验与求证。在此过程中，培养学生的整体思维和大工程观等系统思维能力以及团队协作与交流能力。
素质模块是从船舶机电传动控制系统的构思与工程化、设计、实施和运行全过程培养学生的大工程视野、职业道德和人文情怀等。在船舶机电传动控制课程中，通过水面无人艇、液压舵机等综合课程设计来培养学生的素质。
（二）基于深度学习的教学实践变革
互联网等信息技术的发展与普及，突破了传统教育的局限，拓宽了学生的眼界和快捷获取知识渠道。然而，随之也出现了知识碎片化、信息娱乐化、浅层读图等现象，导致了学生学习深度缺乏等问题。依据CDIO工程教育的12条标准，项目组开展了船舶机电传动控制课程的教学实践变革，以促进学生深度学习。具体包括主动经验学习教学、一体化学习教学等。
船舶机电传动控制课程的主动经验学习教学是将自上而下和自下而上教学方式进行融合，通过诸如问题引导、案例教学、项目驱动等方式，开展自下而上的教学，促进学生在做中学，将知识获取与主动实践过程联系起来，从而提升学生主动学习的积极性和自觉性，培养学生的创新能力;结合自上而下的教学，通过教师的剖析或知识串联，学生能更深刻地理解知识和系统全面地掌握知识。
船舶机电传动控制课程的一体化学习教学是以具体工程产品为对象，将工程实践问题和学科问题相结合，通过翻转课堂和小组研讨等方式，引导学生运用系统和批判性思维对问题进行分析与陈述，提出解决方案，同时鼓励学生运用各种潜在的工具、方法和工程技术，主动实际，解决遇到的工程实际问题，从而破除存在的重“学”轻“术”的现象，培养学生的工程问题解决能力和团队协作能力等（见图1）。
三、船舶机电传动控制课程教学新模式的实施途径
（一）以知识模块为主线，实现课堂教学的深度学习
传统的以教师为中心、以教材为中心、以课堂为中心的教学模式，更注重知识传授。然而，随着以互联网为代表信息技术的飞速发展与普及，学生获取知识的途径越来越多，如慕课、网络公开课、云课堂等[5-7]。为了提高学生的学习兴趣和主动性，教师需要将教学内容进行融合，以知识模块为主线，以能力培养与素质教育为目标，通过课堂教学的深度学习，实现知识、能力与素质协调发展。具体方法如下：
首先，按照船舶机电系统的结构与功能，将船舶机电传动控制课程教学内容模块化，包括动力学知识模块、电机知识模块、控制系统知识模块、调速系统知识模块。每个知识模块教学，按照“要点问题—基本概念—基本原理—实现方法”展开，并结合若干典型案例，深入剖析知识点和重难点，同时将大数据、虚拟现实、人工智能等新技术新方法融入各个知识模块讲解过程中，不断调动学生的学习兴趣与主动性。
再者，通过教学交流QQ群、课堂调查、课后作业等形式、收集与甄别学生学习过程中的疑点或共性问题，在课堂上以案例教学为手段，进行深入讲解，引导学生将新知识整合到原有的认知结构中，经同化或顺应过程，深化对新知识的理解与长期保持。
在此基础上，在每个知识模块中设计一次翻转课堂，引导学生自主学习、合作学习或变式学习，并制作PPT进行课堂讲解和讨论，在主动学习过程中感受、领悟、构建知识，将知识转化为技能。同时，通过在复杂、丰富、多变的应用场景中锤炼所学技能，将所学知识迁移应用到实际工程问题中，实现对新知识的深度理解与内化，提升解决实际工程问题的能力。
（二）实验教学的多层次化构建
根据船舶机电传动课程实验作业指导书，将实验分为必做、选做和自主实验三个层次。在必做与选做实验中教师制定实验要求，阐述实验原理，给定具体实验步骤，并列出一系列实验思考题。在具体的教学方法上，提倡个人思考、小组讨论和独立实施，培养学生之间相互学习的意识和团队协作的精神。在自主实验教学中，学生根据课程教学内容，自主拟定实验方案，并由教师审核通过后再进行实验，培养学生的创新能力。多层次化实验教学模式，实现了学生共性提高和个性发展的有机结合。
（三）教学过程监控与考核改善
将课程最终的考核转变为知识、能力和素质的综合评价，分别从教学效果、实验环节和试卷考核等方面建立相应的过程监控与考核体系，如表1所示。通过对学生学习过程与效果进行全方位评价，调动学生学习的积极性和主动性，锻炼学生团队合作能力和交流沟通能力，持续改进教学内容和教学方法，提高人才培养质量。
四、结束语
本文首先论述了在加快建设新工科专业背景下开展船舶机电传动控制课程教学模式改革的重要意义。再者，以CDIO工程教育理念为指导，系统分析了船舶机电传动控制课程教学的现状，并指出课堂教学中存在的主要问题。接着，设计了面向知识、能力与素质一体化培养的船舶机电传动控制课程教学新模式，并探讨新工科背景下船舶机电传动控制课程教学新模式的实施途径。研究结果对于在新时期推动船舶与海洋工程专业的建设等具有重要的实际指导意义。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 余寿文. 工程教育评估与认证及其思考[J]. 高等工程教育研究， 2015（3）： 1-6+24.
[2] 原帅，贺飞. 哈佛大学工学院发展战略及其对新工科建设的启示[J]. 高等工程教育研究， 2018（2）： 67-70+89.
[3] 张国荣. 基于深度学习的翻转课堂教学模式实践[J]. 高教探索， 2016（3）： 87-92.
[4] 周悦，胡媛，刘雨青，吴燕翔. 基于知识能力素质培养的电路课程教学改革[J]. 教育教学论坛， 2016（31）： 88-89.
[5] 张浩强. 基于创新型人才培养的《机电传动控制》课程教学改革方法研究[J]. 教育教学论坛， 2016（19）： 91-92.
[6] 余宏亮，张雅君. 基于翻转课堂的微课程教学法建构[J]. 重庆高教研究， 2017（4）： 6-16.
[7] 李政民卿， 王黎娜， 陆凤霞， 鲍和云， 靳广虎. 美国基础教育给中国工科研究生专业基础教学的启示[J]. 大学教育， 2014（11）：22-23.
[责任编辑：刘凤华]
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