基于PBL 模式在“机械工程控制基础”课程中的教学改革与应用实践＊

王磊

（沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

随着高校对“高水平大学建设”的需要，本科教学改革朝着高水平的本科教育体系和教育教学质量目标前进[1]。传统教学模式已远远不能满足学生的需求，因此，探索尝试新的教学方法、创新教学模式、优化专业课程体系在本科教学中日益重要。

沈阳理工机械工程学院开设“机械工程控制基础”课程几十年，其是机械学院本科专业学生必修的主干课程和重点课程。应用项目学习理念（PBL）[2-4]在此课程中开展创新性教学，激发学生学习积极性和创造性[5]，提高大学生的创新精神、创业精神和实践能力。

1 课程现状分析

1.1 讲解内容与工程实际的结合程度不够

课程主要讲述控制理论的基本原理及其在机械工程领域中的应用，理论性较强，对掌握前序课程的程度有一定的要求。传统的教学过程在内容取舍、理论和实际结合等多方面存在不足，学生在面对理论讲解时兴趣和信心不足，讲解内容与工程实际的结合程度不高，学生空有理论框架而无解决工程问题的应用技能。

1.2 课程的开放性不够

大部分学校采用线下为主的教学模式，学生在课前和课后对课程涉及的工程实践问题的求知欲不强。缺乏线上教学与线下教学相结合的视听课程，学生对课程理论知识点的多层次教学体感不强。

1.3 课程的过程考核方式与综合能力培养目标不匹配

课程成绩评定多由期末考试和平时的过程考核构成，其中注重过程性考核和加强实践训练考核占比较少，学生取得的分数与其解决实际工程问题的综合能力不匹配。

2 基于PBL 翻转课堂模式的教学改革

针对旧的实验课设体系和教学模式存在的一系列问题，对传统模式下的课程进行项目化课程改革研究。

2.1 线上/线下结合的技能学习流程设计

依托学校首批建设的“机械工程控制基础”的在线开放课程平台，根据“机械工程控制基础”课程的知识要点，选择“磁盘驱动器读入系统”和“工作台位置控制系统”为应用工程展示项目。针对线上课程的主要章节，开展控制模型建立，时间响应分析、频率分析、稳定性分析、稳态误差分析，综合校正，根轨迹分析等项目模块制作，在线上进行展示。同时线上设计教学管理模块、学生学习模块、后台管理模块、实时交流模块。授课时结合问题模式和项目模式同时进行，从专业、实验技能、工程实践三位一体对学生进行高素质管理和培养。线上线下平台中工程项目在各章节的展示要点包括控制器设计、分析等。

2.2 基于PBL 翻转课堂模式的具体教学案例实施

为了保证学生有效开展课外自主学习，实施方案包括网络教学视频的制作和网络教学支持平台的开发。课程展示以知识点或技能点项目方式进行，制作教学视频集，每个时长控制在10～15 min 左右，观看视频过程中适时地插入一些交互性练习题和分析，检验学生对课程的掌握程度。采用教学团队亲自录制的“慕课堂SPOC”平台，布置学习任务，便于学生随时学习、提问和交流，有效保证学生个性化和协作化学习。

针对本专业学生的特点，结合课程知识点，课程环节设计了不同级别的项目，并对其进行分析。

教师在网络教学支撑平台上创建项目讨论区，鼓励引导学生对遇到的工程实践疑难问题进行交流。教师按照课程大纲对重点知识点设计特色项目。

实施方案以“系统的性能指标”和“系统校正概述”为代表进行阐述。采用课前、课中和课后三个阶段进行实施，过程融合了基于技能学习和项目学习的核心要素和基本流程，提升学生解决工程实际问题的能力。依据课程应用的内涵，将项目目标贯穿于整个代表性课程目标中。

结合课程的教学大纲，项目组教师进行集体讨论，分解课程内容中关键知识点，以此选择合理的项目，建立相应的课程模块。

在课前，利用申请者录制的SPOC 网络教学支撑平台为学生准备充足的学习资源和任务单。学习者一边学习教学视频，一边查看并解决任务学习单中的问题，并在问题解决中不断质疑、尝试自主探究来解决疑点。教师在线上教学支撑平台上创建讨论区，鼓励并引导学生对学习中遇到的疑难点进行交流，同时积极收集讨论区中所反映的共性问题，以便更好地实施课内项目实践环节。

在课中，解答学生在线上教学视频学习中产生的疑问。对不同难度和类别的项目进行独立探究与协作学习。教学内容的设计方面，包括知识理解与表达（开环与闭环性能指标）、知识理解与表达（时域与频域关系）、知识点延申（滤波器应用分析）部分。

在知识理解与表达中选取了初级的工程案例分析，从指标的理论公式推导，奈奎斯特图、伯德图的图解说明两方面帮助学生理解指标的工程意义，提高对关键知识点、难点问题的授课效率。同时，设计了学生质疑环节，学生上台举例讲解，引导学生进行思考，对实际控制系统带宽选择进行讨论，增加学生对工程实际问题的理解。

此外，设计了课程问答环节，通过绘制奈奎斯特图、伯德图，在不同图形中标识开环剪切频率，回顾以前章节知识，融会贯通。结合工程中“低频、中频、高频”不同频段对控制系统的影响，分别引用3 个工程实例，作为课程环节的中级项目进行分析。同时，与学生进行互动，提出信噪比的定义，对学生日常购买的电子产品进行举例、分析，引导学生考虑实际的产品设计与工程实现问题。

在知识点延伸方面，以低通和高通滤波器为例，详细推导了时域和频域内的数学模型，并回顾了涉及的前面章节知识点，巩固学过的知识点，并以此为基础进一步推导互补滤波器应用。在知识扩展环节中，通过授课教师实际完成的综合类工程类项目对学生进行项目分析。同时讲解项目开发经历、实施过程中处理的关键点等。结合工程中对实践项目过程的有效分解，对涉及的知识点进行分析，积极开展“师生互动”与“生生互动”。

在课后，采集线上与线下平台研究数据，进行统计分析，测评教学效果。具体实施案例时，在“低频、中频、高频”性能影响知识点中引入3 个中级案例，在此过程中，可在课堂与课后布置客观题与主观题，开展线上问卷调查，设置课堂答疑区、课堂交流区、讨论区等，并在课后进行统计分析，统计学生对基于项目学习的翻转课堂模式的看法，对小组间互相评阅组员的子系统项目和大综合项目开展自评与互评，按权重计算出每个学生的不同教学模块的成绩，作为过程考核的一部分，最后进行教学反思，优化教学方案。

2.3 体现综合能力评价的过程考核方式

结合PBL 的特点，对课程设计过程进行考核。采用线上自评、互评、教师评价相结合等方式进行综合性评定，如通过线上SPOC 平台在线讨论单元内容，互动交流，自评与互评，考察学生对知识点的熟悉度和掌握度。在不同阶段，设计集中教学与课外自主学习结合的项目实施评定方法。

3 结束语

在PBL 模式下对原有课程设计内容进行整合，提出了可行的模块化与项目式教学方法。通过线上SPOC 对线下课程进行有力辅助与支撑，结合问题模式和项目模式同时进行授课，克服项目实践学时少的限制，重点对以学生为中心的工程实践项目环节进行设计。课程的实施方案具有一定的普适性和借鉴性，可以对学生进行高素质管理和培养。