以工程思维培养为核心的实践教学体系构建研究*

孙书蕾 陈兴燕

摘  要  机械工程控制基础是机械设计制造及自动化专业非常重要的专业必修课程，然而学生普遍反映学习这门课程比较困难，学完之后不知道该如何应用。以学生工程思维培养为核心，开展“一教学模式，一思维，一工具，一实践”的实践教学体系构建研究。

关键词  机械工程控制基础；工程思维；实践教学体系

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0139-03

0  引言

对于工科学生来说，建立工程思维是很有必要的。工程思维最大的特点就是目的性，即高效率地达到目的，解决问题。相对于工程思维而言，科学思维则是研究事物的发展规律，重视数学的严格证明以及公理化体系等。现代知识生产方式是从人类生产生活中遇到的实际问题出发，具有显著的跨学科、非线性特征[1]。而工程思维就是要运用学到的科学知识快速有效地解决问题，在这个过程中有时候需要大胆创新。对于现实世界而言，优秀的工程师对于世界的贡献不亚于科学家，因为在具体的工程实践中有时间、成本、质量等要求，在具体的过程中会碰到无数的问题，但是工程的特点决定了工程的目的很明确，要快速有效地解决问题。相比较而言，科学研究的目的性就不够明确，因为科学研究是探索，具体的方向是未知的。量子力学的发展很好地说明了科学研究的特点。

工科学生的学习特点明显不同于理科学生的学习特点。理科学生的学习很重视公理化体系的创建，很注重证明以及必要性和充分性的论证。而工科学生的学习显然不同，工科学生很重要的特点之一就是目的性，要解决工程实际中的问题，而不是研究事物的发展规律。比如中学学过的万有引力定律，牛顿看到苹果落到地上发现万有引力，加上牛顿三定律，进而逐步推演出经典力学。可是就算再精通经典的牛顿力学，也不能直接把火箭发射上太空，火箭发射的问题还是要靠工程学来解决。科学研究往往比较单一，就是研究事物的规律和原理，而工程思维的重点则是实战，而且往往涉及很多的知识，错综复杂。理论应用到生活中往往要经过很长一个过程，工程思维就是努力缩短这个过程，最终让理论和生活顺利对接。

1  教学过程面临的主要问题

工程思维是基于科学思维的，指明方向一路推进，最终修建出一条通向正确方向的道路。但是在现行的教学过程中，往往混淆工程思维和科学思维，造成学生学习的混乱。课程现有的教学大纲与教学计划大多是根据所选用的教材和课程知识体系所需要的知识点确定的，并没有考虑教学内容、授课顺序对学生能力培养的关联度和支撑度[2]。目前而言，普遍存在以下几个问题。

1）应试的氛围很浓，学生不知道学习这门课程有什么用，也不会用。对于学到的知识不能够融会贯通，也不能把不同课程有机联系起来。对于偏数学的课程兴趣不大，学习敷衍了事。

2）学生没有建立起工程思维。有的学生对书中的某些知识点有兴趣，于是纠缠于个别知识点，没有大局观，最终不能完成整门课程的建构，也不能运用学到的知识解决问题。

3）理论学习与实践脱节，理论课教师不懂实验，实验课教师也不是很懂理论课，这对于学生的高素质成长是不利的，所以有必要在实践中建立起导向，让学生主动探索与思考，并尝试用自己所学课程知识解决遇到的问题。

应用型工科院校要培养高素质工程型人才，提高学生的动手能力，就是要让学生能够很熟练地设计机电系统，并成功应用于生产实际[3]。

以机械工程控制基础课程教学为例，该课程主要内容是有关经典控制论的基础知识，因此在教学中主要建立的是工程思维，是工程控制论思维。应用技术型人才的核心是“用”，本质是学以致用[4]。

数学中复变函数与积分变换是该门课程的数学基础，教学内容包括系统的时域分析、频域分析、根轨迹以及综合与校正等章节，一环扣一环、皆有联系，教学量大、课程紧张。从教学实践来看，学生能够掌握具体的知识点，比如系统的时域分析、频域分析、根轨迹等，但是对于应用性很强的综合与校正则完全不能掌握，无法编写程序。但是如果学生只会做题，不能对系统进行综合与校正，就是简单地学习了几个知识点，对于如何构建一个控制系统，如何调整系统的快速性、稳定性和准确性，则完全不会，这于工科学生的培养来说是不利的。

总的来说，机械工程控制基础涉及的控制、系统、反馈等思想对学生将来的发展大有裨益，但学生对该课程接受程度不高，难以完全发挥课程对工科学生的教育培养作用。

2  教学改革内容

2.1  改变传统的教学模式

以建立学生的工程控制思维为核心的实践教学体系可以极大地调动学生学习的积极性和创造性，让学生真正掌握这门课，建立工程控制思维，能够应用控制论的知识，而不是只追求考试及格。因此，可以做一些大胆的教学改革，如图1所示。比如变被动学习为主动学习，充分调动学生的学习积极性，让学生通过学习和比赛能够更好地掌握一项专业技能[5]。再比如：引入MATLAB及其工具箱Simulink等，让学生通过一些简单的仿真练习逐渐不再恐惧数学公式的推导；构建符合实际工程需求的教学体系，而不是仅限于教材的教学，工程控制论思维的建立贯穿教学始终；结合项目训练，积极引导学生参与项目，提升学生自我更新知识的能力和团队交流能力。

2.2  培养工科学生的工程控制思维

以机械工程控制基础为例，在现阶段的本科教学过程中始终贯穿工程控制思维培养这一主线，凡设有控制基础或自动控制原理课程或其他理论与实践结合比较紧密的课程，均可以建立类似的工程思维实践教学体系。工程思维的建立和实践教学体系的构建，可以围绕“一教学模式，一思维，一工具，一实践”进行研究。

2.2.1  新的课堂教学模式

全面推行项目驱动教学法，通过精选案例、分解任务、讲练有机融合，将相关知识点融入项目。通过项目实现以及动画演示、趣味教学等方法，学生能够积极参与整个教学过程，体现“以学生为中心，教师为主导”的教学思想。在每次课的课堂教学过程中，采用“感知与联想—引入与模拟—实战演习—总结提高”模式，实现分层次教学。

在课堂讲授中，对于每个章节可以适当适时添加课程思政内容，培养学生对专业的认同感，明白知识来源于生活实际，让学生善于观察生活、热爱生活，激发创新意识，培养坚韧不拔的科学探索精神。让学生了解钱学森对控制论建立所作出的贡献并学习钱学森的爱国精神。

2.2.2  建立控制论思维

积极引导学生参加学院、学校、国家及各层次举办的创新创业类项目或各类比赛项目，这些项目的开展可以极大调动学生主动学习控制论的积极性，教师也可以在此时讲解控制论知识，让学生建立起反馈、控制等控制论思维。

2.2.3  利用MATLAB模拟仿真开展综合实验，贯穿整个课堂

由于机械工程控制基础课程是理论与实践相结合的课程，许多高校开设时域特性分析、频域特性分析等相关基础实验，加深学生理解知识点的同时增强学生的动手能力。但是，一些复杂的、系统性较强的综合性实验受到硬件设备条件的限制，难以开展。经典控制论的课堂教学中，可以充分利用MATLAB进行讲解，极大地调动学生的学习积极性，有利于加强学生对数学知识的理解。

2.2.4  开展工程训练

以工程教育为依托，对于学生学习成绩的判定，可以增加工程训练的内容。具体在机械工程控制基础课程中，可以依托综合与校正的章节，让每个学生建立一个控制系统，达到要求的准确性、稳定性、快速性。应用MATLAB编程调整参数和绘图，工程训练的成绩按照比例计入期末成绩。工程实践创新项目的开发要按照学生的认知规律、学习规律来进行，同时项目设计要按从易到难的顺序进行[6]。

3  结论

教学是教师和学生之间联系的重要纽带，教学内容既要包含该课程的基本理论知识，也要符合专业培养的目标与原则。因此，有必要针对目前教学存在的问题，建立起学生的工程思维。控制论的讲授本身是偏数学的，但是通过教学模式的改变，课程思政内容的添加，充分调动学生的学习积极性，以“一教学模式，一思维，一工具，一实践”这种新的教学模式开展教学，最终建立起学生的工程思维，提高学生综合能力。

参考文献

[1] 连海山，弓满锋，夏小群，等.“机械工程控制基础”课程的创客教育改革探索：以岭南师范学院为例[J].教育教学论坛，2021（33）：93-96.

[2] 周振华，陈耿彪，曹太山.工程教育专业认证背景下机械类“机械控制工程基础”课程教学改革研究[J].教书育人（高教论坛），2017（15）：82-83.

[3] 张超，谭心，钟金豹.基于卓越工程师教育计划的《机械工程控制基础》课程改革[J].包头职业技术学院学报，2017，18（1）：74-76.

[4] 尚伟燕，刘淑珍，王学锋，等.机械工程专业设计类课程体验式课堂教学改革研究[J].教育现代化，2017，4（1）：51-52，65.

[5] 吴涛.工程教育背景下控制工程基础课程建设与改革[J].教育教学论坛，2019（24）：80-82.

[6] 李建雄，文婷.工程实践创新项目教学模式实施中存在的问题与对策[J].职业技术教育，2019，40（29）：40-42.

*项目来源：2020年贵州省教育科学规划课题“以工程思维培养为核心的实践教学体系构建研究——以《机械工程控制基础》为例”（项目编号：2020B137）；贵州理工学院混合教改课程“机械工程控制基础”。

作者：孙书蕾，贵州理工学机械工程学院，副教授，研究方向控制论、机械动力学；陈兴燕，贵州理工学机械工程学院，讲师，主要从事课堂教学研究（550003）。