控制学科留学生核心专业课程的教学改革探索

薛文涛， 王玉龙， 张永韡， 朱志宇

(江苏科技大学 电子信息学院， 江苏 镇江212003)

0 引言

随着经济全球化进程的加快，知识经济迅猛发展，教育国际化已成为高等教育发展的一种必然趋势[1]。作为教育国际化的重要标志，外国留学生教育越来越受到世界各国的重视。为了加强中外教育交流与合作，提高江苏教育的国际化水平，江苏省教育厅在2014年制定了“留学江苏行动计划”，确定扩大招收外国留学生，至2020年在江苏就读的各类外国留学生将达到5万人。因此，借鉴国内、外著名大学的办学理念和管理模式，不断丰富“留学江苏”品牌内涵，推动留学生教学模式的创新，对提升江苏教育的国际影响力和竞争力有重要意义。

留学生的培养质量问题是留学生教育的核心问题，而教学工作则是留学生培养工作中的重中之重[2]。针对留学生的特点，一些文献就留学生课程的教学进行了总结和反思，并在此基础上提出了不少提高留学生课程质量的措施[3～5]。但是，目前针对留学生的核心专业课程进行教学改革的文献还比较少。本文从应用型人才培养出发，通过“教”和“学”两个角度分析留学生教学中存在的问题，根据核心专业课程教学的实际情况和留学生自身特点，整合与优化核心专业课程的教学内容，改革留学生的教学方法与教学手段，激发留学生的学习积极性，逐步培养他们运用知识的能力，进一步提高留学生的教学质量。

1 控制学科核心课程教学现状

我校是以船舶行业为依托的高等学府，一直重视国际教育交流和国际化办学，每年投入大量资金用于拓展中外合作办学规模和提高留学生教学质量，被江苏省确定为“留学江苏目标学校”，其中中澳合作办学项目入选“江苏高校中外合作办学高水平示范性建设工程”。电子信息学院是工科留学生就读比较集中的学院，所属的控制学科因在船舶自动化领域诸多方面有深厚的积淀和鲜明的特色而备受广大留学生的青睐。学科主要面向先进控制理论及应用、智能电气与系统、现代集成控制技术和船舶运动控制及动力定位等研究方向。作为专业方向的理论基础，核心专业课程定位于培养留学生掌握控制论的基础理论和系统的专业知识，具备系统分析、建模、设计和仿真等方面的基本能力。在课程内容组织上，打破传统的课程知识体系逻辑架构，根据当前控制理论和技术的发展与应用实际，梳理专业核心知识点，以船舶与海洋工程自动化装备典型工程案例为主线，串连相关专业知识点，设计了“先进控制理论及应用”、“机器人传感与控制”和“船舶综合控制系统”等控制专业课程模块，重构了部分课程教学内容，搭建起“行业需求引领，多元协同、行业资源共享”的解决复杂工程问题能力培养的模块化课程体系。通过学习，留学生可掌握现代控制技术的基本研究方法、概念和原理，并能够运用所学有关基本理论解决一些生产实践中的实际问题。

为了保证全英文教学的质量，师资队伍要求由理论教学或实验教学一线工作且在国外留学或外访超过一年的教师们组成。由于他们有着丰富的教学和科研经验，与国内外相关领域的众多专家学者有密切的联系，因而能及时了解控制领域前沿发展的最新动态，进而灵活运用到教学当中。教材选用国外原版教材，例如线性系统理论选用Katsuhiko Ogata编著的“Linear System Theory”，最优控制选用Desineni Subbaram Naidu 编著的“Optimal Control Systems”。课堂教学采取英文课件与板书结合，并引入Matlab和Modelica 仿真等措施改善教学效果。学校向留学生开放常规控制实验室和船舶特色专业实验室，为他们提供教学实验和学科研究平台，一方面与理论课程学习配套，加深他们对专业知识的理解；另一方面留学生在导师的指导下参与课题研究，提高工程实践能力和创新能力。

2 留学生课程教学存在的问题

我校的留学生大多数来自中亚和非洲地区，由于教育环境、文化传统和宗教信仰等不同，导致他们和国内学生在知识结构、思考方式和行为规范上存在较大的差异。尽管我校根据美国佛罗里达国际大学工程类专业的培养方案制定了留学生的培养计划，但高层次外国留学生培养还缺乏成熟的国际教育经验，在教学实践中发现了不少问题。

2.1 留学生专业基础薄弱

本专业外国留学生主要来自巴基斯坦、孟加拉国、喀麦隆和加纳等发展中国家。由于教育目标和背景不同，其课程设计、教学内容和教学层次上与中国有较大差别，留学生大学阶段掌握的专业知识和技能普遍低于中国学生，主要表现为数学知识和计算能力较差。加之我校录取留学生的方式为申请审核制，入学要求比国内相对宽松，由于缺乏一套科学有效的选拔机制，使得留学生的入学门槛相对较低，录取的留学生也良莠不齐，甚至个别留学生缺少必要的控制理论知识，这给教学带来了一定的难度。

2.2 教学模式形成留学生学习障碍

教育背景和社会文化的差异导致了留学生的思维方式和价值观念与中国学生不同，他们普遍表现欲强烈，敢于发表自己的观点，更有质疑权威的勇气[6]。而国内传统式教育注重理论，强调权威和服从，因此中国课堂的讲授式、解说式教学往往与留学生追求个性化和讨论式学习格格不入，这是其一。控制专业课程大多对数学要求较高，内容复杂多样且难于理解，这使得留学生很容易产生畏难心理、抵触逃避等情绪，再加上他们本身自控力差，从而造成学习散漫、课堂的积极性较差，这是其二[7]。国内课程考核方式多以卷面笔试为主，只注重标准答案，这与留学生在国外教育中强调独立思考、鼓励自由探索等存在一定差异，在一定程度上也影响留学生专业学习的适应性[8]。这些都成为留学生的学习障碍。

2.3 课程的实践环节有待加强

目前，控制学科所属学院专门针对留学生开设的课程实验和综合技能实训的数量及其占比还较低，一些特色实验室和自制实验装置提供的资料还不能满足英文教学的需求。另一方面，留学生无论在学习能力还是对一些设备仪器的熟悉程度都与国内学生有差距，而且实验教师很难做到课堂教学和实验教学的无缝对接，这些因素都大大影响了实践环节的教学效果。

3 全英文教学研究与实践

针对我校控制学科留学生教学存在的问题，结合留学生的文化背景和学习水平，我们从课程体系、教学内容、教学策略和实践教学等几个方面进行了有益的探索，以跨文化交流能力、分析能力和实践能力三大核心能力培养为目标，将形成综合能力的关键要素纳入必修教学环节，同步推动教育教学改革和管理机制的创新，构造多方式、多渠道、多方协同的能力培养体系，如图1所示。

图1 控制学科留学生能力培养体系

3.1 整合核心课程，优化课程体系内容

控制学科留学生教育的核心课程“线性系统理论”和“系统工程”都是从系统的角度分析和处理问题，而“最优控制”和“智能控制”都是采取不同的控制手段，去解决复杂系统的控制问题。它们之间既有各自的特点和独立性，又有不可分割的内在联系。因此，核心课程群以“控制和系统”为主线建立课程体系，强调课程之间的知识联系及完整性，重视理论知识的针对性和实用性，尽量减少课程之间内容重复与实际脱节的问题，增加研究性实验来帮助留学生巩固所学理论知识，并培养学生动手能力。例如整合“线性系统理论”和“系统工程”两门课的教学内容，增加“线性系统理论”中非线性系统描述以及线性化策略的内容，减少“系统工程”中的系统描述方法和基于模型的反馈控制设计的理论学时，引入船舶可调螺距螺旋桨控制系统设计实验。我们通过压缩枯燥难懂的理论部分，合理组织各课程的学时分配，使得教学内容在广度和深度上更有利于留学生学习。

3.2 结合学科特色，注重理论联系实际

由于留学生的数学基础和逻辑思维能力较差，即使课堂上补充一些数学知识，但由于课时限制和学生的理解力，教学速度和教学效果还是大打折扣，而举实例能使较难理解的理论通俗易懂，并讲明知识如何在实际中应用。因此，教学从学以致用出发，以突出理论的物理概念及工程背景、淡化数学证明为原则，强调各知识点的联系与应用渠道，通过实际系统范例，提供解决问题的方法和思路[9]。例如，我们在讲解“线性系统理论”的状态系统综合的极点配置时，从控制目标和实际需求的分析入手，逐渐深入到状态配置的本质和常规控制系统的设计方法，用船舶航向控制器设计实例建立起船舶工程中的实际控制问题与线性系统理论的关联。我们通过船舶系统将各章孤立的知识点有机串联起来，有利于留学生系统地学习，并培养其知识应用能力和创新意识。

3.3 多渠道培养留学生的学习兴趣

国外教育体系的电气或自动化专业大多归属于工程类，培养的侧重点或者研究重点与中国大相径庭，留学生掌握的有关控制理论的知识储备相对较少，特别对逻辑性强的知识理解困难。因此，在不降低教学目标的情况下，教学中注重拓宽知识的广度，不刻意追求专业领域的深度，尽量降低学习难度，调动留学生学习的积极性。一方面在课堂上多讲解知识的实用性和新颖性。利用国际开放教学资源，通过视频和文献介绍当代控制技术的前沿和热点，如人工智能、无人驾驶和四旋翼飞行器等，把枯燥的知识转变成有趣味元素的知识，丰富留学生的学术视野。另一方面结合教师的科研项目展现更多的控制技术的新应用。例如基于研究项目“面向海洋工程水下结构检测与清污的新型ROV导航与控制研究”，结合“状态反馈和线性二次型调节器”来讲述如何设计动力系统和控制器实现水下机器人的升沉、进退、转艏和纵摇运动。通过课程知识与科研应用相结合，加深了留学生对相关控制知识的理解，促使他们以多学科的视角来学习和思考所学课程，有利于激发学生的学习兴趣，引导他们向专业方向发展。

3.4 营造“吸引—协作—激励”的学习环境

在教学实践中，我们发现留学生活泼外向、散漫无羁，喜欢课堂上小声说话，这些因素虽然使留学生的课堂纪律较差，但他们思想活跃，在教学中参与度较高的优点应予以鼓励。我们通过合理安排教学材料，设计问题情境循循善诱，增加留学生参与教学的机会，不断培养、激发他们的学习热情。因此，在多种教学资源平台下，建立学生主动学习激励机制，促使每个学生参与教学的各个环节，营造一种基于问题、基于创造性知识传播的学习环境，引导他们自主探索、相互合作，形成人人参与、创先争优的氛围。

在“最优控制”的课堂中，教师给出经典的和学生容易接受的控制问题，如生产计划问题、飞船月球登陆问题等，不断增强学生的问题意识，挖掘和调动学生内在潜能。然后根据一些实际项目如“自主式水面环境监测艇”提出最优控制问题，利用船舶特色实验平台，引导学生将实际优化设计问题表示为抽象的数学模型，并找出问题中必须满足的约束条件和需优化的性能指标；学院提供课程网络资源平台，为留学生提供个性化学习空间和灵活的学习模式，帮助留学生查阅资料和相互交流；课堂研讨也是课程教学的一种形式，留学生以小组为单位开展学习活动，提出优化问题的解决方案，并与教师讨论方案的合理性，通过课程学习PPT宣讲与其它小组分享各自的研究成果。学生从自评、互评和教师评价中获得灵感，不断修正自己的方案，从而获得专业技能的提升。

3.5 加强教学实践环节

考虑到留学生的实验基础比较薄弱，很难自觉地将所学的理论知识与实验结合起来，除了实验资料满足英文教学的需求，在实验计划制定过程中还需注重实践方案的整体化设计，强调实用性和趣味性。例如“智能控制”课中的可调桨推进系统特色实验，利用智能PID设计控制器实现螺距角和船速的控制。首先借助虚拟的实际系统进行动画演示，以及实验操作视频对实验进行讲解与介绍，加深学生对实验背景知识的理解；然后结合实际系统，确定调距桨装置的数学模型，指导学生独立地选择控制方案，分步进行控制单元设计、参数计算等。

为了解决留学生参与实践活动少的问题，有步骤、有计划地让留学生参与科研活动，鼓励他们与国内硕士生团队合作，推动留学生融入课题组参与科研项目；有针对性地带领留学生参观船厂，了解目前造船技术的发展，并学习电气系统和控制技术在船舶上的应用。通过将课堂转移到实验室，从实验室转移到工业生产，学生不再感到理论知识枯燥无味，克服了理论与实际脱节的现象，在新的场所中不断拓宽专业知识面，增强学习能力和创新意识，从而提高解决实际问题的能力和效率。

3.6 建立综合性的评价和反馈机制

留学生的基础教育和知识水平参差不齐，而且考试也不是他们的强项，如果单单以理论考试作为评价指标，不重视学习活动的过程考核，很难检验出他们的学习效果。因此，评价方式从单一考试的“总结性评价”改为多元的“过程评价”。评价内容除了理论知识的常规考核外，还加强了实践能力和创新能力的考核。对于留学生的考核方式采用综合性考评，期末考试跟据课程的理论性要求从70%降到50%或40%，如“系统工程”课程总成绩=期末考试(40%)+实践考核(20%)+平时成绩(20%)+课程论文(20%)。重在理解和应用的课程， 更多侧重于实践和课程论文。其中，实践考核根据实验或实践活动评估，包括完成度、完成质量、创新情况、解决问题能力、项目报告等多个方面评定；平时成绩根据学生的出勤、课堂参与度和课程学习PPT宣讲等各环节由指导教师和学生小组共同评定；课程论文成绩根据报告的学术水平、应用价值和创新性等进行评定。这种考评机制重视学生在课程学习中的参与和积累过程，而且平衡了理论知识的考试和知识应用能力的考核，有助于合理地评价学生的学习状况，引导学生发现自己的优势与不足，在今后的学习中不断自我完善。

构建科学的教学评价反馈机制，有助于课程教学的质量监控，及时发现教学过程中存在的问题[10]。课程每两周安排一次两个小时的答疑，任课教师平时和学生通过电子邮件联系，及时解决学生的疑难问题。留学生通过学校在线课程开放平台、QQ 学习群和微信等，进行有效的师生互动和线上线下互动。学院每学期都组织任课教师和留学生召开座谈会，并定期邀请校外专家随堂听课，通过教学督导、现场教学指导和留学生评教等多种形式反馈教学信息，形成“评价—反馈—改进—再评价”的闭环回路，不断地推动教师业务水平的提升和教学方法的改进，从而提高课堂的教学质量。

4 结语

留学生教育是高校走向教育国际化的一个窗口，近年来我校的留学生数量激增，由最初十几人到现在近四百人，如何提升学校教育国际化的水平，实现由“量”到“质”的突破，由“外延发展”向“内涵发展”的转变是我们目前亟待解决的问题，而控制学科留学生核心专业课程的教学改革正是我们进行的有益探索。通过这次教学改革和实践，留学生对专业课程的学习热情高涨，课程的教学质量和教学效果都得到了提高。2016届留学毕业生对学院的满意度达到95%，有70%的毕业生愿意向亲友和他人推荐我校；留学毕业生对教学活动的总体满意度为93%，对任课教师各方面的满意度均在91%以上。

教学改革的实施对学科建设也起到了促进作用，留学生教学团队近年来建设了“现代控制理论”、“最优控制”和“线性系统理论”等本科和研究生精品课程，完成10多项江苏省和江苏科技大学教学改革与教学研究项目，其中“线性系统理论”课程成功入选 2015年江苏省外国留学生英文授课精品课程，“最优控制”获得2016年江苏省外国留学生英文授课培育课程，“现代控制理论”获得2017年度江苏省高校在线开放课程。实践证明教学改革提高了留学生课程的教学品质，促进了学科的发展和留学生的培养质量，推动了学校国际化教学、研究和服务能力的提升。