打造控制科学与工程学科深度学习课堂的探索

华侨大学信息科学与工程学院 福建厦门 361021

控制科学与工程是研究控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科，以控制论、系统论、信息论为基础，研究各应用领域内的共性问题，即为了实现控制目标，应如何建立系统的模型，分析其内部与环境信息，采取何种控制与决策行为[1]；而与各应用领域的密切结合，又形成了控制工程课程丰富多样的内容。控制科学的发展又是智能制造、大数据发展的基础和必要环节，面对智能工厂、大数据社会的需求，作为工科研究生教育的重要学科，控制科学与工程专业肩负着培养具有批判性思维、解决复杂工程问题的卓越科研人才的重任[2-4]，以确保后继为社会输送高端科技人才。尽管高校课堂教学改革一直在进行，但是控制科学与工程学科的课堂教学改革仍显不足，存在课堂教学模式仍然过于死板、机械授课居多、授课知识面不够广泛、教学改革结果评价不足等问题，因此坚持持久改革过程，打造深度学习的课堂仍值得探索[5,6]。

1 学科特征分析

控制科学与工程学科特征如图1所示，该学科是20世纪最重要的科学理论和成就之一，其各阶段的理论发展及技术进步都与生产和社会实践需求密切相关，且任何时候都需要与时俱进。面对当今智能工厂、大数据等的社会需求，控制科学的发展又成为智能制造、大数据系统发展的基础和必要环节。控制科学以控制论、信息论、系统论为基础，研究各领域内不同具体对象的共性问题，然而它又无法脱离分析对象与环境信息[6]，这就必然要求将其融于不同领域的多种学科，从而对相关学科的发展起到有力的推动作用，并在学科交叉与渗透中表现出活力。面对与时俱进的社会需求、工程教育模式和实践教育改革的发展现状，控制科学与工程以智能制造、智能工厂、机器人等领域为轴心的课程体系优化值得探讨，以此为基础的深度学习的课堂值得探索，用以保证课程的时效性、衔接和递进关系，保证理论课、实践课均与学生的思考、创新相结合。学科的课堂学习秉承高校“全员育人”“全过程育人”的教育理念，顺应“中国制造2025”“人工智能”、物理信息系统和机器人等国家发展战略和本学科热点动向，逐步建立深度学习的课堂。

图1 学科特征

学科的课程建设情况要符合国家行业发展需求和地域特色，满足工程应用背景，以便工作开展。以华侨大学为例：面向国家发展战略、海峡西岸经济区、厦门经济社会发展，针对东南沿海特点，精心设计培养方案和课程结构，与许多名校一样在传统的控制科学课程体系中，引入机器人学、智能控制导论等课程。并完善奖助、管理、制度等培养保障体系，将学科研究、人才培养与染整、石材、电机、鞋帽和机械等行业需求紧密结合，在导师队伍专长的离散事件动态、随机滤波、容错控制、非线性系统等方面提炼研究行业的共性技术难题，培养研究生的理论和工程实践能力。

2 深度学习课堂的特征 控制科学与工程培养目标

控制科学与工程学科的培养目标即体现为深度学习课堂教学应有的特征，也是深度学习课堂模式的转变(如图2所示)。由单纯的知性培养向综合的人格培养转变；由教师的讲授向学生的主动学习转变；由重视结果向重视过程转变；由重视原有学术知识的继承向创新转变。叶圣陶先生说：“教师之为教，不在全盘授予，而在相机诱导。”课堂以学生为主导、教师引导的模式开展，且教学模式是动态变化的，要培养学生具有设计、分析、实践、评价、创新的高阶思维。

图2 深度学习课堂的特征

人格培养体现为学术素养和道德素养培养，是对研究者进行学术研究时内在的规范和要求，是研究者在学术研讨过程中所表现出来的综合品质。学术素养和道德素养包括学术意识、学术知识、创新精神、严谨为学等诸方面的综合人格体现。

学术意识包括严谨务实、敢于提出问题和对学术问题的敏感性和批判性，也就是问题意识、主动学习意识。雨果曾说“人的智慧掌握着三把钥匙，一把开启数字，一把开启字母，一把开启音符。知识、思想、幻想就在其中”。该学科学生只有掌握了“非线性系统”“鲁棒控制”“最优化”等控制理论，并对智能体、航天器、智能电厂等对象和环境信息带有强烈的探究心，再辅以大胆的头脑风暴想象和创新思维，对学术研究保持浓厚的兴趣，才会随时在学习和研究中发现问题，进而努力去解决问题，并有所收获。

控制论、信息论、系统论等学术知识是学生在系统学习控制专业知识和学术研究过程中经过思维加工后形成的专业知识体系，丰富的知识积累是学术研究的基础。当知识积累到一定程度，各种知识之间会产生新的联系，从而形成新的思想与观念，思维也会随之开阔。因而在学习过程中思考、探究、解决问题更能体现出知识的逻辑传递过程，其中的研讨法、自主学习法、活动体验法等都可以充分发挥学生的主动性，并让学习过程更活泼地得以体现。

创新精神是研究生在努力学习本学科和相关研究方向的基础理论和系统的专业知识基础上，做到融会贯通、学以致用，并勇于开拓，运用创新思维提出新方法、新观点以及新理论，学会高阶的思维方式。给学生留有创新的空间和时间，在加强传统优势特色研究方向的基础上，围绕国家重大战略需求和地方经济社会需要，进一步开拓新的研究方向，促进学科交叉融合和集成发展，鼓励学生参加创新项目、创新团队、会议交流、研讨会交流等活动课堂，在拓展其思维的基础上实现创新。

3 深度学习课堂的教学模式是控制科学与工程必备教学模式

由于控制科学与工程学科并不隶属于某一行业，作为一门学科，它总结归纳了大自然中普遍存在的规律，因此结合控制科学与工程专业的学科特点，满足国家发展战略，利用地域产业优势，构建多样灵活的课堂教学模式势在必行。如华侨大学在知识体系授课中，即将染整、石材、电机、鞋帽和机械等行业对象融入课堂教学模式中(如图3所示)。在讲授、翻转式教学、微课堂、慕课、研讨等过程中，将分析对象预设成与教学内容相关的一个个主题系列，通过一系列将具体研究对象与教学内容紧密联系的问题设计，引导学生在现象和本质的统一中进行探究，培养学生对理论内容研究的兴趣、科学的理性精神、强烈的创新意识和较强的科研学习、参与意识及能力。

图 3 深度学习课堂的教学模式

根据不同高校的发展方向和特色以及地域行业特色，结合机械工程学科、电气工程学科、计算机学科、数学学科等交叉学科，共同构建控制科学与工程学科的课程体系，开设机器人学、电机与拖动、矩阵论等相关学科课程，实现深度学习的课堂，设立特色课堂主题，如“机器人故障诊断”“机器人轨迹规划”“电机自抗扰控制”等主题，让学生主动设计、分析、实践、评价、创新，从而避免学生的主体地位流于形式。

学科发展要遵循陶行知先生的“要活的书，不要死的书；要真的书，不要假的书；要动的书，不要静的书；要用的书，不要读的书。”总体而言，要以生活为中心的教学做指导，不要以文字为中心的教科书思想，把控制科学与工程学科学的理论和实践结合，基于项目驱动实现课堂教学，并请企业专家临场授课，以及走入企业学习实践。真正将机械臂建模、工厂建模、化工过程建模、机床建模，优化与决策理论应用、控制理论应用、检测理论应用、计算机语言应用在实际系统上得以实践、理解。

苏霍姆林斯基说“只有让学生不把全部时间都用在学习上，而留下许多自由支配的时间，他才能顺利地学习……”这是教育过程的逻辑。教师亦遵循这个逻辑，给学生灌输活动课堂的思想，推动他们参与交流、会议、社会活动等，懂得并有意识地自己支配时间，主动达成目标。

4 教学评价机制

教学评价机制起到课堂教学的反馈效果(如图4所示)，其目的为：一是掌握学生的学习动态，二是了解教学质量，三是更好地激励和鞭策学生学习，四是对应社会需求变化深度学习课堂的再调整。特别是控制学科，与时俱进、学科交叉性、工程实践需求特性明显，为了更好地实现这些目的，要努力提高课堂教学效果，从而提高学科质量。

学科评价机制需做到以下几点。

(1)综合评价机制。综合评价机制涵盖知识体系和综合素质评价，结合深度学习课堂的教学，遵循发展性、及时性、差异性、激励性、连续性、整体性等原则，按照人格评价、课程评价、成果评价、活动课堂评价等完成综合评价。

(2)多样化评价形式。发展的社会带来的是多样化的人格需求，已经不再是单纯的理论课分数评价的时代。教学活动参与、科研活动参与、学校和社会活动参与、成果体现均可以作为评价指标，而评价形式又有所不同，构建多角形评价体系，从而评价学生的综合人格以及课堂的教学效果。

(3)多元化评价主体。导师评价、研究生秘书评价：从教师的视角进行知识体系和学术素养的客观评价；并充分利用身边资源，收集多方材料，将指导教师、任课教师、学生评价等汇总评价。

学生互评、自我评价：从学生视角自我认识、自我反省，体现真实自我；便于监督、对比，更清楚地认识自我。

控制科学与工程学科中以上评价机制以专业课人工智能、模式识别课堂为例，可以以课堂讨论为参与形式评价，以工业对象选题、仿真和实验为实践评价，以课程论文为写作形式评价，以小论文、计算机软件著作权、专利和发表等进行成果评价，以共同任务的分工合作情况进行团队协作评价，再汇集创新性评价等形成最终综合评价体系。学生就业后，对其1～2年的单位员工考核评价进行收集，亦可作为回馈信息辅助课堂改革。

图4 教学评价机制

5 结语

控制科学与工程课堂改革的终极目标是为了社会科技需求发展和每名学生的发展，改革包括道德、能力、个性、信念、知识、实践等多方面。经过深度学习的课堂对学生进行培养，利用评价反馈机制，对控制科学与工程学科课堂教学进行动态改变，进行适应社会需求的教学反思和各学科协作反思，形成控制论中的“闭环改革”机制。随着智能、大数据社会需求的不断变化，该过程并非一朝一夕就可完成，要经过长年的培养过程、评价机制、深度课堂自适应调整，最终让课堂教学变成真正的深度学习课堂。