航海类专业研究生课程数字化教学改革与探索——以现代控制理论课程为例

单麒赫，俞菲斐，滕菲，肖仲明，于仁海

（1.大连海事大学 航海学院，辽宁大连 116026；2.大连海事大学 船舶电气工程学院，辽宁大连 116026）

近年来，随着信息化建设的发展，数字技术不断加快向教育领域全方位融入。从2012 年3 月教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》[1]，到2018 年4 月教育部印发《教育信息化2.0 行动计划》[2]，到2021 年7 月教育部等六部门印发《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》[3]，再到2022 年2 月教育部发布的《教育部2022年工作要点》[4]明确提出“实施教育数字化战略行动”，教育数字化转型、智能升级、融合创新驶入快车道。2022 年10 月，党的二十大召开，首次将“推进教育数字化”写进二十大报告，标志着教育数字化正式成为国家教育改革发展的战略部署，为高校网信工作者进一步做好新时代高校科技创新和教育数字化支撑工作，指明了前进方向、提供了根本遵循[5]。

随着数字化成为推进高等教育高质量、可持续发展的战略支撑和必然趋势，我国顺应高等教育数字化发展大势，重视总体规划的超前性、主动性、科学性，开展了一系列的有益探索与积极实践[6-8]。中国慕课自2013 年起步，经过10 年探索与实践，建设数量和应用规模均居世界第一[9]。以慕课为抓手，我国陆续构建了在线教育数字化政策支持体系，建设了国家智慧教育平台，深入推进“慕课西部行计划”，持续推动信息技术与教育教学深度融合[10]。我国连续三年举办世界慕课与在线教育大会，发起成立世界慕课与在线教育联盟[11-13]，搭建慕课与在线国际交流合作新机制、新平台，为世界高等教育数字化发展贡献了中国经验、中国方案。随着慕课平台的不断壮大和数字化发展不断深入推进，高等教育课堂正在重构，线上线下教学模式相互融合，催生出高等教育教学数字化新常态。

与此同时，工程教育改革创新方兴未艾。2017 年，教育部先后在复旦大学和天津大学召开研讨会，达成了“新工科建设复旦共识”[14]，发布了新工科建设行动路线（“天大行动”）[15]，提出要探索建立工科发展新范式。智能船舶作为《中国制造2025》重点发展领域之一，已成为船舶工程界科技创新的前沿课题。而航海类专业研究生是高层次工科人才，是未来智能船舶技术产业发展的中坚力量，如何使其具备成长为卓越工程师的创新能力和专业素质，是新工科建设亟待解决的重要问题之一[16-17]。

当前，航海类专业研究生培养过程中普遍存在理论与实践联系不紧密的现象，课程建设中脱离航海特色，过多地强调理论知识，这使得部分研究生课堂学习与实践应用脱节，无法很好地适应新时期航海类职业需求。随着新工科建设工作的逐步推进，面向航海类专业研究生的课程教学应以有效学习为中心，旨在引导研究生学习有用的知识，强化理论知识的应用实践。然而，现有的课程考核方式多以研究生的出勤情况和期末成绩为评价指标，考试内容过于依附教材，弱化了对研究生实践应用能力的评价。要实现应用型工程人才培养目标，还需设计科学的、可操作的课程考核评价指标体系，评价中要关注航海类专业研究生对知识的实际掌握应用情况，使教学工作的重点真正落实到研究生创新创造能力的培养上。因此，随着高等教育模式的调整，航海类高校应当在教育教学中关注如何结合航海类专业特色，构建新工科背景下研究生专业课程体系，以适应航海类新工科人才培养目标。

综上，在高等教育数字化和新工科建设的背景下，航海类专业研究生课程教学亟须在政策引导下作出调整与改革。本文以航海类专业研究生现代控制理论课程为例，通过对目前课程教学现状的分析，尝试从授课方式、教学内容、实验教学和课程考核评价方面进行教学改革，全面提升数字化课堂教学水平和航海类新工科人才培养质量。

1 现代控制理论研究生课程教学现状

现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的主要组成部分。它所包含的学科内容十分广泛，主要有：线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和自适应控制理论。

现代控制理论课程是航海学院交通信息工程及控制、航海科学与技术专业研究生阶段的核心课程，具有理论性强、内容宽泛、应用发展迅速等特点。目前，大连海事大学航海学院硕士/博士现代控制理论课程安排32 课时，于研究生第一学年上半学期进行授课。课程的主要内容有：线性系统的状态空间描述、线性系统的运动分析、线性系统的可控性和可观测性、系统稳定性分析以及线性反馈系统的时间域综合。课程采用了以理论教学和课堂讲授为主的授课方式。

与很多研究生基础课程一样，现代控制理论课程教学也存在以下问题：

1.1 线下教学方式存在局限性

一方面，新工科建设对航海类人才培养提出了更高的要求，传统的线下教学模式提供的教学资源有限，在为航海类专业研究生拓宽行业视野和了解新兴技术方面稍显乏力。另一方面，教师在对现代控制理论课程进行单一的线下教学时发现，由于信息化教学在线下课堂的可应用性有限，使得课程教学设计较为单薄，课堂氛围略显严肃，在复杂烦琐的理论教学环节对学生的专注程度要求较高，难以保证教学效率。同时，由于课堂教学内容较多，部分非航海类专业出身的研究生专业基础薄弱，难以确保其对所有课程教学内容完全吸收理解。因此，在高等教育数字化转型背景下，现代控制理论课程线上教学体系构建成为必然。

1.2 课程教学内容设置缺乏科学合理性

现代控制理论课程面向航海学院交通信息工程及控制、航海科学与技术专业的研究生授课时，在教学内容的设置上，与航海类新工科人才培养所需要的知识结构契合度不高，科学合理性有待提高。智能船舶是航海新工科重要的发展方向，船舶控制理论在现代控制理论课程中的重要性也愈发凸显。面对未来发展方向，大多集中于航海领域相关行业的研究生群体，在制定课程教学内容时，应当紧密结合航海类专业特色与航海类专业研究生发展特点，突出海上控制相关理论教学。然而目前的教学内容设置主要偏重于线性控制系统的理论与分析方法的讲解，理论性强，但教材略显单一，没有很好地结合航海领域的相关控制问题与前沿控制理论，使研究生通过课程学习掌握的知识与实际应用脱节。

1.3 实验教学内容与方式较为落后

现有的现代控制理论课程在理论与实践教学上难以形成闭环，对研究生工程知识的应用能力培养不足，与基于新工科背景下的航海专业人才培养要求存在一定的差距。实验内容设置较为陈旧，还停留在单一理论与知识点的仿真验证方面，没有很好地结合航海领域工程实例，且过于模块化，对所学工程知识的衔接性和统筹应用不强，学生只是机械地按照算法进行编程，缺乏对实际问题解决能力的训练。此外，实验方式的选取也较为落后，目前所用的仍是一些数学处理功能较弱、语言结构复杂的高级语言，如C 语言等，在可视化实物仿真方面提供的功能过少，使用难度也较大。

1.4 考核方式和评价指标单一

现代控制理论课程在进行研究生课程成绩考核时，主要采用平时出勤+期末成绩且以期末考试成绩为主的终结性评价方式。考核形式和评价指标单一，考核内容简单且主要依附于教材，过程性考核较少，对研究生所学知识的实际应用能力的检验有待加强。部分研究生缺乏学习主动性，在平时课堂中的听讲效率难以得到保证，能力素质无法得到提升。对于授课教师来说，通过指标单一的终结性评价方式，无法了解学生不同阶段学习过程中的知识掌握情况，不利于教学方案实施效果的反馈和调整改进，课程考核的导向作用难以发挥。

2 现代控制理论课程多元化线上教学课堂设计

2.1 更新教学内容，完善知识结构体系

从航海类专业研究生培养目标与发展特点出发，对接教学目标，更新传统教学内容。以船舶自动化和无人船舶系统为切入点，融合线性控制系统、非线性控制系统、最优控制等相关理论知识，密切联系课程内容在航海领域的应用实践。对复杂且实用性不强的内容进行删减，精选教学内容，凝练出完整独立的教学体系，凸显知识体系中的教学重点和难点，淡化教材中复杂、烦琐的理论证明和公式推导，侧重现代控制理论在航海领域的实际应用。同时，将教师在本领域的研究成果科学合理地融入原有的教学内容中，如多智能体系统协同控制在船舶控制领域的应用，并进行动态补充与更新。配合现代控制的前沿发展方向及相关技术，拓宽学生的视野，从理论知识、分析能力、应用能力和解决问题的能力等方面不断丰富教学内容，完善知识结构体系。具体章节及内容如表1 所示。

表1 现代控制理论课程教学内容

2.2 利用多样化的在线平台，推动课程线上教学

在高等教育数字化转型背景下，研究生线上教学成为新常态。由于现代控制理论课程的特点是理论性强、抽象概念多，教学内容中包含大量复杂的数学分析与证明，对研究生基础知识的储备要求较高，对线上教学质量的要求较高。针对该课程特点，利用云教育平台的各种多媒体工具，制定了如表2 所示的“慕课+腾讯会议”的多元化线上教学策略。通过慕课上传课程教学相关的电子教材、视频、PPT 等教学资源，帮助研究生结合具体案例对理论知识加深理解；针对部分研究生专业基础差的情况，在慕课平台上有选择地进行线性系统理论、自动控制原理等前序课程相关知识的补充，方便学生课后进行自主学习。同时，借助腾讯会议进行直播授课，改变研究生传统线下教学一对多的课堂体验感，为每位学生提供和教师更直接的互动，方便学生主动参与课堂活动，增强课堂融入感，便于开展线上实验教学。此外，教师通过线上平台可以实时分享技术发展前沿，为新工科背景下航海类专业研究生的发展打下坚实的基础。

表2 现代控制理论课程线上教学平台

2.3 利用丰富的软件资源构建线上实验教学模式

以工科人才能力培养为目标，强化实践能力训练，选用MATLAB 进行仿真实验教学，将理论与实践相结合，在帮助研究生夯实基础知识、加深对课程理论内容理解的同时，提高学生对知识进一步的探究能力、分析能力和运用能力。实验教学内容方面，在侧重理论验证的基础性实验方面，增设面向工程实例的综合性实验，将MATLAB 仿真软件提供的针对控制系统建模、分析与设计的强大功能和无人船平台有机结合，提供可视化的控制系统仿真实验平台，加入控制对象的演示仿真，使线上实验教学更为生动有趣，让学生感受到控制的过程和效果，加深理解，提升学习兴趣。实验教学形式方面，教师采用“视频演示+线上直播”的方式，在线上教学过程中实时解决学生实验中遇到的各类问题，并录制教学视频，上传至慕课平台，供学生课后自主进行回顾；学生严格遵循课前预习、线上教学、现场实验、课后按时提交实验报告的顺序，来完成线上实验课程。

2.4 制定多元化的考核方式，完善评价体系

调整现代控制理论课程传统的单一考核模式，将终结性考核与形成性考核相结合，学习过程评价与目标评价相结合，理论知识考核与能力素质考核相结合，课程期末考试与平时考查相结合，笔试与实践操作相结合，以多元化的综合性评价方式全面考核研究生的能力培养达成情况。加大平时成绩在课程考核中的占比，增加案例讨论、小组项目、实验仿真等形成性评价，平时成绩由课堂考勤、随堂测验和课程作业三部分组成。其中随堂测验包括课堂提问、课堂讨论、课上习题等形式；课程作业包括课后习题、小组项目以及实验仿真等类型。具体考核方式及评价标准见表3。

表3 现代控制理论课程考核方式及评价标准

3 结语

随着高等教育数字化的不断深化，加快推进教学改革是新工科建设背景下提升高校教育教学水平和人才培养质量的关键。航海类专业研究生基础课程承担着应用型、技能型航海人才培养的重任，推动建设具有航海特色的数字化课程体系是必然趋势。针对航海类专业研究生现代控制理论课程教学，本文围绕当前形势下课程建设过程中存在的问题，从授课方式、教学内容、实验教学和课程考核四个方面深入研究，提出了现代控制理论课程多元化线上教学课程改革方案，更新完善后的教学内容密切联系理论发展前沿与实际应用，拓宽了学生视野，提高了航海类专业研究生的实践应用能力；通过“慕课+腾讯会议”的数字化教学手段，辅以MATLAB 线上仿真实验教学，提高了研究生的学习主动性和创造性，在夯实基础的同时培养了研究生的实践探究能力；多元化的考核方式丰富了研究生课程教学评价标准，提高了课堂教学成效和研究生的学习积极性。在国家教育数字化战略行动的引导下，航海教育工作者未来应进一步推进研究生专业课程的数字化教学改革，在航海类专业研究生培养过程中加强课程体系的内涵建设，为全面提高航海类新工科人才培养质量提供有力支持。