面向“两性一度”标准的工科专业课程教学改革

盛春阳　盖文东　卢晓

［摘 要］“金课”建设是提升人才培养水平和教育质量的重要手段。文章基于“两性一度”标准对工科专业课程教学改革进行研究，具体以现代控制理论课程为例，从课程特点和教学现状分析出发，并在课程教学目标、教学内容、教学方法、课程评价方式等多方面给出改革措施，以期将现代控制理论课程打造成为自动化类专业“金课”，提高自动化类专业人才培养质量。

［关键词］现代控制理论；“两性一度”；课程教学；“金课”

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0043-04

课程是落实“立德树人”根本任务的具体化、操作化和目标化。2018年，时任教育部部长陈宝生提出要合理增加课程难度，拓展课程深度，扩大课程的可选择性，真正把“水课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[1]。现代控制理论课程是自动化类专业的基础课、核心课，是后续专业主干课学习的基础，是开展控制领域学术研究的基础，将现代控制理论课程打造成工科专业“金课”，对培养自动化类专业学生解决复杂工程问题能力和综合素养至关重要。

一、课程特点及教学现状分析

现代控制理论课程内容设置一般包括状态空间法和最优控制基础两个部分，具有理论性强、实用价值高、可延续性强的特点。理论性强是指课程学习需要有扎实的数学和物理基础，如控制系统的状态空间建模、状态空间的模型求解、稳定性分析等，都离不开数学工具和物理分析；實用价值高是指课程核心内容聚焦控制器和观测器设计，可广泛应用于工程实践；可延续性强是指现代控制理论课程是后续本科课程运动控制系统、过程控制系统、计算机控制等的先修课程，也是控制科学与工程学科硕士研究生课程线性系统、最优控制、鲁棒控制、自适应控制等的基础课程，更是研究生阶段开展控制理论研究的学术基础。

目前，传统的现代控制理论课程教学内容趋于固定化，在教学设计和教学方法上虽然做出部分尝试，但还需要进一步开展课程教学综合改革。现代控制理论课程改革的关键点如下：

一是课程具有理论性较强的特点，涉及较多的理论推导和证明，课程教学难度大。作为工科专业课，如何避免工科课程理科化，如何避免内容枯燥，以此激发学生的学习乐趣，吸引学生的注意力，需要在课程改革中进一步探索。

二是课程内容具有重要的实用价值，教学过程中如何紧密联系工程实际，如何将专业背景融入课程教学，如何将行业发展与国家需求融入课程教学，提升学生对专业和课程的认可度，这亟须在教学过程中予以解决。

三是课程具有较强的延展性，课程教学应紧靠科技发展前沿。如何将前沿科技进展与时代特征合理融入课程教学，如何将科学研究精神融入课程教学，以此激发学生对前沿科技的兴趣，增强学生对科学研究的热情，是一项重要的工作。

二、“两性一度”的内涵分析

“两性一度”即高阶性、创新性、挑战度，是衡量“金课”的标准。“高阶性”强调知识、能力、素养的有机融合。通过课程教学培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，体现在工科课程教学过程中就是以学生为中心，实现德育与专业教育并重，理论教学与工程实践并重。“创新性”要求课程内容反映前沿性和时代性，不断根据领域内研究进展与技术革新更新课程教学内容；教学形式呈现先进性和互动性，根据课程特点不断创新教学方式方法，激发学生的积极性和主动性；使学习结果具有探究性和个性化，同时创新学习结果考核方式，考核标准注重多元化，以此激发学生的创造性和灵动性。“挑战度”是课程有一定难度，体现在课程教学内容有一定难度和深度，教师需要精心设计教学内容，学生课后需要进行深入思考，这对教师备课和学生课后学习提出较高要求。

基于课程内涵分析，课程组对课程教学改革的要点进行了提炼，主要体现在如下几个方面：德育与专业教育有机融合、课程教学内容设置与时俱进、教学模式与方法不断革新、考核评价机制多元化设计。基于“两性一度”标准的现代控制理论课程教学改革设计思路如图1所示。

三、现代控制理论“金课”教学改革

（一）德育与专业教育有机融合

全面推进高校课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措。只有将德育与专业教育有机融合，才能实现人才培养知识、能力、素养目标的有机融合。现代控制理论课程包括系统建模、运动分析、稳定性分析、控制器设计等内容，其中蕴涵了许多历史文化、哲学思想。开展现代控制理论课程思政教学，将德育与专业教育有机融合有助于培养学生的综合能力和高级思维。另外，现代控制理论被广泛应用于工业、运输业、经济、军事等领域，尤其在载人航天、人造卫星、火箭导弹等国防事业中起至关重要的作用，这些领域诞生了钱学森、关肇直、王永志等诸多爱国科学家[2]，其中蕴含着民族大义、爱国情怀和科学家精神，是课程教学过程中一笔宝贵的财富，关乎人才培养的价值导向。

（二）课程内容设置与时俱进

1. 紧追前沿科技，体现时代特征

课程教学的最终目的在于人才培养，而创新能力是高精尖人才的重要特征。为培养优秀人才，作为自动化类专业核心课程的现代控制理论在课程内容设置上应紧追前沿科技，体现时代特征。以“最优控制”部分为例，“最优控制”是现代控制理论的一个重要分支，着重于研究使控制系统性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。强化学习是人工智能领域的重要学习方法，具有前沿性，着重于研究使智能体在与环境交互过程中通过学习策略以达到回报最大化的方法。通过概念可知，最优控制与强化学习有着密切的关系，都可以被用于求解优化问题，而且二者具有共同的理论基础，即动态规划。因此，控制理论与强化学习本质是相通的，都可以被应用于控制领域，作为控制器设计的工具。在现代控制理论的课程内容设置时可以适当融入强化学习的内容，既可以激发学生的兴趣，又可以保证课程内容与时俱进。但需要注意前沿教学内容融入的尺度，不易难度太大，否则将产生适得其反的教学效果。

2. 立足创新培养，延伸拓展内容

课程的教学内容设置不仅要立足当下，更要面向学生未来发展，因此要适当地对专业课程教学内容进行延伸拓展，以培养学生的发散思维和前沿思维，这对学生未来继续攻读学位或者工作都非常重要。以课程中的“观测器设计”部分为例，如果仅仅是讲授观测器的概念、观测器存在的条件、如何基于状态观测来进行极点配置，即便结合很好的工程案例，仍然很难讲透观测器的本质，学生会误认为观测器的作用就是对难以测量的系统状态进行估计。而实际上，观测器是一个重要的概念，应用极其广泛。控制领域包含两个重要问题，即跟踪和抗扰，观测器不仅可以观测系统的未知状态，还可以被应用于扰动观测和补偿器设计。因此，在课程教学过程中，可以适当地将课程教学内容进行延伸，介绍扰动观测器的概念和自抗扰控制理论的思想内涵，这样不仅可以让学生获得更多的知识，更重要的是可以激发学生的学习兴趣，加深其对观测器的理解。

3. 面向行业需求，结合工程实际

工科课程最终是要服务于工程实践的，更是服务于行业需求的。现代控制理论作为自动化专业的一门核心课程，其教学内容一定要结合工程实际，面向行业需求。目前部分学校的课程教学以理论教学为主，课程教学内容中工程背景和实践内容涉及不够。为培养学生的工科思维和解决复杂工程问题的能力，现代控制理论的课程教学内容要面向行业需求，结合工程实际。具体可以从以下几个方面入手：一是涵盖热力系统、流体系统、运动系统、电力系统等行业背景知识，不能单一讲授水箱和电路等最基本的物理系统；二是根据所服务的行业，在课程教学的主要章节中增加某些特定行业背景的应用案例，理论联系实际开展案例教学；三是适当地将与课程密切相关的科研项目和课题引入课程教学内容，增加实践环节；四是将课程学习的知识融入后续的课程设计和综合实验，进一步强化学生实践能力培养。

（三）教学模式与方法不断革新

1. “线上+线下”混合式教学模式

“线上+线下”混合式教学模式是将线上课程服务与线下教学相结合的一种教学模式，具有三大特征：“线上+线下”、翻转课堂、师生高效互动[3]。由于现代控制理论课程具有较强的理论性和实践性，使得单纯地开展线下教学的效果不够理想，因此，有必要构建“线上+线下”混合式教学模式。混合式教学的优势如下：

一是可以有效发挥校外精品教学资源的作用，将校外线上精品资源引入课堂，实现优势互补，引导学生对知识进行多角度多方位理解。

二是有助于培养学生获取知识的能力，线上资源便于学生有规划地进行预习和复习。通过对线上知识的综合利用，培养学生科学的辩证思维。

三是便于教学活动的开展。教师可以充分利用在线平台、多媒体软件，配合各种教学方法，对教学过程实施全方位监管，优化过程考核。

2. “举一反三”的启发式教学

启发式教学的目的是培养学生“理论联系实际、举一反三”的思维，激发学生对专业知识的学习兴趣[4]。现代控制理论某些章节包含有大量的数学知识，但是其课程性质又是工科专业课，课程内容的本质是数学知识在工程中的运用。普通的讲授式教学会造成课程教学枯燥乏味。开展启发式教学，可以引导学生“举一反三”，将已学的基础知识和专业知识联系起来进行加工创造。这个过程既可以帮助学生巩固已学的知识，又可以锻炼学生的综合思维能力。教师从旁引导，学生自主学习课程内容，同时获得自我实现的情感。以第二章“中线性定常系统的运动分析”为例，其本质是线性系统的求解，涉及线性代数的基础知识。而系统的运动分析则是研究系统在给定输入作用下的响应问题，如何将二者联系起来是教学的关键。教师可以从电路原理课程入手，学生已学习过的一阶系统和二阶系统的响应分析，其实质上就是系统运动分析的特例，但学生在没有学习现代控制理论时是很难意识到这点的，教师可以深入浅出地进行分析，使学生真正理解系统运动分析的内容。通过电路课程的启发，学生可以掌握线性系统的运动分析方法，进而将数学原理推广应用到对其他类型的系统分析上，真正做到举一反三、学以致用。

3.“探赜索隐”的探究式教学

探究式教学可以激发学生对知识主动探寻的兴趣，做到敢于解决课程的难点问题，逐渐培养学生自主学习和终身学习的能力[5]。针对教学难度大的内容，适宜采用探究式的教学方法，注重以学生为中心，有助于学生真正理解和掌握知识的本质。以课程教学中的“李雅普诺夫稳定性分析”为例，其中关于李雅普诺夫函数法的若干个定理都是充分性判定条件，特别是当李雅普诺夫函数的导数是负半定时，利用其分析非线性系统是非常困难的。为提高学生对专业知识的理解水平，使其具备“探赜索隐”的精神，教师可以制订合理有效的探究式教学方案，设计具有挑战度的教学切入点，引导学生主动探索，深入思考，达到对专业知识的深度理解，为后续培养研究型人才奠定基础。

4. “钩深致远”的项目式教学

项目式教学是一种以学生为中心的教学方法，学生通过组建团队来解决一个开放式的问题[6]。按照工程教育专业认证的标准，工科学生应具备解决复杂工程问题的能力，项目式教学无疑是适合的教学方法。根据现代控制理论课程特点，可以将任意实际系统的控制器设计问题设置成为项目，如燃烧炉的炉温控制器设计。教师将项目分配给学生，学生可以自由组队来共同完成。控制器设计的项目涉及对系统的建模，系统的运动分析，系统的能控性、能观性分析，系统的稳定性分析，控制器设计等诸多课程内容。如果系统的状态不是直接可测量的，还涉及观测器设计。通常情况下，一个项目就会覆盖整个课程的核心教学内容。通过项目式教学，可以帮助学生厘清概念，增进学生对知识的理解，培养学生的团队合作精神和解决复杂工程问题的能力。

（四）考核评价方式多元化设计

高校培养的人才应该是鲜活的，具有个性创造力的，人才培养个性化是对传统的教育模式的積极变革[7]。课程的考核评价方式不应该是单一的，而应该是多元化的，考核机制应该能够反映学生知识掌握情况、能力获得情况、素养提升情况。通过将课程目标分解为知识目标、能力目标和素养目标，引入主观评价方法，将主观与客观评价结合，增加过程考核所占比重。具体做法是将过程考核比重提高到50%，同时细化过程考核内容，考核范围覆盖课程互动、章节测试、随堂练习、课程报告、课堂表现等多个环节。考核评价方式多元化设计的目标是最终建成“知识、能力、素养”三闭环的机制，这不仅有助于开展评价，而且有助于实时优化教学过程。

四、结语

本文基于“两性一度”标准对工科专业“金课”建设进行了改革研究，具体以现代控制理论课程为例，从课程特点和教学现状分析出发，对课程教学目标、课程内容、教学模式方法、考核评价方式等多方面进行了改革研究，具体包括实现知识能力素养目标的有机融合，从前沿性、延续性、实用性的角度更新课程教学内容，将启发式、探究式、项目式等教学手段应用于教学过程，设计多元化的考核评价机制。课程教学改革的目的旨在将现代控制理论课程打造成为“金课”，提高自动化类专业的人才培养水平。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 吴岩. 建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：4-9.

[2］ 盛春阳，张婧，盖文东，等.现代控制理论课程思政教学改革探索[J].高教学刊，2021，7（33）： 181-183.

[3］ 沙楠， 郭明喜， 高媛媛，等. 线上线下混合式教学模式探索与实践：以“通信原理”课程为例[J].高等教育研究学报， 2022， 45（4）： 69-72.

[4］ 王俊伟， 杨俊玲. 基于OBE理念的现代控制理论教学改革研究与探讨[J]. 大学教育， 2022（8）： 81-83.

[5］ 秦艳琳， 付钰， 胡卫. 探究式教学设计在信息安全数学基础课程中的应用[J]. 计算机教育， 2022（9）： 124-128.

[6］ 魏继增， 陈仁海. 面向系统能力培养的计算机组成与体系结构课程项目式教学改革[J]. 计算机教育， 2023（2）： 74-78.

[7］ 毛成， 赵春鱼， 李一星. 新工科背景下地方院校个性化人才培养模式探索与实践：以中国计量大学工科试点班为例[J]. 中国大学教学， 2022（Z1）： 31-38.

［责任编辑：苏祎颖］