王艷嬌

（廣東工業(yè)大學自動化學院 廣東 廣州 510006）

隨著數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程積累了大量包含過程信息和知識的數(shù)據(jù)，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展在不斷提升工業(yè)大數(shù)據(jù)的利用價值，也對數(shù)據(jù)分析工程師等相關(guān)從業(yè)者的綜合能力提出了新的要求。因此如何在新工科背景下培養(yǎng)具有計算機、通信和自動控制等技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，是值得深入思考和探討的問題。針對數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)（以下簡稱“大數(shù)據(jù)專業(yè)”）“自動控制原理”課程的教學現(xiàn)狀，文章以專業(yè)培養(yǎng)目標為導向，針對課程教學中存在的問題，依據(jù)專業(yè)背景進行課程改革，注重知識的外延和工程思維能力的培養(yǎng)，以更好地適應(yīng)“新工科”背景下關(guān)于應(yīng)用型人才的培育需求[1]。

1 課程教學現(xiàn)狀

先進集散控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展使得實時獲取工業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大，工業(yè)數(shù)據(jù)的變量維度也在逐漸增長，工業(yè)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)進入了大數(shù)據(jù)時代，這為高等院校培養(yǎng)數(shù)據(jù)科學相關(guān)的人才帶來了前所未有的機遇，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)[2]。近年來，關(guān)于大數(shù)據(jù)專業(yè)專業(yè)課程和實踐課程的建設(shè)已經(jīng)進行了很多工作，也取得了諸多教學成果，而對于專業(yè)選修課的教學改革工作卻關(guān)注得很少。目前，從企業(yè)對人才專業(yè)能力的需求分析來看，學生不僅需要具備扎實的專業(yè)知識和編程實戰(zhàn)能力，同時還需要具備將數(shù)據(jù)思維應(yīng)用到工程領(lǐng)域的能力，能夠?qū)嶋H問題進行深度的挖掘和全面的分析，因此專業(yè)選修課程的重要性不容忽視。

目前，大數(shù)據(jù)專業(yè)“自動控制原理”（以下簡稱“自控”）課程教學存在以下問題：①自控課程需要物理、化學和電力等相關(guān)基礎(chǔ)知識，而大數(shù)據(jù)專業(yè)是一個綜合性學科，該專業(yè)的課程體系不同于自動化、電氣等控制類專業(yè)，無法覆蓋所需基礎(chǔ)理論知識，導致學生缺少相應(yīng)的知識儲備；②教學內(nèi)容建立在比較抽象的數(shù)學模型之上，不能反映行業(yè)的最新動態(tài)，學生對工程實際接觸不多，創(chuàng)新思維和工程能力培養(yǎng)不足；③大部分學生以考試為目的，學習方式局限于課堂聽講、課后作業(yè)和期末刷題，缺乏學習興趣；④當前，行業(yè)對學生的能力提出了新的需求，課程的考核方式和評價方法需要改進和完善。

2 課程改革內(nèi)容

2.1 基于學科差異，制訂課程標準

課程的設(shè)計基于學科知識，在學科知識基礎(chǔ)上，選取一些“最有價值的知識”，構(gòu)成了一門課程，并形成教學內(nèi)容。然而，現(xiàn)實情況是，本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程僅為32 學時，這就需要考慮如何在有限的學時中選取適當?shù)闹R來構(gòu)造課程，同時也要考慮到該專業(yè)學生的發(fā)展需求。此外，不同的專業(yè)對同一門課程所需要的知識、能力和素養(yǎng)的水平也存在差異，因此，要在課程內(nèi)容的深度和廣度、內(nèi)涵和外延之間進行協(xié)調(diào)，這也是一個要著重考慮的問題。對于像大數(shù)據(jù)這類非控制類學科專業(yè)來說，在課程實施過程中，主要側(cè)重于擴展自控知識的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合專業(yè)背景，強調(diào)如何將自控原理應(yīng)用于大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域，注重培養(yǎng)學生的工程思維能力。

2.2 基于專業(yè)差異，調(diào)整教學內(nèi)容

傳統(tǒng)的以“建模—分析—設(shè)計”為主線的授課方式注重對課程系統(tǒng)性和完整性的學習[3]，對大數(shù)據(jù)專業(yè)的學生來說，他們所學的前序課程無法覆蓋自控課程所需的基礎(chǔ)知識，如學生沒有學過電機學相關(guān)課程而對電動機的工作原理不了解，導致在采用電動機為例子講解數(shù)學建模時，學生因為缺少相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，無法理解和體會控制系統(tǒng)的建模過程，更遑實際應(yīng)用。因此，教師需要針對教學對象的專業(yè)背景，整合優(yōu)勢資源，并與課程理論知識點進行深度融合，制訂具有專業(yè)特色的教學案例。

2.3 改革教學方法和教學手段

自控課程具有理論性強、內(nèi)容抽象的特點，對學生的抽象思維能力要求高，而傳統(tǒng)的教學方法通常是根據(jù)課本內(nèi)容，采用多媒體課件或板書進行遞進式的教學。但由于受學科局限，教師很難在課堂上與學生進行有效的交流，因而忽略了學生自主性、工程性等方面的訓練，使教學效果大打折扣。因此，需要打破傳統(tǒng)單一的教學格局，采用問題驅(qū)動、利用慕課資源，開展線上線下混合式教學模式。

2.4 改進和完善考核方式和評價方法

“以學生為中心，以產(chǎn)出為導向，持續(xù)改進”是工程教育認證的核心理念[4]。為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，自控教學組制訂了一套完善的考核和教學評價方法。為了更好地達成課程教學目標，階段性的評價和補救性教學尤為重要。因此，教學組擬綜合利用慕課資源等手段，在有限的教學課時中進行階段性測驗、課堂小測驗等，考核的結(jié)果用于階段性的持續(xù)改進，即當考核情況不理想時，應(yīng)及時進行補救性教學，以確保期末考核時教學目標的達成。

3 課程改革的具體舉措

3.1 關(guān)注學科差異，制訂不同的課程標準

根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)要求，梳理細化分解課程目標，修訂教學大綱。自動控制原理教學內(nèi)容多，覆蓋面廣。要在32 課時的理論教學時間內(nèi)，兼顧知識、素質(zhì)、能力的培養(yǎng)，必須要有適用于非控制類專業(yè)的教學大綱引領(lǐng)。修訂教學大綱時，首先針對大數(shù)據(jù)專業(yè)的特點，梳理并細化課程教學目標。課程目標作為整個教學大綱的核心，支撐著要達成的畢業(yè)要求，涉及授課內(nèi)容、考核方式和學習活動的設(shè)計與開展。教學目標不僅要體現(xiàn)知識目標還要體現(xiàn)能力目標和素質(zhì)培養(yǎng)。圍繞課程目標要設(shè)計合適的教學內(nèi)容和學習活動支撐。教學內(nèi)容除了課本知識外，還要適當增加行業(yè)內(nèi)的最新動態(tài)，如自控原理在人工智能、智能制造、新能源等新興行業(yè)中的應(yīng)用。學習活動要體現(xiàn)對復(fù)雜工程能力的培養(yǎng)，活動的結(jié)果要便于評價和考核，考核方式要有明確的評分標準。針對本校大數(shù)據(jù)專業(yè)的專業(yè)特點，教學組及時修正和調(diào)整課程內(nèi)容，對應(yīng)制訂了3 個課程目標，每個課程目標均支撐相應(yīng)的畢業(yè)要求。以課程目標1：理解工程問題中控制系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)，能夠運用數(shù)學、物理知識和反饋控制的原理，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為例，這部分的課程目標對應(yīng)教材的第一章和第二章，設(shè)置的教學活動包括課前MOOC 預(yù)習、課堂講解、隨堂小測、MOOC 章節(jié)測試和學習報告總結(jié)。

3.2 關(guān)注專業(yè)差異，根據(jù)需求引入不同的教學案例

專業(yè)課是一種以相關(guān)學科為基礎(chǔ)，為人才培養(yǎng)提供基礎(chǔ)支撐的課程組織方式。課程是最基礎(chǔ)的單位，它必須與各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標相匹配。在大數(shù)據(jù)專業(yè)中，如何整合各學科的優(yōu)勢教學與研究資源，并將其與學科知識進行深度融合，是一個十分重要的課題?？梢詣?chuàng)建一個有大數(shù)據(jù)專業(yè)特點的教學案例庫，如以工業(yè)大數(shù)據(jù)為例，把自動化技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等過程中的功能融合到課程教學中，將各學科的教學案例與核心知識有機地結(jié)合在一起，形成學科之間的優(yōu)勢互補。這種差異化的教學內(nèi)容可以為實施以學生為中心的課堂教學提供參考。目前，自控主要的授課內(nèi)容包括系統(tǒng)建模，時域、根軌跡和頻域分析方法，主要涉及系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能以及頻率特性，根據(jù)控制對象的控制目標對系統(tǒng)進行綜合分析、設(shè)計和優(yōu)化。對于大數(shù)據(jù)專業(yè)這類非控制類專業(yè)的學生，考慮將工業(yè)大數(shù)據(jù)相關(guān)的案例融入自控原理課程中，這里仍以教學目標1 說明，由于沒有設(shè)置實驗環(huán)節(jié)，在教學內(nèi)容上，如在系統(tǒng)建模階段，可以引入工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)；如采用生產(chǎn)過程中普遍存在的機械臂作為研究對象，說明建模問題，首先講解如何尋找變量，確定機械臂控制系統(tǒng)的輸入和輸出變量等；在頻域分析方法中，可以結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)對系統(tǒng)的頻率特性進行分析等。這樣做可以增強課程的實際應(yīng)用性，培養(yǎng)學生在大數(shù)據(jù)技術(shù)方面的綜合能力，并使課程更具專業(yè)特色。此外，還可以進一步升華內(nèi)容，通過講解機理建模的局限性，增加工業(yè)大數(shù)據(jù)時代基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和專家知識的建模方法，從而與該類專業(yè)的主修課程如機器學習等建模方法進行深度融合，為全方位培養(yǎng)新型應(yīng)用型人才提供良好的知識基礎(chǔ)。

3.3 通過多元化的教學模式提升教學質(zhì)量

在“新工科”建設(shè)理念下，自控原理作為大數(shù)據(jù)專業(yè)的一門專業(yè)選修課，就課程目標和內(nèi)容作出了新的調(diào)整。但如何在有限的學時內(nèi)，保質(zhì)保量完成教學大綱規(guī)定的授課內(nèi)容，同時能夠針對教學對象的專業(yè)背景，使學生在掌握基礎(chǔ)知識的同時，了解目前新一代信息技術(shù)、智能制造等相關(guān)新興行業(yè)的動態(tài)和培養(yǎng)工程思維能力，仍是一個需要解決的問題。因此，需要采用多元化的教學模式。

利用慕課資源，開展線上線下混合式教學模式?；旌鲜浇虒W方案需要授課教師和學生都能合理利用網(wǎng)絡(luò)資源[4]。目前，為了豐富課程的教學資源，廣東工業(yè)大學自動化學院自控教學組已經(jīng)錄制了慕課視頻，并成功在中國慕課網(wǎng)和智慧樹平臺推出。在這一背景下，授課教師需要根據(jù)慕課內(nèi)容合理地設(shè)計線下課堂的授課內(nèi)容和教學活動，并要求學生在課前和課后都能充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源，相互配合，從而確保教學質(zhì)量和教學進度。慕課視頻具有時間短和可反復(fù)播放的優(yōu)點，因此便于學生提前預(yù)習和課后鞏固所學知識，每個章節(jié)都設(shè)置了相應(yīng)的選擇題和討論題，要求學生在每次授課前完成相關(guān)章節(jié)的學習和線上答題，教師可以根據(jù)線上答題情況調(diào)整課堂活動的內(nèi)容，從而達線上線下的優(yōu)勢互補。學生答題情況也被作為教學過程性的評價，并在期末總評中占20%的比例。

3.4 完善考核和教學評價方法，促進課程目標達成

為了檢驗課程教學目標是否達成和衡量學生的學習成果，針對課程特點，課程組制訂了一套完善的考核和教學評價方法，除了期末閉卷考試外，還將線上學習成績、平時作業(yè)、課堂測驗、學習報告等成績納入期末總評成績，體現(xiàn)課程考核的靈活性和多樣性。自控原理課程的總評成績由兩部分組成，平時成績和期末考試成績各占50%，平時成績包含4 個部分，其中MOOC 線上成績由視頻觀看時長和章節(jié)小測成績構(gòu)成，占比40%，隨堂測試占20%，課后習題占20%，學習報告占20%。課前學生可以通過MOOC對課程進行預(yù)習，同時進行平臺測驗考查學生的自主學習能力，進一步保障線上學習效果；學習報告是指學生每章學習結(jié)束后須提交一份學習匯報，題目自擬，內(nèi)容須涵蓋每章節(jié)課前提出的思考題回答，可以鞏固所學知識點，用于評價階段性的學習效果。值得指出的是，本課程自從2020 年開始嘗試教學改革的探索與實踐以來，大數(shù)據(jù)專業(yè)學生期末總成績的優(yōu)良率和均值都呈穩(wěn)中有增的發(fā)展趨勢，可見改革的效果非常顯著。

4 結(jié)語

將改革方案應(yīng)用于大數(shù)據(jù)專業(yè)的自控課程教學中，基于授課學生的學科和專業(yè)特征，讓學生更好地理解并掌握課程要求的知識和技能。同時還能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，鍛煉工程思維，從而為培養(yǎng)學生成為具有計算機、通信和自動控制等技術(shù)的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才和從事相關(guān)工作提供助力。