機電系統網絡控制課程的多維度混合式教學探索與實踐

楊麗曼 沈東凱 石巖

摘? 要：針對研究生課程機電系統網絡控制的教學現狀與發展需求，開展多維度混合式教學探索與實踐。構建包含課堂講授、資源庫、專題研討等在內的線上線下多維度教學體系；針對主題研討實踐環節引入翻轉課堂，以項目驅動和研討式教學引導學生分組完成課程相關的項目任務，掌握并運用所學知識分析解決問題，體驗科學研究的過程與思維方法，形成理論知識到科研實踐的閉環訓練；最終建立形成性和終結性相結合的多元考核評價體系，旨在通過課程學習培養專業基礎扎實、科研素養和工程實踐能力突出的高端創新型人才。

關鍵詞：多維度混合式教學；翻轉課堂；項目驅動教學；多元考核體系；機電系統網絡控制

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0115-04

Abstract： In response to the current teaching situation and development needs of the postgraduate course Network Control of Electromechanical Systems， a multi-dimensional hybrid teaching reform is explored. A multi-dimensional online and offline teaching system including classroom lectures， resource library and seminars has been built. For the practical part of the thematic seminar， a flipped classroom is introduced. Project-driven and seminar-based teaching guides students to complete course-related project tasks in groups. Students will be able to analyze and apply their knowledge to solve problems and experience the process and thinking methods of scientific research， forming a closed-loop training from theoretical knowledge to scientific research practice. A multi-dimensional assessment system combining formative and summative elements was eventually established， aiming to cultivate high-end innovative talents with solid professional foundation， outstanding scientific research literacy and engineering practice ability through the course study.

Keywords： multi-dimensional hybrid teaching; flipped classroom; project-driven teaching; multiple assessment system; Network Control of Electromechanical Systems

習近平總書記在全國教育大會上指出，教育是國之大計、黨之大計[1]。我國要建設世界科技強國，關鍵是要建設一支規模宏大、結構合理、素質優良的創新人才隊伍，激發各類人才的創新活力和潛能。國內外高水平大學的實踐表明，將現代科技的最新成果融入課堂教學，引導學生參加科研訓練，以科教融合為途徑促進理論知識的融會貫通和學以致用，對于培養學生的工程實踐能力和科研創新思維作用顯著[2-3]。與此同時，互聯網、大數據等技術的飛速發展和移動智能互聯網設備的普及，極大地擴展了教學資源和教學手段，傳統單一的課堂教學模式已經不能滿足新形勢下的教育需求。因此，探索一種線上線下相結合、多種教學手段相結合的多元混合式教學模式對于推動新工科背景下培養理論基礎扎實、工程實踐能力強的高端創新人才具有重要意義[4-5]。

本文以所授的研究生課程機電系統網絡控制為載體，進行多元混合式教學模式的探索與實踐。機電系統網絡控制是一門面向機電類與信息類研究生的專業技術理論課，圍繞網絡通信與機電控制系統的交叉融合應用，闡述其基本問題、系統設計方法和典型應用中的關鍵技術[6]。本課程具有理論性和實踐性緊密結合、多學科交叉和緊跟科技前沿等特點。通過學習本課程，促使學生理解機電系統網絡控制的概念、特點和基本問題，掌握其設計分析方法，以及在航空航天、工程機械、智能交通和智能制造等工程應用中的關鍵技術，并關注和探討其熱點研究方向，通過完成研討項目和交流展示，進一步消化吸收所學的理論知識，學以致用，解決實際問題，提升工程實踐與創新能力。

本文在科教融合視域下，以培養學生的科研創新思維和工程實踐能力為目標，從教學組織形式、教學手段和考核方式等不同角度出發，探索教學改革的具體實踐方法。首先針對以往教學中存在的問題進行分析，之后提出了采用線上線下結合和翻轉課堂的教學改革方案，以實例分享來闡述具體教學思路和實施方法，最后從基礎知識和研討實踐兩大環節的緊密結合構建了多元考核體系，改革后的教學模式具有強化基礎、突出實踐和科教融通的特色。

一? 教學問題分析

本課程從2015年開課以來，已完整地講授了六輪次，并進行了持續改進，學生對教學效果的評價整體良好，但也存在一些問題，歸納如下。

基礎知識部分?；靖拍钶^抽象，理論性強，缺少相關案例支撐，與工程實際有一定的脫節，學生反饋較難理解，也與后面的前沿熱點研討教學缺少過渡過程。

熱點研究方向的研討與項目實踐環節。由于內容較為新穎，同時涉及網絡規劃與機電系統設計以及具體應用領域的交叉融合，需要學生完成方案設計與仿真驗證分析等工作，尚未經過科研項目鍛煉的同學感到學習難度較大。

考核方面。目前對學生成績的評定主要依據平時成績（課堂簽到、作業等）和最終提交的報告，對課堂反饋、小組成員協作、展示互動等過程環節的關注度不足，一定程度上影響學生的積極性和主動性，也不利于對學生基礎知識、概念，以及實踐能力、創新能力等綜合能力的考查。

二? 教學模式探索與實踐

本課程涉及到通信網絡、機電系統和控制理論等多個學科，信息量大、專業性強，對于接觸科研項目較少的研一學生來說難度更大。因此，考慮采取線上線下相結合的多維度教學，引入翻轉課堂來強化學生課堂主體，對于增強教學效果具有重要作用。

（一）? 線上線下結合的多維度教學

隨著互聯網的發展，移動終端的普及與網絡資源的日益豐富，學校的課程平臺和社會公共服務平臺都為多元化和多維度教學提供了有效支撐[7-8]。本課程充分利用了課程中心、微信群和多媒體教室等資源構建了如圖1所示的線上與線下教育相結合的多維度教學模式，形成了以課堂講授-研討-課后作業為主體的線下教學，以及課程中心的教學資源庫與課堂微信群的線上輔助教學，充分發揮了各自的優勢。

作為教學主體，線下的課堂講授和課堂研討是知識傳授的主要方式，課件對于教學效果的影響至關重要。在課件設計中，嘗試將圖像、動畫、視頻等多種基本視覺元素進行綜合，融入生動活潑的過程演示和視頻講解，針對案例教學結合具體的應用背景和前沿成果，將產品、方案、實驗等與對應的知識模塊關聯，從而形成多媒體、多形態、多層次的教學資源，達到提高學生學習興趣、增加展示信息量，以及拉近學生與科技前沿距離的目的。

針對研究生課程知識面寬廣、注重探索創新的特點，本課程在課程中心建立了包含課件、參考文獻、應用軟件和視頻在內的資源庫并及時更新，幫助學生更簡便地獲取課程資料以及開闊視野，特別是針對每一知識模塊的關聯應用案例給出了原理演示和仿真代碼，引導學生理論聯系實踐，跟蹤科技前沿動態，為后面的研討實踐環節打好基礎。同時，利用微信課程群進行隨堂測試和線上討論，鼓勵學生遇到問題及時與教師聯系，加強師生互動，形成對課堂授課的有效補充。

（二）? 翻轉課堂

翻轉課堂的基本思路為將傳統的學習過程翻轉過來，讓學習者在課外時間完成針對知識點和概念的自主學習，課堂則變成教師與學生之間互動的場所，主要用于解答疑惑、匯報討論，從而達到更好的教學效果[9-10]。根據本課程的培養目標，將研究熱點領域劃分為若干研討主題并設計任務，引入翻轉課堂開展項目研究實踐，實施流程如圖2所示。課堂上對各主題的項目任務進行講解，學生分組選定主題后，在課下通過互聯網、各種媒體資源和書籍等查閱資料，從題目的分層設計、項目訓練教學、研討教學等多角度考慮，鼓勵學生分組協作，圍繞著機電網絡控制系統領域的核心技術、典型應用與仿真分析三個方面展開，層層遞進，進行選題研討、方案設計、實驗驗證等工作，并以小組輪講形式在課堂上匯報和交流，完成理論知識與方法的吸收、擴展和應用。

以往屆學生的多機器人協同項目為例，翻轉課堂的小組工作流程如圖3所示。該項目的任務是模擬3個機器人以隱式的協作方式協調作業。首先，小組學生圍繞多機器人系統進行文獻綜述，重點歸納多機器人協作的關鍵技術和相關典型案例的實現方法。接著，圍繞任務目標討論整體技術方案，確定系統拓撲結構，在建模與任務解析基礎上設計機器人間的網絡通信方案和調度策略，以及每個機器人的狀態方程和控制律。之后，基于MATLAB-TRUETIME平臺搭建仿真模型，進行仿真測試并分析結果。最后，整理各環節工作內容，制作演示文稿在課堂進行展示和討論，并對項目所關聯的課程內容進行知識復盤和拓展，課程結束后根據老師和同學們的提問建議來完善課程報告。在整個過程中，學生對于群體體系結構、感知、通信、協調協作機制和性能評價等知識有了更加深入的理解，特別是如何對一個實際系統進行網絡規劃與調度有了切實體會，通過搭建模型和仿真分析對所設計的解決方案與具體算法加以驗證和改進，形成了從理論到實踐的有效閉環。

在這一環節中，任務驅動式教學方法[11-12]和研討式教學[13-14]配合使用，學生成為課堂主體，教師以引導、答疑和組織為輔助，通過案例關聯和研討互動，將抽象的理論知識具體化并學以致用，促使學生以工程的觀點看待問題和解決問題，在設計、驗證和改進項目解決方案的過程中，真正體會到自主科學研究的方法和思路，極大地激發了學生對科研探索的熱情和潛能。同時項目組內的研討協作、小組間的互動和課堂上的匯報展示讓大家認識到團隊協作與溝通交流的重要性，并在實踐中得到了鍛煉和提升。

經過兩輪次的教學改革實踐，我們發現豐富的教學資源庫和線上線下多維度教學為研究生課程提供了知識傳授的新途徑，而翻轉課堂與任務驅動教學和研討教學相結合，引導學生體會自主科學研究的思想方法，是提升教學質量與激發學生探索精神的有效手段。

三? 多元考核體系的探索與實踐

考核是督促學生不斷進步的一種手段，更是教師檢驗教學效果的一種有效方式。以往對于學生成績的評定，主要采取課程報告和課堂展示效果評價，造成學生僅關注結果，而不注重研究思考的過程。對標世界一流大學的育人理念，真正使學生將科學研究的思想融入到學習中，有必要對學生的學習效果采取多方位的評定[15-16]。

多元考核體系的改革與探索包含了基礎理論和研討實踐兩個環節，可以從課堂反饋、作業評價、輪講互評和課程報告等多角度構建形成性和終結性相結合的綜合考核與評價體系，力求能反映學生的知識掌握情況、科研思維能力、團隊協作和工程實踐能力，確立每一部分的評分細則，將培養理念和關注要素通過多元評價指標傳遞給學生，具體的評分細則見表1。

考核體系由平時成績、課程報告和專題研討三部分構成。平時成績采用每一知識模塊的隨堂測+小作業的方式考察學生對基礎知識的掌握。在明確課堂目標的基礎上，將書本知識轉換為各種引發學生思考的探究性問題，鼓勵學生參與課堂討論和課下答疑，考察學生在課上的學習效果與課下獨立學習鞏固知識的過程，引導學生注重基礎理論知識的學習與運用。研討實踐環節為考核的重點，包括小組輪講的專題研討評價和課程報告評價兩部分，從項目完成度、表現力、溝通與協作能力、工程規范性等多方面制定評分細則。學生通過自主完成技術綜述、任務分析、方案設計、仿真驗證和結果分析等過程，鍛煉科研思維和工程實踐能力。同時，鼓勵學生組隊完成專題研討與報告，培養學生的團隊協作和溝通能力。從表1的評分細則與考核要點可以看出，研討實踐環節同樣考察基礎知識的掌握情況，且增強過程激勵效應，鼓勵學生在學習中注重思考和研究的過程，對課程報告的完整性與規范性要求也體現了對工程素養的關注。

四? 結束語

本文在新工科背景下，以培養學生的科研創新思維和工程實踐能力為目標，針對機電系統網絡控制課程特點，展開多維度混合式教學模式的探索與改革。在分析現有教學模式問題的基礎上，構建了包括課程中心、隨堂測、專題研討等線上線下多維度教學體系。針對研討實踐環節設計專題任務，模擬科研項目的研究過程，以翻轉課堂來激勵學生的學習熱情與探索精神，形成理論知識到科學實踐的閉環訓練。最終建立了形成性和終結性相結合的綜合考核與評價體系，將注重專業基礎、科研思維和工程實踐能力的培養理念貫穿在課程的每一個環節。兩輪次的教學實踐表明所提出的教學模式改革與實施方法在幫助學生扎實掌握專業理論知識和提升科研與工程素養方面都取得了顯著效果。

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