基于“两性一度”的机电传动与控制课程教学改革

陈乃超，王 昊，马行驰，谢 飞

（上海电力大学能源与机械工程学院 上海 201306）

为了进一步提高我国高等教育本科生的培养质量，教育部先后提出了“双万”计划和新工科、新医科、新文科和新农科建设，打造一流课程[1-2]，旨在振兴我国高水平本科教育，形成高水平人才培养体系，全面提高本科生人才培养水平，开创高等教育新局面，建设高等教育强国，为将我国建成社会主义现代化强国提供强大的人才支撑和智力支持[3]。

2018年6月的中国高等学校本科教育工作会议上，教育部对全国的高校教师发起了号召，通过合理增加课程难度，提升学业的挑战度，激发学生的学习动力和兴趣，淘汰“水课”，建设“金课”，着实提高课程教学质量[4]。随后，针对如何设计和实施“金课”，教育部进一步提出了建设的标准，并将“金课”设定为一流课程，提出课程的评价标准采用“两性一度”来衡量：高阶性、创新性和挑战度。同时，再次强调课程在人才培养过程中的重要地位，处于核心要素[5]。根据“金课”标准，努力实现三个转变，即从以教师为中心转变为以学生为中心、从以考试为中心转变为以学习为中心、从以学科为中心转变为以专业为中心，强调学生在教学中的主体地位，发挥学生在教学中的自主性、能动性和创造性[6-7]。

课程在人才培养过程中作为核心要素，是学生大学期间获取知识和技能的主要来源。课程质量好坏直接关系到学生的学习动力和学业水平[8]。通过建设一流课程，可以有效提升学校专业的知名度，增强学生对于专业的认知，提高学生的主动性和积极性，拓宽学生对于专业知识的认知度[9]。常规课程虽然能够让大多数学生掌握课程的基本理论知识，但是仅限于课本的教学具有一定的局限性。一般而言，教学内容的更新落后于科学发展，新技术、新知识融入课堂的速度较慢。这使得学生理论联系实际不足、创新意识不强，缺乏最新的解决方法及仿真工具的使用能力[10]。因此，梳理课程内容、拓展课程深度，提高课程教学质量[11]，积极调动学生的主观能动性，让学生主动参与到一流课程实施中，激发学生的学习兴趣，培养学生解决复杂问题的能力[12]，逐渐成为课程改革和建设的重点和实现课程“金课”建设的目标。

“机电传动与控制”作为机械电子工程专业的一门必修专业课，是学生学习和掌握机电传动与控制知识的主要途径，也是获取电机基本原理与拖动相关知识的重要课程。有效提高课程的教学效果，更好地实现以学生为中心的教学理念，提高人才培养质量，是新时代本课程教学改革需要解决的关键问题。

1 “两性一度”的概念

“两性一度”是根据“金课”建设的要求，提出的用于衡量课程的标准，即“高阶性、创新性、挑战度”。高阶性，是知识能力素质的有机融合，培养学生的综合能力和高级思维。创新性，是课程内容反映的前沿性和时代性，教学形式体现先进性和互动性，追求学习的探究性和个性化。挑战度，是指课程有一定难度，需要跳一跳才能够得着，对教师和学生提出较高要求[13]。课程具有高阶性，对于教师备课和学生学习就具有一定的挑战性。要使课程达到“高阶性”，课程内容和课程形式就必须具有“创新性”[14]。创新必须要突破学生的惯性和传统认知思维，使学生获得解决复杂工程问题的思维和能力。同时，随着现代科学技术的快速发展，新技术与教学内容的融合可以有效培养学生的科研创新能力[15]。可以看出，这三者之间是相辅相成，互相支持的。“两性一度”的课程不能墨守成规，应与时俱进改变教学方法，充实教学内容，将课程内容与实验实践课程相结合，挖掘学生更大的潜力[14，16]。

2 “机电传动与控制”的课程教学改革

2.1 对标“两性一度”要求的教学改革

“机电传动与控制”课程是一门传统的机电类专业课程，应用性较强，可以为后续机电产品和设备的动力源设计提供知识和技术。多年来，课程内容相对比较固定，教授内容在全国范围内形成了较为普遍性的共识，因此，课程的逻辑安排、内容设置、实践辅导等具有一定的成熟度，教学和授课方式也逐渐形成了统一的认识。但是，随着教学方法、教学工具和教学手段的不断发展和更新，以及国家对教育理念和教学思维提出了更高的要求，结合一流课程建设要求，开展“机电传动与控制”课程的“两性一度”教学内容和教学方法的改革显得非常迫切和必要。

结合本课程的特点，根据“两性一度”的定义和内涵，本文探索了课程开展“两性一度”框架下的教学的改革。

2.2.1 高阶性

培养解决复杂工程问题的综合能力和高级思维可以为高阶性的实现提供有效手段。复杂工程问题的解决不仅仅需要学生对某一知识点的理解和应用，更需要能够综合应用多个知识点或者多个学科的知识点。对接实际工程，机电产品设计除了正确的技术原理方案外，还包含多维领域的需求，这将改变原有的理论设计，进而综合优化，设计出满足工程应用的最优的产品或设备。

基于上述分析，课程在基本知识讲授的基础上，引入现代机电产品设计和分析技术，增强学生对产品的设计分析能力，强化学生掌握现代分析工具的能力，培养学生综合设计和分析工程问题的能力。在每章内容中增加复杂机电工程问题分析的大型作业或基于CADe-SIMU的仿真模型。如机电系统动力学内容，给出牛头刨床整机的机电动力学分析要求，在此基础上，考虑到节能机电设计，要求学生在市场成本及竞争条件下进行设计，实现最优化；在三相异步电动机设计中，给出火力发电厂引风机电动机设计与控制的设计大作业，要求学生不仅仅要考虑到执行动作及逻辑的实现，还需按照高可靠性的要求进行综合设计。设计以小组为单位，利用仿真软件，进行复杂机电系统CADe-SIMU仿真设计，获得设计模型，并进行相应的性能分析，最后每个小组进行汇报，实施竞赛，根据设计内容和答辩情况决定每个小组的成绩，并将成绩计入最后考试成绩。

2.1.2 创新性

为了实现创新性目的，教师应紧紧结合前沿性课题，以矛盾论和工程需求为牵引，激发学生探究性思维，突出自我解决问题的能力。随着现代机电技术的发展，为提高设计和分析的效率，产生了许多先进、高效的工具。利用专用工具进行工作也是目前行业的通用方式。因此，为提高问题分析和解决能力，课程团队将先进机电系统分析软件引入课堂，为学生创新提供工具基础，也为问题高效解决提供可能。

基于以上分析，在原有的课堂教学基础上，课程教学中添加CADe-SIMU模拟电器电路软件和Proteus控制器仿真软件的学习，使得学生掌握目前解决工程问题的分析工具。通过计算软件的仿真可以直观、形象、动态地展示所学内容，加速学生对知识的理解，大幅提高学生以工程化思维进行设计的能力，有利于学生形成自我分析问题、发现问题和解决问题的能力；引入算法设计和实践等，强化学生利用计算机技术进行计算、优化和设计的思维，提高学生解决复杂工程问题的能力，为学生进行探究性研究提供技术和工具支持；以电机控制优化和专用机电工程项目为导向，如风力发电机组电动变桨距系统的电动机设计与控制，引导学生在机电控制方法和策略、机电系统优化和控制运动综合上的技术创新，实现设计和问题解决的个人方案，激发学生在论文发表、技术方案设计、工程技术文档撰写上能力的提升。

2.1.3 挑战度

针对本课程而言，主要涉及电机的基本原理和工程应用的内容，因此，挑战度的内容需要根据这两方面内容的特点进行设计。从基本原理出发，挑战度的内容更多体现在对基本理论的深刻理解。理论推导过程在对基本原理的理解中具有重要作用，也是面对复杂问题深入分析的基础，因此，可以以理论推导为手段，形成基本原理理解的挑战度；针对工程应用内容，原有分析和作业多集中在给定详细的工程参数和需求，方案或者答案多是固定的，学生按照流程和公式计算就可以获得正确答案，学生的主动性和创新性受到约束。要提高工程应用的挑战度，可以打破原有固定和圈定下的问答模式，充分调动学生的主动性，以学生自我思考为牵引，学生通过个人探索给出自己的独特方案。同时，在该过程中学生需要积极思考，以有效激发学生的创新性。因此，将“固定性”回答转变为“自我性”问答，可以有效提高工程问题教学内容的挑战度。

基于以上分析，为了实现挑战度目的，针对应用型人才培养的要求，从基本原理出发，适当添加原理的机理分析以及理论推导过程，使得学生对知识掌握得更加深刻，如增加对于异步电动机磁场分析，对知识难点的公式矢量分析进行理论推导，这样的过程分析可以让学生更好理解并加深对该难点问题的理解和应用。此外，将教学的重点放在提升复杂工程问题解决能力上，该部分分为两个层次，第一层次为基本的机电系统分析，提出机电系统大作业和软件计算仿真的方法，重点解决高精度、高时效、高效率耦合下的机电系统性能分析；第二层次为机电系统的最优化设计和系统综合，针对现实机电工程特殊实际需求和工程问题，提出结构方案、尺度设计和控制方案，激发学生创新能力，提高学生在解决问题后的获得感。

2.2 课程内容与产业发展相结合，建设“新工科”课程

如前所述，本课程主要内容为机电系统的基本原理和应用，前期多以关注课程本身的知识点为基础，更多放在教会学生知识点，而并没有过多涉及当前产业发展的情况和需求。如现在讲授的理论分析及其推导过程，仍然采用一步一步的逻辑分析和绘图说明，而实际工作中，现有的软件绘图技术非常发达，不需要进行手绘，且CAD分析法非常方便，精度高，大幅节省了设计时间；同时EDA软件也发展迅速，直接通过专用软件就可以仿真出电流和电压情况。可以看出，在传统的课程中，在对理论的分析和计算方法上需要与时俱进，要与目前产业发展情况相吻合，跟上时代的步伐，否则培养出的学生知识结构将会与社会需求存在差距。

本课程将在分析和计算上，引入软件仿真设计理念，重点在CADe-SIMU和Proteus等设计工具上对学生进行引导和教育，提升学生对目前技术的认识；同时，引入前沿科技问题，如多目标机电系统最优化，大数据条件下的机电结构选型与分析等，加深学生对未来技术发展的认识。

2.3 发挥线上信息化优势，构造线上线下混合式课程新范式

在疫情期间，线下教学存在一定困难，甚至无法开展，因此进行线上教学十分必要，学生可以通过线上反复观看课堂教学内容，避免了以前上课未能及时消化带来学生不理解知识点的局限性。学生可以通过视频和教学资料实现自学。对于教师而言，利用线上课堂问答、作业和考试等方式，可以及时了解学生的学习情况，这是线上教学的优势。例如，可以很容易对一章或几节内容进行考试，时间随意，不受地域限制，也无需准备纸质试卷等，该类考试由于范围较小，可以将所有需要注意的知识点都考虑到，能够及时反映学生对知识的真实掌握情况，以便教师分析，及时调整教学方向。

基于上述分析，本课程充分利用线上教学的优势，提出以评为主线，实现学生自学、重点讲授、工程问题牵引、课余时间一体化的教学和学习新范式。对部分较容易理解的内容，教师可在线上提供若干优质讲授视频和多媒体课件，要求学生自己自学，不在课堂上进行讲述，该部分内容通过以评促学方式进行考查，即通过线上作业和考试进行评定；对于重点内容，以线下教学为主，重点解决学生对知识点的理解，线上提供相关教学视频，并配上相应知识点的例题和详细解题分析视频，实现全天候、全视角的知识点解析，直至学生掌握。提出工程问题，目的是培养学生学以致用的能力，给出复杂机电问题，挑战工程难题，以及先进分析方法等，该部分内容重点在于布置任务、过程监督、问题解答等工作。核心的工作是学生通过课余时间来完成，实现课上和课下时间比例为2:3的学习模式，充分将学生课余时间利用起来，实现对学生知识和技能的培养。

实现过程化考核，不以期末考试定最终成绩，按照章节考试、复杂问题及实践环节、期末考试、课堂互动情况、出勤与作业的比例为30:30:25:5:10进行分配成绩。

3 结论

基于“两性一度”的金课标准，通过培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维为主线，在基本知识教学基础上，增加复杂机电工程问题分析的大型作业或基于CADe-SIMU的仿真模型，提高了高阶性；通过引入仿真软件等先进分析软件，提高学生通过计算机解决问题的能力，引导学生在解决机电控制方法、机电系统优化和控制运动综合上的技术创新，提高了创新性；从基本原理出发，添加原理的机理分析以及理论推导过程，提升学生对工程问题的解决能力，使得学生对知识掌握得更加深刻，达到了挑战度的目的。同时把课程内容与产业发展相结合，引入软件仿真设计理念，重点在工业设计和分析软件等设计工具上对学生进行引导和教育，提升学生对目前产业技术的认识。课堂学习内容采取线上线下混合式课程新范式，多维度地获取学生的学习反馈信息，使得教学模式更加灵活有效，实现教学的信息化，提高了教学效率和学生自主学习的能力。通过“机电传动与控制”课程的教学改革，进一步培养了学生创新实践和解决问题的能力，提高了课程整体的教学水平。