基于能力矩阵的教学模式改革与实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0141-02
一、引言
液压伺服与比例控制系统是高职院校液压类学生必须掌握的一门专业基础课。采用何种教学手段和评价体系才能使学生更好地掌握这门课程知识是燕山大学机电液一体化国家级教学团队教师们一直以来致力探索的问题。
2008年，燕山大学被列入国内首批CDIO教育改革的高校名单，2010年机械设计制造及其自动化本科专业被列为教育部卓越工程师培养计划名单。以此为契机，机电控制工程系的液压伺服与比例控制系统课程国家级精品课程在后续的建设及教学体系改革过程中，遵循CDIO大纲及标准，将课堂讲解、研究讨论、项目实施、汇报竞赛等多种教学形式和教学内容有机的结合在一起，调动了学生的积极性，有效提高了人才培养质量。
二、基于基础理论的启发性课堂教学模式
在课堂教学过程中，从学生的实际情况出发，根据教学任务和教学大纲，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，调动学生课堂上学习和思考的积极性、主动性，促使学生独立自主学习。启发式教学最重要的一点在于设置问题情境，让学生主动地发现问题，提高他们对寻求问题答案的积极性和自主性。结合液压伺服与比例控制系统课程具体教学情况，在授课教师的引导下，帮助学生发现问题、分析问题和解决问题，同时也要引导学生在此基础上再发现和创造新问题，举一反三，以便熟练掌握基础理论知识和培养创造性思维的能力。比如在讲授液压伺服控制系统的工作原理及组成章节内容过程中，可以这样设置问题情境：如果将人体看作一台液压驱动的机器人，那么人体的血液、心脏、眼睛、大脑、手臂和液压伺服控制系统的组成有什么相似点？引导学生思考并且进行即时提问和讨论。最后，授课教师帮助学生深入总结讨论的结果，即人体的心脏相当于一台液压泵，提供压力油；血液相当于液压传动介质，进行能量传递；眼睛相当于位移传感器、进行位置检测；大脑相当于控制器，接收、处理和发送指令；手臂就是被控制的执行器。针对液压伺服控制系统工作原理，可以这样设置问题情境：一个正常人和一个盲人去完成同一个动作时有什么区别？这就是液压伺服控制系统中闭环控制和开环控制的区别，控制精度是不同的，因为盲人没有了“位置传感器”，无法实现闭环控制，因此大脑无法得知手臂和目标还有多大的距离误差。从这样有趣而形象的问题设置情景中学生也会提高好奇心和听课的集中力。授课教师将液压伺服控制系统的组成基础知识形象化，也便于学生进行深入理解和记忆，这种启发性教学模式得到了机械工程学院本科生的一致好评。
三、基于工程问题的研究性探讨教学模式
将授课教师的科研项目中的基本概念和问题引入专门设置的讨论课课堂，同样遵循发现问题、分析问题和解决问题的启发式教学规律。授课教师将一个工程实际问题进行简化后，分组布置大作业，每个小组完成不同的问题任务。比如可以针对某一液压伺服控制系统，按照不同工况分组，讨论课上让学生对比分析各种工况下系统控制特性的异同点，组与组之间进行互相沟通交流；或者按照统一工况下不同系统参数下系统的控制特性影响规律，也可以上述两者情况综合实施，以便横向、纵向多角度对比和探讨液压伺服控制系统的特点。教师布置大作业，要求学生从参考文献查阅、分析存在的问题、系统仿真调试和分析、实验模拟验证，到最后的研究报告撰写，讨论课上的方案探讨，每一个环节都要启发学生主动思考和求解问题的强烈欲望。机电控制工程系从2011年开始通过这种大作业、小项目多种教学内容和教学模式的改革，机电控制工程系的教学质量已经得到了大幅度地提升。
四、基于三级项目的创新性实践教学模式
液压伺服与比例控制系统国家级精品课程在网络平台建设上已经充分利用了信息技术手段，除了采用多媒体课件形式的理论教学和工程实际的讨论课教学模式外，还增加了基于三级项目的实践教学环节。所谓“项目”是指具有明确任务目标的、有明确起止时间的、之前从未做过的课题工作。在理论教学和讨论课教学模式的基础上组织学生参加项目设计的全过程，将某一个教学课题的理论知识和实际技能结合起来。依托实验室中多功能电液伺服控制教学实验台，该课程分别设置了电液位置伺服控制系统、电液速度伺服控制系统和电液力伺服控制系统三种阀控缸控制策略课题及液压控制系统方针与测试四种课题。具体如下：三级项目在实施前对学生进行相关培训，内容包括仿真软件的掌握、液压控制系统硬件的使用注意事项、液压万用表设备的使用要求等，帮助学生熟悉液压试验台的基本原理及注意事项。
在项目组织形式方面，采用分组方式进行，分组时考虑学生的综合能力。5名学生组成一组，每组组长一名，负责组织本组同学的任务分配，包括项目课题的前期调研、系统设计、建模及仿真分析，以及最后研究报告的撰写、PPT讲解答辩。在项目实施过程中，由授课教师或研究生对本科生进行液压系统安全、实验台用电及操作规程等相应的培训，并指导学生掌握Matlab/Simulink、AMESim等仿真软件，包括程序编程、信号的控制和采集、数据的处理等方法。在汇报答辩环节，学生要对本组的研究工作进行全面汇报，并指出在三级项目过程中遇到的问题及其解决办法，师生均参与项目成果的评价工作，从平时表现、实践操作、项目研究、知识掌握与运用、团队合作能力、讲解表达能力等多角度进行综合考察。该课程三级项目的教学模式使学生在进一步深化课堂所学的基础知识外，又提高了动手能力和团队合作意识。
五、基于能力矩阵的指导和评价体系
由于学生个体的能力具有差异性，因此不能以一个统一的标准来简单衡量学生能力的差异性。在本文上述的三种教学任务中，授课教师均可以采用能力矩阵来对学生的能力和掌握知识水平进行了解，以便采用不同的方法进行启发式教学、探讨式教学和三级项目的任务布置。针对学生个体差异性，建立以“能力矩阵”为核心考核评价体系，其特点是：提供了一个本课程的通用能力矩阵，将本课程大纲要求相应的能力目标按照A+、A-、B+、B-、C+和C-六个等级，分别表示了解、记忆、应用、分析、创造、评估六个等级，以便将教学知识点的掌握程度与具体能力等级对应便于学生对掌握知识的有所预见和评价。对于教师来说，也是便于根据学生的能力等级，对学生进行有针对性的教导和帮助，对学生而言，让他们在能力矩阵的指引下，知道自己所处的能力阶段，从而明确自己的努力方向和学习任务，最后还可以对自己的成绩进行综合评价。
六、结语
燕山大学液压伺服与比例控制系统国家精品课程主要阐述液压控制系统的建模及静动态特性分析与设计，通过不断对课程讲授形式的改革和创新，旨在提高学生接受新知识的兴趣和授课效果。通过启发性课堂教学模式、研究性探讨教学模式和创新性实践教学模式三种教学方式并行，并结合学生能力矩阵指导和评价体系，综合提高学生的知识应用能力，在每一个教学环节根据学生的能力矩阵有针对性的进行课堂讲授、课堂探讨和项目布置，帮助学生提高学习效果，得到了本校广大师生的一致好评。
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