計算方法課程專業化教學淺析

前言：本站為你精心整理了計算方法課程專業化教學淺析范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要：工程教育專業認證對工科專業基礎平臺課程提出新的要求，以計算方法課程為例，針對不同專業學生，需要有相應的專業化教學方法。目前完全按照數學課講授方式，學生的學習興趣不高，無法理解計算方法與后續專業課程之間的關聯性。針對上述問題，以機械電子工程專業為例，通過采取新型教學方法、搭建理論與實驗教學平臺、研究與專業其他相關課程的一體化教學方法、持續改進教學方案等改革措施，強化計算方法在機器人研發及工程應用能力培養過程中的關鍵作用，為其他工科專業計算方法課程教學提供借鑒和參考依據。

關鍵詞：工程教育專業認證；計算方法；機械電子工程；專業化教學；課程群

1研究背景

工程教育專業認證以成果導向教育(Outcome-basedEducation，OBE)為主要思想[1-2]，目前OBE理念已成為美國、英國和加拿大等國家教育改革的主流教學理念。自從2016年我國成為《華盛頓協議》第18個正式會員，高校工程教育改革有了更加明確的方向。東北林業大學基于此背景，于2018年重新修訂了本科教育培養方案，以機械電子工程專業為例，增設了智能機器人課程[3-5]，其涵蓋機器人技術、VC++程序設計、嵌入式系統、機器人視覺及機電一體化綜合實訓等課程。同時在機械類專業平臺課中增加了計算方法課程，為適應國內外大環境、研發智能機器人奠定基礎。機器人研發過程幾乎涉及機械電子所有專業知識，包括機械結構、電氣系統、控制系統及程序設計等。機器人可以作為機械電子工程專業學生學習的載體，所學的知識均可以在該載體上找到應用點，特別是計算方法課程中的逼近、迭代、優化等方法和理論對智能機器人研發具有重要作用[6-7]。計算方法是一門數學課，具有嚴謹性、系統性、完整性等特點，同時也是面向工程應用的基礎課，教學過程中需要融入專業的特點和應用背景，否則即是與OBE教育理念相背離，因此，計算方法的專業化教學研究迫在眉睫[8-10]。針對計算方法課程在機械電子工程專業人才培養中的關鍵作用和現有教學方法存在的問題，本文提出了理論與實踐相結合、關聯課程一體化教學和持續改進教學方法。通過近三年的教學評估和學生學習體驗調查，計算方法課程專業化教學方法取得了顯著的教學效果。

2課程教學目標及存在問題

2.1課程教學目標

計算方法是東北林業大學機械類專業基礎平臺課程，對后續專業課具有重要的支撐作用。根據OBE理念，通過理論教學和實驗訓練，學生應達到以下幾個目標：一是能夠對典型的機械工程問題，選擇合適的模型進行求解，并且能夠對模型的精度進行量化度量；二是養成算法設計思想，對模型進行解算并對結果進行分析和解釋，得到合理有效的結論，培養抽象思維、概括與分析的能力；三是能夠理解現代數學的觀點和方法，掌握數值計算理論知識并初步掌握常用算法的構造，并嘗試利用計算方法理論知識對工程中遇到的問題進行分析并改進；四是通過實驗訓練，能夠應用MATLAB等現代分析工具對實際的機械工程問題建模并求解的能力，提高對計算方法理論的實際應用能力。

2.2目前教學方法存在的問題

工程教育專業認證對工科專業基礎平臺課程提出新的要求，以計算方法課程為例，針對不同專業的學生，需要相應采取不同的專業教學方案和教學模式。如果完全按照數學課的講授方式，學生的學習興趣不高，無法理解計算方法與后續專業課程之間的關聯性，從而影響教學目標的達成。針對上述問題，東北林業大學機械電子工程專業計算方法課程組教師經過近三年的教學研究與探索，在專業課教學過程中采取新的教學方法，搭建理論與實驗教學平臺，研究與專業其他相關課程的一體化教學方法，并對教學方法進行持續改進。按照OBE理念，制訂具體的教學計劃，強化學生的機器人研發及工程應用能力，發揮人才培養過程中計算方法的關鍵作用，為其他工科專業計算方法課程教學提供借鑒和參考依據。

3機械電子工程專業計算方法課程專業化教學改革方法

3.1計算方法理論可視化教學法

創設虛擬的機械電子工程問題案例環境，搭建計算過程演示系統，讓學生直觀地認識和理解各種算法邏輯和計算流程，以達到深入掌握算法核心思想和理論的目的。以多項式插值為例，圖1是基于MATLAB的計算過程可視化系統，采用圖形界面與系統進行交互，通過輸入插值節點數，自動顯示真實值與插值，使學生直觀看到插值參數對插值精度的影響。同樣，以二分法計算非線性方程根為例，通過圖形界面輸入方程式、根的區間、二分次數上限等，自動開始計算，同時動態化顯示每次二分節點的選取位置，使學生清晰理解二分計算方程根的計算流程。可視化教學法使學生易于掌握算法原理和數值計算思想，解決學生由于算法抽象導致學習興趣不高、理解不深入的問題。(a)4節點插值(b)5節點插值(c)6節點插值圖1插值節點數量與插值效果的相關性3.2基于虛擬仿真實驗平臺的計算方法實踐教學法開展機器人研發案例實驗教學，將計算方法與機械電子工程專業之間建立聯系。以機器人操作系統ROS和機器人仿真軟件Gazebo為基礎，搭建虛擬機器人仿真平臺，建立串聯機器人等常用模型，設置機器人控制系統的計算方法程序接口，定義簡易程序文法規則。在無編程經驗的情況下，學生可以實現算法并控制機器人運動，清晰觀察機器人控制系統中算法計算過程，強化該課程在專業培養目標實現過程中的作用。以機器人末端軌跡規劃為例，如圖2所示分別應用直線線性插值和拋物線插值規劃末端軌跡，觀察運動效果，讓學生分析不同插值方法對解決實際工程問題的優勢和不足。

3.3關聯課程一體化教學方法

開展機械電子系統實訓教學，以實現串聯機器人系統為目標，從2016級學生開始，通過實訓摸索系統研發過程中所涉及知識點之間的邏輯關系，構建完整的專業課程體系。特別是厘清計算方法對于核心專業課如機器人技術、機器視覺等的支撐作用，根據機器人研發過程中應用的算法，制訂計算方法課程詳細的教學方案和計劃。如設計機器人結構時可以應用計算方法中的最小二乘法對其進行多約束優化設計；設計機器人控制系統時可以應用方程組數值解法進行串聯機器人逆運動學解算，可以應用插值算法來規劃機器人末端運動軌跡，也可以采用誤差思維來對機器人進行精準定位，等等。很多相關的計算方法應用，如圖3所示。實訓教師包括計算方法課程組成員，共同探討并制訂計算方法及其他相關課程的教學目標。通過實訓提升學生應用計算方法來解決實際機械電子工程問題的能力。

3.4持續改進教學方案

教學方案持續改進是工程教育專業認證的重要理念之一。根據一體化綜合實訓教學效果檢驗學生應用計算方法課程所學知識解決實際工程應用問題的能力，通過答辯提問、實訓效果調查等方法，分析計算方法課程教學目標的合理性及存在問題，及時改進教學方案。同時對參加工作及繼續深造的畢業生進行回訪，調查計算方法應用價值，結合當下的社會需求，進一步優化計算方法教學方案及機械電子工程專業的課程體系。

4結語

本文針對數學類基礎平臺課程教學過程與專業應用脫節的問題開展了深入研究，并以東北林業大學機械電子工程專業為例，探討了計算方法課程專業化教學方法。具體而言，一是提出了可視化理論教學法和專業化實驗教學法，將教學過程與專業背景緊密聯系，激發學生的學習熱情，增強計算方法課程在培養智能型專業人才過程中的支撐作用，使得人才培養過程更加符合工程教育專業認證和社會需求。二是通過一體化綜合實訓剖析了計算方法在整個機械電子工程專業課程體系中的作用，闡明了與其他專業課程之間的關聯性，對于持續改進計算方法教學方案及專業課程體系具有重要作用。通過近三年的探索和實踐，并以問卷調查等方式收集學生學習效果的反饋數據，結果表明：本文提出的計算方法課程專業化教學方法取得了非常好的教學效果。未來，計算方法課程組將聚焦專業化教學方法持續深入研究，拓展應用于其他工科專業，為新工科建設和智能制造培養專業化人才。

作者:李興東 李三平 王揚威 夏鵬 張琳 單位:東北林業大學機電工程學院