控制理論在“自動控制元件”課程教學中的應用

摘要：在對“自動控制元件”課程教學改革的實踐中，以控制理論思想作為指導，在深入分析課程、學員和教員的實際情況的基礎上，建立了課程教學反饋控制系統模型，采取了優質提問教學法等多種反饋方式，取得了較好的教學效果，同時也提高了教員的教學水平。

關鍵詞：控制理論；自動控制元件；反饋控制教學

作者簡介：周鑫（1979-），男，湖南益陽人，第二炮兵工程大學控制工程系，講師；劉志國（1977-），男，湖南益陽人，第二炮兵工程大學控制工程系，講師。（陜西 西安 710025）

基金項目：本文系第二炮兵工程大學“自動控制元件”課程建設的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）31-0052-03

所謂控制，就是根據系統內外部變化，進行有目的的調整，一次又一次地克服不確定性，糾正偏差，使系統始終處于某種特定狀態的一種活動。[1]控制理論認為，任何系統、過程與運動都可以看作一個復雜的控制系統，控制理論思想的應用并不僅僅局限于工業生產或軍事設備控制方面，也可以擴展到其他領域。

教學是一種有計劃、有目的的活動。教學的目的在于使學生形成一定的心理過程及特性。學生的心理過程是有規律的，因而是可以控制的，問題在于掌握借以控制這種過程的規律。由此認為，控制理論對于教學來說，在原則上也是適用的。因此可以將控制理論的基本原理和方法推廣至教學領域，建立教學控制系統，結合教學過程的特點及規律，改革傳統教學過程，研究和解決教學過程中的一系列問題，以實現對教學過程的有效控制和全面優化，從而更好地控制教學質量，提升學員的學習積極性，提高教員的教學水平，達到教學相長的目的。

一、反饋控制教學的基本原理

控制系統由被控對象和控制裝置組成，控制方式分為開環控制、閉環控制和復合控制，傳統的知識注入型教學過程通常為開環控制方式。以學員作為控制對象，以課程教學目標為期望值，以教學效果為控制量，可建立課程教學開環控制系統，如圖1所示。

在圖1所示的系統中，教員進行課堂授課時，學員扮演的是被動接收知識的角色。從控制理論觀點來看，傳統的知識注入型教學存在著控制作用的斷續性與反饋聯系的偶然性問題，因而不是最佳的教學方式。由于缺少有效且連續的反饋信息，教員無法及時掌控教學情況，學員學習主動性差，教員教學水平提高緩慢，往往難以達到預期教學效果。

若在系統中增加前饋補償和反饋通道，則可建立閉環（反饋）教學控制系統，如圖2所示。

由圖2可知，由于建立了良好的反饋聯系，教員在教學過程中能夠及時發現實際教學效果與教學目標的偏差，從而根據反饋控制原理適時改變控制方式（調節教學內容、教學進度、教學方法和教學手段等），以保證：教學過程始終沿著教學目標的固有軌道前進；教學內容、方法和手段適合教學對象，且不斷趨于完美；教學研究與教學本身得以同步發展。

在課程教學實踐中，應該依據課程、學員和教員等各方面的實際情況，深入分析課程教學控制系統的各個組成部分，細化前饋和反饋環節，建立課程教學控制系統模型，圖3為針對“自動控制元件”課程建立的教學反饋控制系統結構圖。

由圖3可知，在“自動控制元件”教學反饋控制系統中，以自主預習的前饋補償方式以及自主復習的局部反饋方式促使學員在自控（學員自學）和他控（學員之間的相互學習、交流、激勵）方式作用下，初步消化和掌握教員在課堂授課過程中講授的理論知識。教員在課堂授課過程中，采用有效的課堂提問等方法，及時掌握學員學習動態，實時調整教學過程，以保證教學效果；課后，通過每周答疑、課后作業、課程實驗、課中考核、課外實踐以及學員針對課程提供意見建議等多種反饋方式，獲取學員對課程知識的掌握和應用情況以及學習態度、精神狀態等，并根據反饋信息適時調整教學過程，從而縮小教學效果與教學目標的偏差。在傳授知識和能力的同時，教員的授課能力也可通過自身的總結交流、教學督導組的評價以及學員的意見建議等三個反饋渠道得到及時反映，以促進教學水平的提高。

二、反饋控制教學中需要注意的問題

在教學控制系統中，教學是一種有目的、有計劃的實施控制活動的過程。要實現有效控制，首先必須建立較為準確的系統模型，然后根據課程、學員和教員的實際情況制定行之有效的控制方式。既要因“材”施教，也要因“才”施教，“材”指的是課程的教學目標和教學內容，“才”指的是學員和教員。實現因“材”施教和因“才”施教的關鍵在于構建有效的信息反饋通道。

1.教學控制系統模型的建立

系統模型越準確，控制效果越好。因此在系統建模時，必須深入分析教學反饋控制系統的各部分結構，了解“材”和“才”的實際情況，確定系統期望和反饋信息及其之間的關系。教學控制系統中需要明確的主要信息和組成部分包括：

（1）系統期望，即教學目標。嚴格依照專業人才培養方案和課程標準制定課程的總體教學目標和各章節、每次授課的教學目標。

（2）被控對象，即學員。通過課前召開座談會、課中答疑以及與學員代表交流溝通等方式全方位了解授課對象。

（3）控制方式，即教學實施方案。制定具體且具有針對性的課程教學改革方案、課程教學設計方案和課堂教學方案。而在課堂教學實施計劃開展之前，教員應該進行精心的教學準備，具體工作包括深入理解教學內容、設計具有一定特色的多媒體課件和教案、熟練掌握幾種教學方法、開發交互式課程學習網站和建設試題庫等。

（4）評價方式，即根據學員的學習情況，把實際值與期望值進行比較，對教學工作做出客觀評價。按照教學目標衡量實際成效，最理想的情況是在偏差較小時就有所察覺，并采取措施加以改善。但是，僅憑經驗是遠遠不夠的，必須制定客觀公正、切實可行的評價方案對學員進行綜合評定，才能客觀地評價教學效果。

2.反饋控制方式的選擇

在教學過程中，課堂授課是知識傳遞的一個關鍵環節，在此環節中必須采取有效的反饋方式，以獲取足夠的反饋信息。在“自動控制元件”課程教學過程中，教學組在課堂授課過程中采用了優質提問教學法（Quality Questioning， QUILT）。QUILT是一種“通過提問、理解促進學習和思考”的教學方法，包括精心準備問題、適時拋出問題、激發學員回答、對學員的回答進行加工以及對提問行為進行反思五個階段。[2]通過QUILT，可以調動學員的學習積極性，使更多的學員參與思考，更重要的是能夠迅速獲取學員對知識的理解程度的反饋信息。同時，教學組采取其他方式獲取更多反饋信息，主要包括每周答疑、課后作業、課程實驗、課中考核、課外實踐活動（“三性”實驗、“三小”活動、數學建模、電子設計、機器人大賽）等，使學員在掌握理論知識的同時，提高動手能力和實際應用能力。

為了提高青年教員的教學水平，教學組選擇三種信息反饋渠道，采用自控（自我提高）和他控（其他教員和學員反饋）兩種方式促使青年教員提高教學能力。首先，青年教員在授課過程中自己進行教學內容、教學方法、教學手段的學習和總結；此外，系室領導、督導組教員和教學經驗豐富的老教員利用課前試講、平時練講、隨堂聽課、教學檢查、課下交流等方式督導和幫帶青年教員；在授課過程中，學員是最好的聽眾，也是最佳的評委，他們能夠通過多種方式提供關于課程教學的意見和建議。

3.反饋控制教學中的時間分配

采用QUILT教學法，在提問以及解答疑問的過程中，將會延長課堂授課時間，可能出現授課內容與授課時間沖突的問題。針對這一問題，教學組采用的方法是充分利用MATLAB輔助教學，提高教與學的質量和效率。[3]科學計算與仿真軟件MATLAB是控制類專業的科研工作人員常用的工具軟件，將MATLAB引入教學過程中，能夠大幅度提高教員教學和學員學習的質量和效率。課程組自主開發了常見自動控制元件的MATLAB仿真教學軟件，包含直流電動機仿真教學軟件、交流電動機仿真教學軟件和步進電動機仿真教學軟件等，較大幅度地提高了教學效率，在教學過程中受到學員歡迎。

三、實踐與總結

教學組以“自動控制元件”課程為實踐對象，建立了課程教學反饋控制系統模型，并將反饋控制理論應用于2010-2012年度“自動控制元件”課程的教學過程中，教學效果良好，學員滿意程度高，同時，校各級督導組對“自動控制元件”課程授課質量認可程度也有較大提高。學員在學習自動控制元件理論知識的過程中，積極參與課外實踐活動，在近三年舉行的全國機器人大賽和電子設計競賽中，獲得多項冠軍，為學校爭得了榮譽。

在建立準確的教學控制系統模型的基礎上，采用優質提問教學法以及其他多種信息反饋方式，教員能夠及時把握學員的學習動態和對知識的掌握情況，從而依據反饋控制原理調節教學內容、教學進度、教學方法和教學手段，以保證教學效果；同時，通過教學總結、教學督導、幫帶交流、學員建議體會等反饋方式，教員也能夠不斷地獲取信息，及時了解自己在教學過程中存在的問題，從而深入教學研究、改進教學方法，以提高教學水平。

由于反饋控制系統的控制過程是一種逐漸減小期望值與實際值偏差的過程，因此該方法對于不同的教學對象、不同的教學內容、不同的任課教員具有較好的普適性。控制理論在“自動控制元件”課程教學過程中的應用具有良好的示范意義，完全可以推廣到其他課程的教學中去。

參考文獻：

[1]金觀濤，華國凡.控制論和科學方法論[M].北京：新星出版社，2005.

[2]Walsh，J.A，Sattes B.D.優質提問教學法[M].劉彥，譯.北京：中國輕工業出版社，2009.

[3]周鑫，楊艷麗，張合新.MATLAB在“自動控制元件”課程教學中的應用[J].中國電力教育，2009，（8）：77-80.

[4]梅曉榕，柏桂珍，張卯瑞.自動控制元件及線路[M].第四版.北京：科學出版社，2007.

（責任編輯：劉輝）