自動控制原理課程教學方法與考試方法的改革與實踐

哈爾濱工業大學自動控制原理課程為黑龍江省精品課程。是哈爾濱工業大學航天學院控制科學與工程系為全校所有理工類專業開設的一門公共技術基礎課程，也是控制科學與工程學科的一門學科基礎課程。開課目標直接面向空間技術、軍事技術以及工業技術中的各種自動控制系統的分析、設計以及不同應用背景下的實現問題。有關教學方法與考試方法的改革是自動控制原理精品課程建設中的兩項重要內容。本文結合我們的改革實踐談一談我們對這兩個問題的認識及其做法。

一哈爾濱工業大學自動控制原理課程教學方法的改革與實踐

在教學資源滿足教學要求的條件下，選擇和使用自動控制原理課程的最佳教學方法涉及對兩個方面問題的反思。一是對學生先修課程基本情況的全面了解。二是對自動控制原理課程知識體系的深刻認識。本文從第二個問題出發，探討最佳教學方法的選擇問題。眾所周知，自動控制原理是一門關于自動控制規律的技術基礎課程。其知識體系由系統各組成部分之間的信息傳遞規律、控制規律及其這些規律的實現技術所構成。其核心任務可表述為給定一個被控對象或過程后，按工程或其它需要給定一組性能指標要求，然后再依據實際上的限制與約束，設計控制器來控制這個被控對象或過程以滿足這組性能指標要求。從方法論上講，自動控制原理要回答的問題正是針對上述要求下控制器是否存在、如果存在能不能做、如何做、做得怎樣等這樣幾個問題。經過一百多年的發展，由此而形成的這樣一個知識體系，其特點既是經驗的、又是邏輯的；既是歷史的，又是相對的；既是復雜的，又是開放的。而從方法論基礎上看，該知識體系又是模型論、控制論、系統論和信息論等相關內容的產物。實踐證明，在素質教育理念與精英教育理念的指導下，不同于傳統的經驗主義和教條主義“死”的教學方法，在課堂上，有效遷移這樣一個知識體系的教學方法主要有說明、解釋、示范、重復和協同五大方法。這些方法互為獨立，又互為補充，構成了一個有機的、“活”的整體。其內涵主要由自動控制原理所固有的知識特點以及課程所貫穿的教育理念與情境共同來決定。

1說明方法

說明是利用已有知識揭示事物本質及其內外部聯系的一種認識過程。多以實驗、假說、經驗歸納、數理演繹等形式出現。如果說要在邏輯學上給說明下個定義，則說明就是從說明項推出被說明項。由于人與知識的關系是一種單向關系，不能溝通和互動，在此情況下，要想讓學生理解，教師只能使用說明方法來實現。通過說明所獲得的理解，其效果的好壞與人的認知基礎和認知能力有關，在某種程度上也與當時師生所處的教學情境有關。換言之，教師說明水平的高低與其認知基礎、認知能力與表達能力有關；學生所能達到的理解水平的高低則與其認知基礎與認知能力有關。例如，如何判定控制系統的穩定性？就需要用到說明而不是解釋。對于較為復雜的概念，我們還可以使用隱喻的方法加以說明。例如，什么是控制系統的自由運動模態？

2解釋方法

基于認識論意義上的定義，解釋就是消除困惑和誤解；解釋就是變不知為已知；解釋就是揭示含義、闡述原因，陳述理由。多以直觀、猜測、思辨等形式出現[1]。例如，什么是控制系統的穩定性？就需要用到解釋而不是說明。換言之，在自動控制原理中，當有關定律、定理中的符號、意義及其應用不能由其他定律或定理來說明時，就只能依靠解釋。當教師面對學生時，解釋是一種雙向的互動關系，解釋的水平與理解的質量既與教師和學生各自的認知基礎、認知能力有關，也與教師的表達能力有關。在某種程度上也與教學情境對學生的激發狀態有關。從方法論角度看，使用解釋方法最多的場合是對那些本體概念與終極結果的闡釋，即對原因的原因、結果的結果的闡釋。

3示范方法

自動控制原理實驗教學中的相關儀器設備的學習使用，主要是依靠示范方法來完成的。示范常用于對那些具有規范性、程序性、演示性知識的處理，包括實驗設計、實驗過程控制步驟、儀器設備的使用方法、系統調試過程的演示等。

4重復方法

重復即反復說或反復做的意思。內容與形式的變換本質上也可視為一種重復。在教學或認知過程中具有極為重要的強化功能。在教學過程中，遇有學習上的重點、難點、關鍵點，都可以通過重復方式加以強調，以取得應有的教學效果。自動控制原理課程中有重復性說明、重復性解釋，重復性示范三種教學方式。以上是基于方法劃分的。如果從內容上劃分，重復有全部重復與部分重復之分；如果從結構上劃分，有提綱挈領性重復與細節性重復。重復的認知效果由人的認知基礎與認知能力決定。而重復的語境效果，還與教師的表達能力有關。無論哪一門課程，都有必要進行適度的重復，這對于提高教學質量具有不可或缺的作用。例如，在自動控制原理的教學設計中，我們從第一章緒論到第五章控制系統的校正，設計了這樣一條提綱挈領性全程重復主線：即在緒論一章中提出對控制系統的三個基本要求：穩定性、快速性和精確性。在第二章控制系統的數學模型中，將這三個基本要求與控制系統模型的結構參數一一對應起來：即結構參數決定穩定性，結構參數決定快速性，結構參數（與外加輸入信號一起）決定精確性。在第三章時域分析一章中，一方面將系統的動態時域行為與系統的閉環零極點（即系統的結構參數）一一對應起來，系統的閉環零極點變化，系統的動態時域行為隨之發生變化。另一方面又通過量化方式將對控制系統的三個基本要求轉化為一組表征控制系統品質的時域性能指標。在第四章根軌跡一章中，將閉環系統的根分布情況（即系統的結構參數）與對控制系統的三個基本要求一一對應起來。根分布發生變化，系統的性能隨之發生變化。在第五章頻率特性法一章中，一方面打通頻率特性與系統結構參數的一一對應關系，一方面打通對控制系統的三個基本要求與頻率特性的一一對應關系，一方面打通時域性能指標與頻域性能指標的一一對應關系（轉換關系），最后通過對比重述各章中所提及的一一對應關系，最終可將這些對應關系簡化為一個：即結構參數與三個基本要求之間的對應關系。這樣一來，就可輕松地抓住控制系統校正設計的本質：只是設法改變系統的結構參數以此來改變系統的性能，進而滿足對控制系統的三個基本要求。為了有效解決控制系統校正設計這一教學難點和重點，我們從第一章緒論開始，就依次在每一章中為此打下伏筆，當課程進行到第五章時，在處理校正設計這一教學難點時，就能幫助同學們順利闖關，收到水到渠成之教學功效。

5協同方法

所謂的協同教學，就是指利用兩種或兩種以上的不同教學資源，在打破教學資源之間的壁壘的條件下，在深層次上進行整合，主次分明、協調一致地共同完成某一教學目標的過程。協同教學追求的是“協同教學效應”，即“1+1>2”的整體教學效果。協同教學資源之間的相互作用具有單向性或雙向性。或具有單向的拉動作用，或具有單向的推動作用，或具有雙向的推拉作用。在自動控制原理課程中引入的協同教學內容是哲學。引入的目的有三個：一是緣自于自動控制原理的方法論色彩十分濃重，兩者之間的關系十分密切，這種協同整合順理成章；二是為了在更高的層次上解讀自動控制原理相關理論的認識論與方法論思想，從而有助于拓寬學生的哲學視野，同時也為學生運用哲學知識在更高的層次上認識事物提供了機會；三是有助于跨學科人才的培養，這是因為哲學是學科知識體系之間最好的“銜接劑”。自動控制原理所在學科在跨學科人才培養方面已經開展了多年的試點工作，已取得了多項教學研究成果。其中協同教學理念與方法的提出，便是其中的一項教學研究成果。從跨學科人才培養上來看，開展協同教學方法的研究，對學科自身的發展也具有積極的作用。限于篇幅，有關協同教學方法的具體介紹請參見文[2]。

二哈爾濱工業大學自動控制原理課程考試方法的改革與實踐

考試方法改革問題的提出，實際上是由教育和教學改革的結果引起的。教育改革使得教育從傳統的應試教育轉向素質教育和精英教育，這種教育轉向要求有與之相適應的教育評價體系為之提供有效服務。因此，當教育目標發生根本性改變后，舊的教育評價體系必須要做出及時的調整以適應服務教學的新要求。由此，作為教學評價體系組成內容的考試方法也不得不隨之改變。這就是考試方法改革的由來。

1考試方法的基本內涵

從邏輯學功用定義角度出發，可以給所謂的考試方法下個定義：考試方法就是那些能提供診斷功能、激勵功能和證明功能的學生學業成就評價方法。其外延就是現有的那些傳統考試方法，諸如絕對方法與相對方法、形成性方法與總結性方法、開卷方法與閉卷方法、筆試方法與口試方法、主觀方法與客觀方法、一元化方法與多元化方法、累加方法與非累加方法等，也包括那些劃分不太準確和對稱的諸如大作業、課程設計等。伴隨著教育教學理論的發展，特別是教育理念的轉變，這些歷史上就已經存在的主流考試方法的內涵也在不斷的發展變化，并呈現出明顯的時代特征。

2考試方法的基本問題

從教育史上看，所有關于考試方法的改革運動，拋開政治等其他因素，其核心問題就一直沒有變化過，那就是考試方法的信度與效度問題。所謂信度是指考試結果與實際情況的一致性（為真與假的判斷），即兩者的差距；所謂效度是指考試結果與教學內容或教學目標或教學構想（教學假設）的一致性（為適用性判斷），即考試結果覆蓋后者的程度。在教育理論上，一個設計良好的考試方法主要是指能在信度和效度這兩個方面有所改進或提高的方法。但在教育實踐上，還有一個問題需要予以高度關注，這就是考試方法的復雜度問題。如具體操作時的難易度、使用時產生的各種成本費用 等，而這已是管理學的問題了。因此，應考慮在教育學和管理學這兩個維度上對信度、效度和復雜度進行相應的折中，即一定要把管理學方面的問題考慮進來。換言之，即在教育學維度里應分析和研究影響信度和效度的各種不利因素及其消除方法，在管理學維度里應認真考量考試方法操作的難易度及其使用的成本與代價。教育史表明，對于這樣一個二維問題，以往的考試方法設計很少考慮到管理學維度里的問題，從而導致在信度和效度方面具有良好表現的一些考試方法由于缺少管理學維度方面的考慮，而遭到淘汰或棄用。這類方法的缺點主要表現在操作起來程序煩瑣、計分繁雜、時間成本大等方面。事實上，影響信度與效度的因素非常多，可以說會涉及一個教學系統的方方面面，教師的、學生的、設施的，甚至是環境的等等。因此，在設計或選擇考試方法時，應設法把這些不利因素的影響降低到最小。

3累加考試的基本內容

在精品課程的建設過程中，哈爾濱工業大學自動控制原理課程學生學業成就評價方法已完成了由傳統的閉卷考試方法向累加考試方法的轉變。其基本內容構成為：（1）計分方法（滿分為100分）：1）平時成績占10分；2）作業成績占5分；3）實驗成績占15分；4）兩次平時測驗成績占10分；5）期中考試成績占20分；6）期末考試成績占40分。（2）考場安排與試卷印刷：1）主講教師自行與學校教務處聯系安排考場事宜；2）主講教師自行去學校印刷廠印刷試卷。其中，兩次平時測驗取成績高的一次，自從第一次測試之后，學生的學習動力和興趣明顯提高；實驗成績由三個實驗的單項成績累加構成，每個實驗的單項成績滿分為5分。僅從內容構成上來看，累加考試的復雜度就已非常明顯了。對此應當給出其合理性辯護。

4關于累加考試的合理性

在自動控制原理課程中引入累加考試方法，而不被認為是一種瞎折騰，就需要對其合理性提供有效的辯護，以維護有關考試方法改革主張的正確性。其合理性辯護的基礎是對如下問題的教育學反思與教育哲學反思[3]。

關于考試方法。狹義地講，考試是判斷與評價學生知識遷移與技能掌握情況的手段之一；廣義地講，考試是判斷與評價學生德智體全面發展情況的手段之一。如果一種考試方法的使用能對學生的學習情況做出高效率的、準確無誤的有效判斷與評價，那么這種方法就是有效的，否則就是無效的。這是管理學之外的常識性認識。那么這種單純的教育學評價方法是什么？是累加考試？還是非累加考試？還是兩者的有機結合？甚或還是其他？

累加考試方法的設計原則。累加考試方法的設計原則是什么？從表面上看，其教育學上的一般性設計原則應是科學性、公正性、合理性、規范性、有效性、高效性、簡單性和實用性。而實際上這是任何一種考試方法設計應當遵循的重要原則和追求的目標。那么，累加考試如何才能實現這一原則和目標？

考試方法作為教育學的一個范疇，其有意義的可實際操作的內容并不多，由于學科專業的差別性，其共性或一般性特征并不多。如此，這會對具有普遍意義的累加考試方法的設計帶來怎樣的困難？

一切累加考試的共同特征是加權性。那么傳統累加考試與新的累加考試在內容與形式上有何異同？有何本質區別？新的累加考試能否取代傳統的累加考試？取代的結果如何？按照庫恩有關科學范式的理論[4]，當考試方法在其本體論、方法論以及所貫穿的價值觀中，僅有各自的內容發生非本質變化時，這種取代就不會是根本性的、全局性的。那么這種改革有何意義？這種改革會不會被認為是一種改革的偽命題？為改革而改革？

進一步的問題是：區別于傳統的累加考試，新的累加考試的內容、形式及其意義是什么？其設計依據如何確定？其實質性、針對性又如何體現？

從教育實踐上來看，每一種評價都有其各自的優缺點及其適用范圍。由于累加考試主要體現的是過程性評價。那么傳統中的結果性評價如何在累加考試中體現？

教育實踐結果表明，傳統考試方法在總體上來說不能說是失敗的，那么新的累加考試如何保證其成功性？

教育史上曾出現過名目繁多的累加考試，但大多數都由于評價效率不高而被棄用，能夠延續至今的也只有所謂的二八開、三七開之類的簡單加權的累加考試。我們如何才能突破這一歷史局限性而實現對傳統考試方法的超越？而不被認為這種改革僅僅是一種考試方法的簡單化或復雜化？

最好的評價方法應是歷史評價與現實評價的統一、主觀評價與客觀評價的統一，因此評價方法應體現出一定的辯證法思想。因為在很多時候，對學生的主觀評價往往更符合學生的客觀實際，而且這種評價也是客觀存在的。那么這一辯證思想如何在累加考試中體現？又以什么方式體現？

總之，教學方法與考試方法的改革關乎對為什么改革、如何改革、改革的效果如何以及改革的代價如何等幾個重要問題的回答，值得認真思考。有關自動控制原理課程的教學方法與考試方法的改革，其可行的方法是建立在對教學與考試實踐基礎之上的理論反思。這樣考察教學方法和考試方法改革問題的好處是：一不脫離實際，能有效避免紙上談兵。二是針對性強，能有效減少主觀隨意性。三是全面性強，能有效減少改革的漏洞。

參考文獻

[1]陳其榮，曹志平.自然科學與人文社會科學方法論中的“理解與解釋”[J].浙江大學學報（人文社會科學版），2004（2）：24-30.

[2]寧永臣，沈毅.哲學視野下的自動控制原理課協同教學研究[J].教書育人，2012（10）：78-81.

[3]沈毅，寧永臣.工程教育考試方法改革的本體論實踐問題與認識論實踐問題[C].2010全國工程教育專業認證學術研討會論文集，北京：全國工程教育專業認證專業委員會，2010：57-59.

[4]王巍.科學哲學問題研究[M].清華大學出版社，2004： 184-189.