通用技術“控制與設計”模塊的主要問題分析與對策

黃捷

摘 要：通用技術中的“控制與設計”內容屬于重點和難點，由于控制理論的理論性較強，多數通用技術的教師只接受師范教育，沒有接受自動化專業中的自動控制原理系統化的學習，使其在教學過程中存在一些困惑。本文針對通用技術“控制與設計”教學中容易產生的錯誤理解的內容進行解析，提高通用技術教師對控制理論基本概念的認識。

關鍵詞：通用技術；控制與設計；自動控制；對策

引 言

隨著課程改革的推進，技術課程已進入基礎教育階段，通用技術和信息技術是技術課程體系的兩大課程。通用技術在絕大多數省份都已經在課改過程中逐步開設。特別是海南省和山東省開設的較早，已具有豐富的實踐經驗。尤其山東省已經把通用技術納入到高考評價體系中，成為國內首個通用技術高考省份。隨著課程改革和高考改革的進一步推進，通用技術在基礎教育階段中的重要性將越發體現。

通用技術課程其教育價值越來越顯得重要，然而，通用技術師資隊伍建設相對滯后。這是多種原因造成的：第一，歷史原因。現在許多通用技術教師是原勞技課老師以及其他學科教師兼職或者轉任通用技術學科教學，其中以物理教師居多。他們往往還未建立通用技術教育系統化的知識；第二，由于基礎教育師資主要來源于各類師范院校，這些老師往往缺乏工程專業背景，他們中的絕大多數沒有學習過自動控制原理。因此在教學的過程中，難以把握“控制與設計”教學的難點、要點，甚至對教學內容表示困惑不解；第三，蘇教版通用技術教材用的比較廣泛，但是目前該版本的教材《技術與設計2》第四章“控制與設計”的許多內容的表述有欠妥當之處，要么表述不準確，要么案例過于生活化，缺乏對自動控制的深入思考，教材內容過于科普而不能突顯其中蘊含的深刻技術原理，教材的這些不足也給教師帶來了困擾。

筆者長期從事智能控制研究，近幾年又承擔了福建省通用技術新課程省級培訓，福建省通用技術教研組長培訓等工作。本文總結在培訓過程中一線教師針對控制與設計的內容提出的典型問題，最后提出解決問題的建議和措施。

1 “控制與設計”教學過程中主要問題解析

通用技術中的“控制與設計”內容屬于重點和難點，從山東省高考來看，2007-2010年連續4年都出現的知識點是控制理論，可見其重要，詳見參考文獻 [1 ]。由于控制理論的理論性較強，多數通用技術的教師只是接受師范教育，沒有自動控制原理的系統學習，在對教材的把握以及在教學過程中存在許多困惑和誤區。因此，加強教師對該教學內容的深入理解，總結與自動控制原理相關的理論基礎以及教學案例，是通用技術教師繼續教育的當務之急。

1.1 “開環控制-閉環控制”與“人工控制-自動控制”的關系不清

“開環控制-閉環控制”是控制與設計中重要的一節，許多教師容易將“人工控制-自動控制”與“開環控制-閉環控制”相混淆。首先，應該明確人工控制和自動控制的差別，掌握這兩者的區別，最直接的方法就是以是否有人參與控制過程為標準，有人參與（干預）控制過程為人工控制，否則為自動控制。關于這一點的辨析，沒有什么爭議。其次，應該區分開環控制和閉環控制的差別：（1）系統控制結構框圖中是否存在反饋通道：開環控制的控制輸入不受系統輸出量的影響，開環控制系統一般由控制器與被控對象組成（見圖1）；閉環控制存在反饋通道，系統的控制輸入受到系統輸出的影響。開環控制一般是在瞬間就完成的控制活動，閉環控制會在一定時間內持續作用。（2）功能特性及應用場合：相比閉環控制，開環控制主要不足在于控制精度和抑制干擾的性能都較差，而且對系統參數的變動很敏感。因此，一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，精度要求不高，定時，控制的結果是控制開啟關斷的場合，如步進電機的控制，簡易電爐爐溫調節，水位調節，紅綠燈定時控制系統、樓宇的防盜報警控制系統、火災自動報警系統、公園的音樂噴泉自動控制系統、無人機著陸末階段控制等。

許多一線教師認為“閉環控制不一定是自動控制，但自動控制一定是閉環的”。這是錯誤的觀點，兩者并沒有直接的關系，控制系統里有采用開環控制也有采用閉環控制。開環與閉環是控制系統整體結構的范疇，是否為自動控制是控制系統功能實現的范疇。盡管自動控制系統以閉環居多，但開環與閉環都是自動控制的結構。開環與閉環結構不一定都能實現自動控制，是否能實現控制與控制器的設計有關，且與被控對象能控性有關。

1.2 教材中引用大量生活化的內容，束縛了對控制理論的本質的理解

目前通用技術控制與設計教學中，還普遍存在一個誤區，即大量采用生活中的案例作為典型的控制系統開展研究，如抽水馬桶，熱水器等。這些生活中的案例對于學生初步理解自動控制系統是具有代表性且容易入門。但是目前從實際教學過程中發現，不僅在教學過程中，考題中，貫穿整個教學過程中的都是“抽水馬桶”式的案例，缺乏現代自動控制案例， 束縛了對控制理論本質的理解。筆者認為應選取一定比例的先進控制應用作為而典型的自動控制的案例素材，如工業中的自動控制、軍用無人系統自動控制等。由于對控制原理認知水平不高，不少教材和習題中也常常存在一些錯誤，其本質是編者對控制理論的理解較為粗淺，如下面的選擇題是通用技術習題中常見的：

題目：下列關于干擾因素對控制系統的作用，說法正確的是（ ）

A. 干擾因素僅作用在被控量上

B. 干擾因素不會作用于開環控制系統

C. 閉環控制系統中干擾因素的作用都會反映在輸出量的變化上

D. 干擾因素都是可以利用的

四個答案都是錯誤的，因此此題無正確答案。

2 建議與對策

2.1 加強通用技術師資隊伍建設

首先，針對職后教育。通過省市縣構建三級培訓體系中的各級教育學院和教師進修院校，加強通用技術教師職后培訓。不同于其它學科，通用技術由于其技術性，在培訓過程中不能僅強調教師教育藝術的提高，更應該在培訓課程的設置中加大系統性學科知識模塊的比重。將自動控制理論等知識較為系統的講授給學員，并通過專家引領，學員自學和教學技能比武等形式循序漸進的構建、鞏固和提高通用技術教師的學科知識體系。培訓機構最好能與工科院校自動控制專業形成合作，充分利用工科高等院校專業的優勢與教育培訓機構的培訓專長相結合。

其次，對于職前教育，各師范院校應提高師范類學生的動手能力、工程思維和復合的技術能力。由于通用技術教師崗位對教師的技能要求較高等特點，師范院校的培養存在天然的不足，可以考慮與工科院校聯合培養或者參與工程實訓的方式，獲得工科院校的自動控制理論相關課程學分和實踐課程學分。此外可以直接錄用工程背景的非師范專業畢業生補充通用技術教師隊伍，在其職后培訓中加強教育教學能力即可。

對于教師自身，需要積極主動閱讀學習自動控制原理的教材和科普讀物，了解自動控制中的數學知識，使其能從宏觀上把握自動控制理論，在微觀上能針對具體的物理對象映射其對應的理論。

2.2 完善和提高教材及教輔書籍的質量

強烈要求目前的教材編寫組需要引進控制理論專家參與教材論證，進而盡快完善教材內容，補充和升華教材、教案、教輔材料的內容，提升教材質量，修改現存版本中不妥之處。如對控制的定義不夠準確；教學案例都是生活化的，雖然容易理解但是學術層次不高。教材內容應該體現“頂天立地”，從生活中的例子引入控制的概念，再通過現代工業和國防領域中的先進控制來介紹當今控制學科的發展。軍事科技是一個國家技術水平的體現，而最先進的自動控制方法往往先應用到軍用領域，適當的引入軍事科技中的控制案例能有效地提高教材質量；此外，蘇教版教材中列舉的一些控制領域網站類型過于單一，不少是工業產品介紹，作為學生的閱讀材料，其指導性和教學性不強。且不少網站的域名已經失效，需要及時更新，建議從學術界和工業界兩個角度來豐富課外網站資源的引用。

參考文獻：

[1] 李昳. 淺談通用技術課程 “控制與設計” 教學難點的突破[J]. 教育研究與評論： 技術教育， 2011 （5）： 44-46.