課程教學中加強學生知識運用能力培養(yǎng)的探索與實踐

□史敬灼

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課程教學中加強學生知識運用能力培養(yǎng)的探索與實踐

□史敬灼

【摘要】讓學生熟練掌握運用所學知識解決實際問題的能力，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎和重要組成部分，也是課程教學的主要目的。現(xiàn)以“電機智能控制”課程中專家系統(tǒng)教學為例，探討在課堂講授中減少純理論教學內(nèi)容、將應用實例引入課堂教學以加強學生知識運用能力培養(yǎng)的具體做法。

【關(guān)鍵詞】能力培養(yǎng)；創(chuàng)新能力；教學方法

在高校教學過程中加強學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，已經(jīng)成為滿足我國當前社會發(fā)展迫切需要的一個重要途徑，日益受到重視。總的來看，高校教學過程分為課堂教學與實踐教學兩部分。為了加強學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，當然需要對包含課程實驗、課程設計、實習、畢業(yè)設計等環(huán)節(jié)在內(nèi)的實踐教學進行改革，在增進教師實踐創(chuàng)新能力的基礎上，加強教師手把手指導，改革實踐過程、實踐方法與實踐結(jié)果評價體系，引導學生通過這些實踐環(huán)節(jié)切實增強動手能力，營造創(chuàng)新環(huán)境，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

但不容忽視的是，作為教學過程的另一方面，課堂教學同樣也需要做出相應調(diào)整，以適應時代要求。上述實踐教學環(huán)節(jié)，是以課堂教學傳授的知識為基礎的，本質(zhì)上是以培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題能力為目的。作為整個教學過程不可分割的兩部分，課堂教學與實踐教學必須相輔相成，形成合力，才能更好地提升人才培養(yǎng)能力。但是，由于歷史習慣、教師能力、課時有限等各種因素的制約，目前的課堂教學過程中普遍存在不同程度的與實踐相脫節(jié)的問題，影響了學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。

針對課堂教學過程中存在的這個問題，可否考慮改變理論知識的講授方式，通過知識的應用實例來傳授知識并提高知識運用能力呢?本文以“電機智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的課堂教學為例，從教學內(nèi)容組織、課時分配、講授過程等方面說明改革課堂教學的具體方法。

一、課程教學內(nèi)容組織

“電機智能控制”是電氣工程學科碩士研究生的一門專業(yè)課，主要講授以電機為控制對象的智能控制理論及其應用，內(nèi)容涵蓋專家系統(tǒng)、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡，理論授課課時為40學時。

作為人工智能的一個重要分支，專家系統(tǒng)是“電機智能控制”課程的主要教學內(nèi)容之一。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，專家系統(tǒng)已經(jīng)形成較為完整的理論體系，知識龐雜，涵蓋知識獲取、知識存儲與組織形式、知識查詢/搜索方法、推理方法、信息傳遞等方方面面，不易在較少的課時內(nèi)充分講授，需要根據(jù)課程教學目的篩選講授內(nèi)容。

在課時有限的情況下，選擇基礎的、共性的和當前常用的知識點作為課程講授內(nèi)容，是確定課程講授內(nèi)容的通常原則。進行教學改革之前，“電機智能控制”課程根據(jù)這一原則確定教學內(nèi)容，課堂講授以理論內(nèi)容為主，教學效果并不理想。調(diào)查表明，學生普遍反映課堂講授較為枯燥，聽課、學習興趣難以維持；理論內(nèi)容較多，難于記憶，更不明確如何將這些理論知識應用于實際系統(tǒng)來解決實際的電機控制問題。

根據(jù)學生反饋，考慮改變課程知識的講授方式，將原來以理論內(nèi)容為主、舉例為輔且舉例簡單、不系統(tǒng)的授課方式，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮榻B最基本理論知識和概念的基礎上，以實際應用例子為主，通過例子來講知識，講如何應用知識，講如何解決實際問題，講應用該知識得到的好處，講為什么選擇該理論來解決這一問題。這樣，有可能在提高學生學習興趣的同時，使學生在同樣多的課時內(nèi)學到并記住更多知識，學到運用知識的具體方法和能力。

實踐這種課程講授方式前，需要篩選授課內(nèi)容。首先，選定需要講授的“最基本理論知識和概念”。一般而言，同樣是選擇基礎的、共性的和當前常用的知識點，但不同的是，由于后續(xù)的實際例子中還有講授具體知識點的空間，因而這里選擇的理論知識點和基本概念應更為基礎和有共性。同時，針對具體課程而言，所謂基礎、共性知識點又往往與課程的具體需要相聯(lián)系。以“電機智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的教學為例，專家系統(tǒng)理論幾十年的發(fā)展，是隨其在不同領(lǐng)域的不斷應用而不斷得到發(fā)展、擴充和完善的。不同領(lǐng)域中應用的專家系統(tǒng)，有著不同的側(cè)重點。專家系統(tǒng)在電機領(lǐng)域中的應用，有其自身特點和涵蓋范圍，因而，需要講授的基礎知識應滿足其在這一領(lǐng)域主要應用的需要，而不是完整的專家系統(tǒng)的基本理論。另外，除了上述基本理論知識，還應簡單講授專家系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、設計方法，為學生的實際應用提供可行途徑。綜上所述，選定“基礎知識”講授內(nèi)容可遵循3條原則:一是專家系統(tǒng)入門，二是電機應用需要，三是要講設計開發(fā)方法。

已有文獻資料表明，當前專家系統(tǒng)在電機領(lǐng)域中的應用主要集中在以下3個方向:①簡單的專家系統(tǒng)作為控制器參數(shù)/結(jié)構(gòu)調(diào)整機制，用于在線電機控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)魯棒性；②專家系統(tǒng)用作電機控制/拖動系統(tǒng)的在線或離線故障診斷，提高系統(tǒng)可靠性；③采用專家系統(tǒng)實現(xiàn)電機控制/拖動系統(tǒng)的離線設計或是產(chǎn)品選擇。

針對這些具體應用的需要，考慮專家系統(tǒng)的發(fā)展，選定“電機智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的基礎知識講授內(nèi)容，表1列出了全部內(nèi)容。

其次，選定實際應用例子。已有文獻資料中的實際應用例子會很多，其選擇一要在課時允許的情況下盡量全面，涵蓋應用的主要方向；二要精煉，所選例子通常需要進行適當改編，簡化與專家系統(tǒng)無關(guān)的內(nèi)容，突出課程講授的主要內(nèi)容，避免喧賓奪主。據(jù)此，選定“電機智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分講授的4個實際應用例子為:①異步電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定；②故障診斷；③交流電氣傳動產(chǎn)品的選擇；④電氣傳動系統(tǒng)的配置選擇、設計與仿真。上述內(nèi)容共授課7學時。其中，基礎知識講授3學時，實例4學時。

表1　專家系統(tǒng)的基礎知識講授內(nèi)容

二、課程講授過程

基礎知識的講授過程中，在注意語言適當風趣以降低枯燥程度的同時，還要適時加入簡單的例子。事實上，這些理論知識往往都源自于對客觀現(xiàn)實、自然現(xiàn)象的歸納和抽象，或者源自于對解決現(xiàn)實問題的求索。既然如此，當然也可以從實實在在的現(xiàn)象出發(fā)來講授理論知識，這樣不僅將理論與客觀現(xiàn)象聯(lián)系在一起，便于學生理解，引導學生思考現(xiàn)象的本質(zhì)，更有可能在潛移默化中激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。例如，在講授“后向鏈規(guī)則”時，因?qū)W生在以往課程中一直習慣于前因后果的前向鏈規(guī)則推理規(guī)則，不易理解后向鏈規(guī)則的用途，故以醫(yī)生看病為例進行講解。醫(yī)生看病是生活中一個典型的后向推理過程。講解時，以在場的某個同學患感冒去看病為例，首先敘述正常的看病過程:醫(yī)生通過觀察、詢問和簡單的檢查（量體溫），猜想為普通感冒，開處置單去驗血，然后確診、開藥。設想醫(yī)生采用前向推理，不做猜想，開處置單讓患者去做全套檢查，付出高昂檢查費之后，確診為普通感冒，從而導致看病成本大幅度增加。最后，指出正常的看病過程為后向鏈規(guī)則的推理過程，就此說明了后向鏈規(guī)則的用途與用法。

在理論知識講授過程中所舉的例子應簡單、準確，專注于某個知識點。同時，也應盡量貼近學生生活，通俗易懂，或是在學生應知應會的范疇內(nèi)舉例。對應表1所示內(nèi)容，舉例內(nèi)容列出如表2。

表2　基礎知識講授過程舉例內(nèi)容

實際應用例子的講授過程中，先要介紹例子所涉及裝置/系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，解釋功能及期望性能，然后要講出該例子存在的待解決問題、為何選擇專家系統(tǒng)來解決問題、如何應用專家系統(tǒng)來解決問題、應用之后的效果如何。其中，如何應用專家系統(tǒng)是講授的重點，包含針對這一特定問題的專家系統(tǒng)設計過程，知識庫中具體知識/規(guī)則的設計，借以引導學生通過實例學習專家系統(tǒng)的理論知識和具體應用方法。同時，要特別注意講授的邏輯性，注意先后次序和適當?shù)囊龇绞剑@些往往是影響學生思路、聽課興趣和接受程度的關(guān)鍵。另外，考慮到技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，如果在講授過程中能夠提出一些具有前瞻性的解決問題的思路，當然更好。

圖1　異步電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

例如，在專家系統(tǒng)基礎知識之后講授的第一個例子，異步電動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定，是專家系統(tǒng)在電機控制領(lǐng)域應用的主要形式，需做重點講授，要說明為什么、怎么做，使學生在第一個例子中了解如何設計專家系統(tǒng)及其優(yōu)勢。該例對應的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中，除專家系統(tǒng)之外的其他部分均為學生已經(jīng)學過的知識。講授過程中，首先簡單介紹閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及各個功能模塊的作用、輸入輸出關(guān)系，詳細說明所用轉(zhuǎn)速PI控制器在實際應用中存在的問題，引出PI控制器的參數(shù)需要整定/改變以應對變化/時變的電機對象和外部擾動狀況。然后，細致講解如何設計專家系統(tǒng)調(diào)節(jié)器來整定PI參數(shù)，引出專家規(guī)則進行具體分析。講解過程中需注意細節(jié)。例如，圖示測試信號的幅度、周期如何選取，用作專家系統(tǒng)調(diào)節(jié)器輸入的系統(tǒng)誤差信號的波形狀態(tài)等，以使學生學習之后真正能用、用之能勝。

另外，可以通過改變課程考核形式來激勵學生更加主動地鍛煉能力。“電機智能控制”課程考核采用平時成績占80%、結(jié)課考試占20%的考核辦法，授課過程中要求學生撰寫幾個報告，報告成績作為平時成績。報告內(nèi)容通常為綜述、分析、比較，要求學生在查閱相關(guān)文獻的基礎上，通過歸納總結(jié)和認真思考，獨立撰寫；要求采用嚴謹、簡潔的非文學文字并列出參考文獻。例如，在專家系統(tǒng)部分講授完成后，請學生撰寫題目為“專家系統(tǒng)與電機控制”的報告，一方面希望學生能夠熟練掌握課堂教學內(nèi)容，另一方面也希望學生通過查閱文獻、撰寫報告，由聽課入門逐漸走上精通之路。

課堂教學是培養(yǎng)學生運用知識能力和實踐創(chuàng)新能力的一個不可缺失的重要環(huán)節(jié)。如何在課堂教學中更好地實現(xiàn)對學生能力的培養(yǎng)，是一個需要不斷探索并與時俱進的重要課題。本文以電氣工程學科碩士研究生“電機智能控制”課程教學為例，給出了一種通過實際應用例子講授理論知識的授課方法。該方法在5屆學生中進行了探索與實際應用，效果良好。

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（編輯：秦俊嫄）

【基金項目】本文系河南省高等教育教學改革項目“基于'貫通式'教學模式的電氣工程及其自動化專業(yè)建設研究”（編號：2014SJGLX200）和河南科技大學研究生教學改革項目“學術(shù)型研究生專業(yè)課程CDIO教學模式實踐”（編號：2014YJG-006）的研究成果。

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0568（2016）11-0019-03

作者簡介：史敬灼，工學博士，河南科技大學電氣工程學院教授。研究方向：電機智能控制課程教學。