融合知識網絡與認知結構的計算機控制技術教學初探

閻高偉 鄭 晟 李國勇 賈敏智

太原理工大學 山西太原 030600

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融合知識網絡與認知結構的計算機控制技術教學初探

閻高偉 鄭 晟 李國勇 賈敏智

太原理工大學 山西太原 030600

摘 要：針對學生知識碎片化現象，建立了自動化專業的知識點網絡。在計算機控制技術課程教學中探索了知識關聯教學策略的應用與實踐，幫助學生建立和優化自己的認知結構，進而提高學生解決復雜問題的綜合能力與素質。

關鍵詞：計算機控制；知識網絡；認知結構；知識關聯

隨著科學技術的發展，新興技術層出不窮，物聯網、工業4.0、智能制造等，對自動化專業學生的學習提出了更高的要求。面對各種各樣的新興理論和技術，在總學時固定的情況下，如何在有限的時間內提高學生的能力是一個值得深思的問題。一方面需要在各門課程中夯實知識基礎；另一方面要在課程教學中培養學生對知識要素的融合貫通能力，使學生的知識形成網絡，從而提高學生對知識的綜合利用能力。為達到這一目標，需選擇一些關鍵性的節點課程，發揮課程自身的特點，強化橋梁作用。

計算機控制技術是很多高校自動化專業都開設的一門專業課程，該課程融合了模擬電子、數字電子技術、計算機及接口技術、自動控制理論、電力電子技術及網絡通信等多門課程的知識，具有涉及知識廣、綜合性強及理論和實踐并重的特點，如果能充分發揮該課程的作用，將有助于為學生架起知識的橋梁。但在實際中學生普遍反映該課程難學，難以達到設置該課程的初衷和目的。正確處理本課程與其他課程的關系以及它們之間的內在聯系，形成完整而系統的知識體系，是本課程的主要作用之一［1］。為此，我們從知識網絡的角度對自動化專業的課程進行分析，從有利于形成網絡化認知結構的角度對課程教學進行了設計，以期獲得較好的教學效果，為新時代特點下的教學提供有益的思考。

1　計算機控制技術課程特點和教學中的問題

1.1計算機控制技術課程的特點

計算機控制技術課程具有如下特點：課程外延廣泛，從現有的教材和教學內容來看，涉及的知識點多而雜，大都包含了通道硬件組成、人機接口、網絡通信、數據處理、控制理論、控制算法、軟件編程等內容。上述內容相互交織，過渡銜接連貫性較弱。從事過計算機控制系統開發工作的人很清楚是利用上述知識組成一個系統，但對于沒有實際工作經驗的學生來說卻表現為相互矛盾的第二個特點，即本身要形成系統的課程，卻因內容跳躍性強，造成學習的系統性較差的特點。此外，該課程還有硬件、軟件、理論和算法多能力要素相結合的強實踐性特點。有研究指出，該課程的掌握需要學生有良好的基礎、嚴密的思維、較強的實踐能力和系統解決問題的能力，反過來思考一下，該課程的設置正是為了提高學生的上述能力［2］。

1.2計算機控制技術課程教學的問題

計算機控制技術課程在教學過程中存在較多問題，已經有很多文獻進行了總結和分析，其中有：課程涉及的內容很多，計算機系統類型多，在課堂上全面介紹很困難［3］。課時短學時較少，較多時間用在了理論和方法的學習上，制約了學生應用理論知識解決實際工程問題的能力［1］。多學科多課程交叉、實踐性很強的課程需要學生有較強的綜合能力，但學生缺乏解決實際問題的綜合能力的問題［3］。注重理論知識教學，不注重學生實踐方面的培養造成理論與實際生產脫節的問題［4］。沒有對所學知識進行完整的、系統性地梳理［4］。先學課程學習中忽視動手能力的培養，及缺乏相應的工程實踐機會，從書本中找答案，不能靈活應用知識來解決問題［1］。實驗設備落后，實驗時間少，軟硬件基本脫節，限制了學生自主動手設計能力的訓練，理論教學與實驗教學不能有機結合［1］。

上述問題普遍存在，但筆者認為教學過程中沒有很好的建立知識點之間的聯系，所形成的知識點孤立是一個重要的問題。舉例來說，學生都學過總線、地址，但在過程通道中，卻難以將IO編程時指令的操作地址與硬件的地址有機聯系起來。學生雖然知道PID算法的幾種表示形式，但卻不知道如何數字化并編程實現。從知識點的角度而言，這些要素在以前的課程中都介紹過，而學生卻難以解決上述問題。造成這些問題的主要原因是忽略了知識之間的內在聯系。

2　基于知識網絡的自動化專業知識體系分析

學生綜合應用的能力很大程度上依賴于知識的聯系，有經驗的人可無意識地勾勒出一個復雜的知識網絡，把概念、原理、部件、理論、算法和程序等要素有機聯系起來，但學生尚缺乏這種關聯能力。為了給學生提供一個清晰的知識脈絡和關于計算機控制系統的認知結構，本文首先從知識網絡的角度對計算機控制技術課程及自動化專業知識體系進行分析。

知識網絡最早是由現代認知心理學家E.加涅提出［5］，目前已經常出現于各類研究和應用中。本文考慮知識與知識之間的網絡［6］，基于高等教育中自動化專業本科知識體系，將知識體系中的課程內容進行分解，選取了合適的知識內容定義為節點，以先學關系為基礎構建了符合專業知識內在規律的有向知識網絡。網絡包含自動化本科專業常見的37門課程、287個知識單元、1 422個知識點，現階段提煉出4 988條知識關聯。所建立的知識網絡如圖1所示。

圖1　自動化專業知識點網絡

可以看出，自動化專業的知識點之間存在著廣泛的聯系，相應的知識單元和課程也交互聯系，共同形成了自動化本科專業的知識網絡。如果從系統論的角度分析，學生在大學階段所形成的控制學科的認知結構看成一個知識系統，各門課程的認知結構就是知識系統的子系統，各門課程之間互相聯系、交織影響，形成該專業的整體認知結構。

可以采用復雜網絡的方法對知識網絡進行分析，獲得知識網絡的特性。這里我們重點關注知識點的入度值和出度值。每個知識點的入度表示的是當前知識點需要學習的先行知識點的數目，入度值大則表示該知識點受到多個先學知識點的影響，是對先學知識點的綜合。出度值大則表示后續的許多知識點會用到該知識點的知識，如果該知識點學習不好會對后續的知識點學習產生較大影響。通過對所建立的網絡進行分析，計算機控制技術課程的標準化后的入度為8.160 6，在37門課程中的入度值排序為2，僅次于運動控制系統，充分體現了該課程的綜合性和橋梁性的特點。由此可以看出該課程對學生形成關于自動化專業的整體認識結構的重要性。

3　基于認知結構的計算機控制技術課程教學策略

3.1計算機控制技術的認知結構分析

狹義地看，認知結構是學習者在某一特殊知識領域內的知識的內容和組織［7］。通過新舊知識反復同化，最后形成一個綜合貫通的網絡結構［8］，教學過程中有目的地引導學生構建良好的學科認知結構，有利于學生對知識的掌握、記憶和應用，構建良好的認知結構是培養學生學習能力的核心［9］。

計算機控制技術的認知結構首先包括課程知識內容在頭腦中的反映，即有關的基本概念、設備元件和理論算法在學生頭腦中的映射。其次是建立在上述內容基礎上的知識組織結構，把相關知識點組合成計算機控制系統的內在邏輯聯系，它是一個立體的結構，而不是接口、元件、理論和算法的簡單堆砌，應當是依據各知識點之間的層次關系、內在聯系和邏輯順序形成的結構層次分明、脈絡清晰和聯系緊密的知識體系。上述聯系中還包含著各知識點為什么聯系、如何聯系、聯系的內涵等深層次內容，從而可以升華為關于計算機控制系統組成和相關技術應用的一般規律及其基本思想方法在學生認知結構中的合理映射，形成學生利用計算機及控制理論解決工程問題的能力。

對于學生而言，這一認知結構應當是多層次立體的網狀知識體系。表現為從元件、模塊、單一控制器和分布式控制系統逐級遞升的認知層次，而每一層、不同層都有相應知識點連接關系。通過知識點的連接形成知識網絡，網絡節點作為固著點，接納新的知識，能通過網絡節點之間的聯系，順暢地過渡到其他節點，并由節點之間的聯系派生出不同問題的解決方案，進一步豐富網絡連接，加強系統結構的強度。

計算機控制技術不是該專業的第一門課程，學生在前期已經形成了關于本專業的一些認知結構。由于計算機控制技術的綜合及橋梁特點，需要在前期形成的認知結構的基礎上進行認知結構的提升和系統化，從而加強與其他課程知識的聯系，通過同化和順應與其相互作用， 使認知結構得以擴大、重組和優化，逐漸形成健全和完善的學科認知結構。

3.2基于知識關聯的計算機控制技術課程教學

學生的學習過程就是專業知識網絡的編織的過程，也是關于課程和學科知識認知結構的擴充、深化和豐富的過程，為了幫助學生建立自己的知識網絡形成良好的認知結構，我們遵循的原則是在基本認知結構框架的基礎上通過知識關聯來加強概念同化。

3.2.1建立計算機控制技術的認知結構框架

計算機控制技術是一門高度綜合的課程，是元件與設備、設備與系統、硬件與軟件、強電與弱電、理論與算法及算法研究與程序實現的結合。需要用到以前多門課程的知識。如果從知識網絡的角度來看，有了相應的知識點并建立的連接關系，應該是體現了認知結構及其框架性。但是在知識網絡中眾多知識點之間相互連接，錯綜復雜，學生難以理清頭緒，利用知識網絡指導課程的教學需要根據該課程的特點，將知識網絡與計算機控制系統的框架有機結合，形成系統部件結構分明，模塊作用明確，內涵關系清晰的課程認知結構框架。

具體而言，計算機控制系統課程具有層次結構，在硬件上由元件、模塊、控制器到多機控制系統，其中每一部分又需要相應的軟件操作知識相對應。在每一層次為學生建立結構框架，尋找知識的固著點，將知識點嵌入其中。計算機控制系統中的某一個板卡或模塊依據其功能需要采用什么樣的元件，如何依據電氣、邏輯特性進行組織完成某一功能，其元件之間的連接和組織就可以視為一個網絡，而對應到知識網絡中則可映射為一些知識點之間的連接關系。上升到單一計算機形成的控制器，則表現為不同板卡模塊、接口、CPU通過內部總線如何聯系形成一個協調一致的整體，相應的連接也在知識網絡中有對應的映射。再上升到由若干臺計算機形成的控制系統，則表現為不同的控制器如何依據各自的特性通過外部信號連接或通信網絡形成協調一致的分布式控制系統。這個層次還可以繼續向上或向下進行延伸。但是都表現為系統、硬件、軟件、理論與算法等不同知識點之間的連接關系。

上述過程中，為學生理清楚每個知識點在知識整體中的位置，更具體一點是知識點在計算機控制系統中發生作用的位置，讓學生明白所學的知識點與前后知識點是相互聯系和制約的。從而由控制系統整體結構的角度出發，來看待組成課程的不同知識單元，建立起整體的系統觀念，消除學生對于該課程跳躍性和不系統的認知偏差。

3.2.2通過知識關聯強化學生的知識網絡

知識關聯是知識與知識之間通過某一中介為紐帶，所建立起來的具備參考價值的關聯關系。文獻［10］指出一切知識都是由節點以及由節點構成的網絡來表征的，學習的過程就是節點之間聯結的建立、強化或弱化過程，聯結的節點多思維就寬廣。這也就是本文研究知識網絡的目的，遵循這一思想，我們在教學過程中注重加強知識的關聯，一方面強化本課程的教學，另一方面形成本課程的橋梁作用，將有關各門課程的知識有機地聯系在一起。

在教學過程中我們結合知識網絡分析的結果，對于入度高的知識點予以重點關注，選擇一個主要的先學知識點為固著知識點，以固著知識點為基礎將其他知識點逐步引入，向學生講清楚各個知識點之間的顯性與隱性聯系，從而培養學生的綜合能力。對于出度高的知識點的講授過程中注意加以引申，為學生講清楚將在什么地方使用，從而便于專業知識網絡和認知結構的形成。

知識關聯教學通過兩方面進行，首先是進行課程內的知識關聯。在建立認知結構框架的基礎上將知識點嵌入到固著點之間就是知識關聯的一種實現。我們更注重為學生建立隱性知識關聯，尋找聯系的關鍵點。例如在計算機控制系統中學生通過自動控制原理學習過PID控制算法，也知道差分方程能夠編程實現，但是學生往往忽略如何將傳遞函數轉換成差分方程，從而造成只會利用傳遞函數分析系統卻無法編程實現的問題。教學的重點是為學生點清楚兩個知識點之間的關鍵聯系—連續系統離散化的方法。

其次是進行課程間的知識關聯。我們收集與課程相關的其他課程中的先學、后繼以及可以類比的知識點的電子文檔，充分利用電子教學手段的便利性，在授課過程中以小片段的形式向學生展示。對于先學知識點予以短時間的回顧，喚醒學生大腦中的記憶，便于形成牢固的固著點，對于后續知識點簡要介紹當前知識點在后續知識點中的用處，便于知識網絡的延伸。同期開設的課程中則注意進行類比。例如，學生經常搞不清楚可編程控制器課程與計算機控制系統的關系，我們在緒論中首先以計算機控制系統的組成為基礎向學生講清楚可編程控制器也是計算機控制系統的一種具體實現，在講解過程通道的相關內容時，將可編程控制器輸入與輸出電路同步的展示在課件中，與本課程中輸入輸出通道內容進行類比。而這些內容并不需要多講，只需要簡短的幾句話就能起到非常好的效果，從而便于學生對計算機控制系統及相關課程內容的理解，強化認知結構的同時，也增加了知識點的區分度。

4　結束語

知識碎片化嚴重影響學生綜合分析和解決問題的能力，良好的認知結構能降低知識碎片化的影響，有利于新知識的學習和嵌入，知識關聯有助于認知結構的強化，將二者結合起來有利于培養學生綜合分析問題和創造性地解決新問題的能力，從而有助于培養學生對海量知識的自學和應用能力。筆者從2012年開始建立自動化專業的知識網絡，在此過程中自身對專業的教學體系有了更深層次的認識，并嘗試將其與認知結構和知識關聯教學相結合，應用于本科課程教學。在計算機控制技術的教學實踐中已經收到良好的教學效果。今后還將繼續深化和完善自動化專業知識網絡，探討知識網絡與認知結構以及知識關聯教學的深層次結合，不斷地繼續總結教學經驗，努力提高學生分析問題、獲取信息和綜合應用知識的能力。

參考文獻

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［10］ 周和玉，王華偉，郟林.面向知識創新的知識關聯系統研究［J］.情報理論與實踐，2013（10）：66-68.

收稿日期：2016-04-05

作者簡介：閻高偉，博士，教授，副院長。

基金項目：山西省教學改革研究項目“地方工科院校自動化類專業創新性實驗教學體系調查研究”（編號：J2013021）；“面向應用型工程人才培養的控制理論課程群建設” （編號：J2015017）

Teaching Exploration of Computer Control Technology Based on the Fusion of Knowledge Network and Cognitive Structure

Yan Gaowei， Zheng Sheng， Li Guoyong， Jia Minzhi
Taiyuan University of Technology， 030600， Taiyuan， China

Abstract：According to the fragmentization of the student's knowledge structure， an automation major's knowledge point network is constructed. In the teaching of Computer Control Technology Course， the strategy based on knowledge connection is explored to build and optimize the student's cognitive structure， and then to enhance the student's comprehensive ability and quality of solving problems.

Key words：computer control； knowledge network； cognitive structure； knowledge connection