思維導圖在控制技術與系統課程教學中的研究與實踐

舒雙寶 黨學明

合肥工業大學儀器科學與光電工程學院 安徽合肥 230009

思維導圖是由英國學者東尼·博贊(Tony Buzan)于20世紀70年代提出的一種革命性的輔助思考工具，主要是通過運用圖文并重的技巧表達一種發散性思維，從而達到增強記憶的效果[1]。相對于傳統的線性記錄方式，思維導圖更加注重各主題之間的層級關系和邏輯關系，它能夠將主題間相互關系通過相關的層級圖完美地展示出來，從而形成對某一事物的整體和系統的認識，有利于對概念的深刻理解和主動思考。目前，已有很多教師將思維導圖應用到課程教學之中[2]，通過思維導圖可以幫助教師建立課程完整的知識框架體系，使整個教學過程更加系統科學，有效地促進了課程教學過程中師生間的溝通與交流，加深學生對課程學習內容中基本概念和設計方法的理解和掌握，有利于提高學生學習能力和思維能力。

本文在分析控制技術與系統課程特點和教學現狀基礎上，提出將思維導圖引入到該課程的教學中，通過教學實踐證明此種教學方法可明顯地提高教學效果。

1 控制技術與系統課程特點

1.1 控制技術與系統課程簡介

控制技術與系統是測控技術與儀器專業的一門重要的主干必修課程[3]，根據專業教學計劃，該課程安排在第7學期，共40學時。主講教材是黃惟一、胡生清主編的《控制技術與系統》(第2版)[4]。本課程的主要內容有執行元件、模擬以及數字控制技術的基本原理及使用方法、順序控制系統與過程控制系統的理論分析與工程設計、控制系統的仿真應用以及控制系統設計方法與應用實例。著重介紹常用的PID控制技術，此外還介紹了模糊控制和神經網絡等智能控制技術、專門介紹了控制系統的仿真技術及系統設計等。

1.2 課程教學中存在的缺點與不足

控制技術與系統課程是從系統的角度闡述控制系統分析與設計方法以及設計控制系統結構體系, 并注重學生實際工程設計能力的培養[5]。本課程具有一定的綜合性和交叉性。內容涉及面廣，但課程學時有限，課程教學過程中很難面面俱到，但若走馬觀花式的教學，又無法加深學生對知識點的理解和掌握，不利于學生掌握知識以及從總體上把握課程的知識系統，從而會影響教學效果。

另外，該課程中數字控制技術、復雜控制系統特性等部分需要進行數學公式的推理和理解，學生對煩瑣的數學計算以及控制系統分析過程普遍感到不容易理解，部分概念還比較抽象，從而影響學生的學習興趣，一些學生對不同知識點的相關概念容易混淆不清，不能將各個知識點聯系起來設計控制系統的綜合題。這些問題的出現說明了學生沒有真正理解本課程的學習內容。為了達到課程的教學目的和效果，在控制技術與系統課程教學中引入思維導圖，從整體上使學生對控制技術設計過程進行把握，從而激發學生學習的興趣，提高教學質量。

2 思維導圖在控制技術與系統課程教學中的應用

基于控制技術與系統課程的特點，本課程教學中采用思維導圖作為組織、演示和激發學生思維的有效工具，在教學的各個環節中發揮積極作用。講授時，可以圍繞本課程知識全景圖的分支點，繪制其相應的思維導圖向學生講授各細節知識點，每一講都圍繞著思維導圖開展講授。這里，我們列舉了兩個應用思維導圖進行課程教學設計的實例。

2.1 構建課程內容體系

該課程中涵蓋的內容比較多，在講授課程的時候教師要利用思維導圖引入課程，使學生對課程有個整體和全面的認識。在實際教學中筆者使用MindManager 8制作的該課程體系的思維導圖如圖1所示。

圖1　課程整體結構思維導圖

在基本反饋控制系統中，一個控制系統通常由比較單元、控制器、執行機構、控制對象以及信號傳感檢測單元部分組成。結合圖1的思維導圖，使學生很容易建立這種控制系統的概念。本書共分為7章，緒論部分是主要內容的前言和概述。第2章執行元件就是對應執行機構部分。第3章控制技術介紹常用的控制方法，對應控制器部分。第4和5章中分別介紹在應用中最常見順序控制和過程控制系統，使學生掌握相關應用領域以及應用技術。在6和7章主要教授學生設計控制系統的能力，包括仿真設計和工程實踐。通過圖1，學生可以直觀地認識課程的各個知識點，并能清楚認識到學習的目的和內容的重點所在。在實際教學中，再以此圖為展開，講解各個知識點，通過思維導圖把控制系統的各個知識點有機地連接起來，使學生容易理解和掌握知識點的關系，激發學生的學習興趣和學習熱情。

2.2 PID控制教學案例與分析

教師在教學中首先建立一個課程結構總圖，在每章教學可按各章節的知識點及其相關知識構造全景圖?，F以本教材第3章第一節PID相關控制規律為例介紹。首先構建如圖2所示的教學思維導圖，將PID相關內容作為教學的子主題詞列出來，可以看出這部分內容主要包括P，I，D，PI，PD，PID共六部分內容。對每部分內容，根據知識點，可以再向下擴展，如P控制中，主要講解比例控制過程以及比例控制特點等。如果講到下一個知識點，則將P控制子主題收縮，打開下一個子主題，“+”后都是可以擴展的。如在積分變形的PID講解中，就包含積分分離控制以及變速積分PID，打開“+”繼續講解該知識點的詳細內容，依次類推。在實際教學中，學生就會根據這樣的思維導圖擴散自己的思維，同時又將知識緊緊圍繞在PID相關規律里，學習的每個知識點又關聯起來，加強學生的理解和記憶。

圖2　PID控制思維導圖案例教學圖

3 實踐教學及效果

利用思維導圖把該課程知識結構化、圖像化，給學生一種形象直觀的感覺，加強了學生對控制基本原理和各種控制技術知識的理解與掌握。教師在備課時，要根據課程整體結構圖，不斷豐富和完善各個細節知識點，使各個知識點不再孤立，而是形成一個有機的整體，這樣也便于教師對于整體知識的把握，同時又能明白教學的難點和重點所在，教師才能做到對整個教學過程的把握游刃有余。在課堂教學中，通常采用多媒體課件加板書的形式，通過教師的引導，結合多媒體課件，逐步講解教學的思維導圖。通過圖形化的思維導圖，提高了學生課堂的注意力，同時利用思維導圖的發散性，進一步激發學生的聯想，并在課堂教學中融入討論，鍛煉學生的創新性思維能力。在課后復習中，鼓勵學生自行繪制思維導圖，結合課堂講授內容，強化知識探究行為，特別是在控制系統的仿真和設計環節，鼓勵學生使用不同的控制算法、不同的控制器去設計及實現控制系統。課后布置學生設計任務，學生可以利用學習的控制基本原理知識激發學生的反思學習和創新意識，在反思的過程中可以不斷地修改自己的思維導圖，從而增加學生對知識掌握的程度和理解深度。

4 結語

控制技術與系統課程具有較強的理論性和一定的實踐性，筆者在2012，2013級學生中使用了基于思維導圖的課程教學方法，通過課程結束后對學生的問卷調查以及學生的考試成績來看，該教學方法獲得了良好的教學效果，學生普遍反映這種教學方式增加了學習的興趣和熱情，增強了學生的分析問題和解決問題的能力，特別是加強了控制系統設計模型的構建方法、性能分析以及控制設計的工程應用能力。