支架式教學方法在智能控制教學中的應用

王永華 萬頻 艾雄志 朱燕飛 楊健

摘 要：支架式教學是根據最鄰近發展區理論，通過對較復雜的問題建立“支架式”的概念框架，使學生自己能沿著支架逐步攀升，從而完成對復雜概念和問題建構的一種教學策略，該方法能為學生提供一種對知識理解的概念框架，有助于學生對問題的進一步理解。文章將支架式教學方法應用于智能控制課程的教學中，實現以“學生為中心”的互動式教學，提升學生學習積極性，促進學生將智能控制知識融會貫通。

關鍵詞：支架式教學法；智能控制；應用

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）01-0105-03

Abstract： Scaffolding instruction is based on the theory of the nearest development zone， through the establishment of a "scaffolding" conceptual framework for more complex problems， so that students can gradually climb along the stent， thus completing a teaching strategy for complex concepts and problem construction. This method can provide students with a conceptual framework for understanding knowledge and help students to further understand the problem. This thesis applies the scaffolding teaching method to the teaching of intelligent control courses， realizing the "student-centered" interactive teaching， enhancing the students' enthusiasm for learning， and promotes the integration of intelligent control knowledge.

Keywords： scaffolding teaching method； intelligent control； application

一、概述

在人工智能、智能制造時代的大背景下，智能控制技術所應用的范圍越來越廣泛，對人工智能方面的人才需求也急劇上升。智能控制已經成為自動控制、人工智能領域人才培養的核心課程，智能控制主要包括專家控制、模糊控制、神經網絡控制、遺傳算法控制和粒子群控制等主要內容[1]。每一部分內容都包括具體的方法和實現步驟、嚴謹的數學推導計算、以及仿真實驗結果。該課程需要學生具有良好的編程能力、邏輯思維能力和發散思維能力。如果采用以教師講學生聽的傳統教學方法進行智能控制課程的教學，學生往往會覺得枯燥乏味，上課的積極性和主動性不高，導致教學效果差，教學任務不能達到預期的目標。

支架式教學模式指在教學時老師依據學生的實際水平提供和搭建支架，在學生的已有知識水平和課程要達到的水平之間搭一個橋梁，促進學生的學習和提升。支架式教學方法可以調動學生的積極性，提高學生獨立解決問題的能力。我們嘗試將支架式教學方法應用于智能控制的課堂教學中，以提升教學效果。

二、支架式教學法簡介

支架式教學思想的理論基礎是最近發展區理論、建構主義理論和認識發生論[2-4]。支架式教學模式的中心思想就是在學生的最近發展區內進行教學，通過在學生的已有能力和預期知識水平之間通過搭建各種支架進行引導，使得學生學會一步步分解問題，促進學生對知識的整體構建和融會貫通，同時培養學生的自學能力[5-8]。

支架式教學模式的一般由下面五個基本環節構成：進入情境、構建支架、獨立思考探索、協作學習和教學效果評價[4]。其基本環節的結構圖如圖1所示。

在進入情境這個環節中，教師要采用一定的方法將學生引入所要學習的內容和問題的情境，激起學生的興趣。構建支架環節是指在學生的已有知識水平和課程要達到的水平之間搭合適的學習支架；通過搭建腳手架，合理完成學習的過渡，使其知識的銜接更加的緊湊。獨立思考探索：提供支架后，學生們先進行獨立的思考和探索，依據自己的經驗知識和老師提供的支架進行知識框架的構建，探索解決問題的辦法；其中特別強調發散思維，理解思維，遷移思維等應用。協作學習環節：通過教師和學生、學生與學生之間的協作學習和交流，分享彼此的想法，查缺補漏，對自己的結論和理解進行修正調整，以求全面理解所要學習的知識，達到融會貫通，所學知識前后之間的鋪墊。最后就是教學效果評價環節，評價學生對知識的掌握情況，學習能力和交流能力，這也是很重要的反饋機制，有助于下次教學的改善，其評價的合理性也至關重要，盡可能的科學評價每位學生在該教學方式下所收獲的效果。

三、支架式教學在智能控制課程中的應用

（一）進入情境

在進入情境環節中，老師的任務主要是要激發學生興趣，引起學生學習智能控制的欲望。當同學們對所要學習的知識和需要解決的問題產生興趣之后，再由老師引導做進一步的探索。例如在遺傳算法部分，可以先介紹生物的“物競天擇，適者生存”這種選擇機制，然后通過引入物種進化的講解，引入遺傳算法的概念和理論框架。

學習模糊控制這章節時，先介紹其大概的原理，這可以使學生學習時有大概的框架，結合其原理框圖講課，結合圖形，表現出生動形象的教學方式。先講解模糊控制的應用，如模糊電視機、模糊空調器、模糊微波爐、模糊洗衣機等已經成熟的應用，結合相關的實物圖片，學生習得這些概念之后既有抽象理解，又有具體的實物解釋，學習時其接受的容易度大大增加。

在學習神經網絡方面知識時，可以講述其發展的相關歷史知識。1890年，W.James發表了《心理學》專著，討論了腦的結構和功能。1943年，心理學家W.S.McCulloch和數學家W.Pitts提出描述神經細胞動作的數學模型。1949年，心理學家Hebb實現對腦細胞之間相互影響的數學描述，從心理學的角度提出對現今都重要影響的Hebb學習法則[1]。通過這些講述可以讓學生對神經網絡的發展有大概的了解，也能夠通過其歷史發展規律思考下一步的發展。

（二）構建支架

在智能控制相關課程中，為了更好地實施支架式教學模式，將大部分教學過程安排在實驗室，將課程理論知識融入實驗案例[5]。首先要求每位學生根據所學的算法進行獨立編程，過程中肯定會遇到參數、函數不對的地方，引導學生自身積極發現程序所存在的問題，只有通過自身實踐動手解決，編程能力才能夠得到實際的提高。比如在《智能控制（第4版）》[1]的第三章中學習模糊控制，學生理解模糊控制的基本概念之后就可以動手編程實現。模糊控制又是在模糊數學理論的基礎上建立的一種控制方法，其中模糊量，如“高”、“中”、“低”等，控制量是由模糊推導出，這需要學生結合實踐，不斷調試直到得出較為合理的實驗參數。

每次實驗過程需要教師將實驗的目標、實驗所需的輔助知識及實驗的效果通知學生，實驗目標明確需要掌握的知識、輔助知識能夠幫助學生更好地完成實驗環節，而實驗效果則可以最大限度地激發學生獨立探求答案的積極性和主動性。在學習模糊控制時，構造控制規則是核心任務，模糊規則是用語言來表示的，每位學生的思維邏輯不同，在語言表達上也會有所不通，這些開放性的規則制定會激發學生的學習動力。

通過分組完成任務，每組建立支架結構，從各組完成任務時間，質量進行評價，產生不同特征的支架結構。教師在該過程中可以根據以往的經驗設計問題，如果回答正確，及時給予表揚，激發學生不斷追求知識的熱情；如果回答錯誤，幫助學生找到其錯誤的原因，分析之后，避免學生下次再犯同樣的錯誤。在整個支架搭建的過程中，教師需要整體把握，仔細考慮每一個支點的搭建過程，巧妙地鏈接各個支點的關系，平滑的過渡到學生所需掌握的知識點，前后聯系，互相關聯，激起學生對問題系統性的掌握。

聯想記憶是是構建支架的關節點，這些支架搭建的是否牢固，聯想記憶是必不可少的組成部分。模糊控制所用的高斯型、廣義鐘形、S形、梯形、三角形、Z形隸屬函數在《智能控制（第4版）》[1]的第七章中學習神經網絡相關知識也有所體現，學生學完兩者知識之后，由此聯想到所學的神經網絡激活函數，這種方法會使學生對知識的理解更加牢固。

構建完支架之后，學生還需要做的是不斷的練習。避免出現眼高手低的現象，特別是基本的公式推導方面尤其需要注意，公式的環環相扣，學生看上去一眼就會的知識最有可能是其疏忽大意的地方。這就好比搭建地基，需要十分堅實的底層建筑才能完成今后的高樓大廈。

（三）獨立思考探索

在興趣的基礎上讓學生獨立探索，尋求答案。在學生被教師啟發引導進入情境后，應該留出學生獨立探索問題答案的時間。該環節讓學生獨立探索問題情境中所蘊涵的意義，使學生學會通過現象看本質的能力，并通過自身努力加以提高。當學生學完該次課程之后，適當的提問，比如讓學生思考通過BP神經網絡能否聯想到卷積神經網絡（CNN），發現兩者的相同之處和不同之處。BP神經網絡除了課本上用于控制，是否還有其他用法；卷積神經網絡除了用于對圖像處理是否又能用于控制中；這些問題都可以引導學生進一步的學習。無論學生提出的想法看起來多么異想天開，都要鼓勵學生大膽嘗試，這也是突破固有思維的一種方法。

獨立思考的能力是至關重要的，所以在該方面教師需要花較大的盡力和時間研究如何提高學生的獨立思考能力。教師教授的知識都是已經成熟的，學生不僅要掌握知識本身的內容，也要掌握其所用的方法，但是所學到的這些知識又不能成為學生獨立思考的羈絆。每次教師講完課之后的提問就顯得很重要，適當引導，巧妙構思，最終的目的是學生在沒有教師引導的情況下能夠自主獨立的思考問題。

獨立思考必定牽涉到思維的發散。在學習完智能控制所有課程時，批判性的提出目前是否有合理、先進的控制方法。學生查找資料之后就會發現目前的強化學習、深度強化學習等較為前沿的控制方式。為學生將來進一步的學習、深造打下良好的基礎。

（四）協作學習

在協作學習階段的過程中有助于培養學生的團隊精神。學生共同解決一個比較困難的問題時，首先明確自己需要完成的任務以及在整個實驗中所發揮的作用，通過不同的分工合作進行聯系。最后每個人提出在該實驗中所學的心得，大家互相交流，進行頭腦風暴的方式互相提問，從不同的角度，不同的方向進行思考問題。學習專家控制時小組成員探索每個模塊具體的作用，學習模糊控制時每一位學生再仔細研究模糊算子、模糊規則的具體涵義，學習BP神經網絡時嘗試發現其中的黑盒原理，這樣既能每位學生合理分工，深入合作，又能達到共同進步的效果[6]。

協作學習是高效學習的一種方式。就神經網絡控制來說，其控制的結構類型可以分為：神經網絡監督控制、神經網絡直接逆控制、神經網絡自適應控制、神經網絡內模控制、神經網絡預測控制、神經網絡自適應評判控制和神經網絡混合控制等七類。這些控制類型涉及到控制器、參考模型、對象三方的構建，其不同的位置得出的控制效果不一樣。如果一個學生要認真研究每一個模型的話，其工作量是驚人的，也不現實，所以分工合作，分別突破，這樣會使工作量大的問題得到較為合理的解決。

協作學習不但可以解決工作量大的問題，還可以達到處理復雜問題的效果。間接自適應模糊控制中，考慮n階非線性系統問題時，需要選擇控制律來消除其非線性的性質，然后再根據線性控制理論設計控制器。第一步是控制器的設計，其中所涉及建立基本模糊系統的表達式、自適應模糊控制器的設計；第二步進行穩定性分析；這些工作中需要大量的非線性數學知識的理論推導，對基礎薄弱的學生來說一下難以接受，所以需要學生之間的相互討論，辨明其中的公式要點，得出合理的邏輯解釋。

（五）教學效果評價

以上環節結束后由教師、學生及學習小組對個人的學習效果進行評價。評價內容包括：自主學習能力，對小組協作學習所做出的貢獻，是否完成智能控制框架中所有問題的學習[2]。將這些問題總結成一張表格，進行評分，由分數檢查目前所學的問題，查漏補缺，認真核實學生對各個知識點掌握情況。

除上述的評價表格之外，還需要學生寫課程總結。總結包括其學習的心得、學習知識歸納、學習方法簡介。這為學生以后的復習提供便利條件，“溫故而知新可以為師矣”。時時回顧，常常總結，良好的學習方法可以讓學生終身受益匪淺。支架式教學也需要在這些基礎的學習方法和宗旨上建立起來，只有這樣才能保證其方法的科學性和真理性。

最終在學期快結束時，由學生提交所有的評價表格和總結書，由此可以得到學生實時的學習反饋，這樣好在新學期時對支架式教學方法進行更好的改善。這樣不斷的對支架式教學方法進行更新迭代，具體問題具體分析，可以完成一份因地制宜的教學方案。

四、結束語

支架式教學模式中教學進程不再由教師完全主導，學生不再完全被動接受知識，因此學生的學習主動性得以提升。以學生目前所處的能力水平為基礎，通過教師的適當引導，逐步搭建教學支架，最終完成智能控制課程所要求的教學任務，采用支架式教學方法，在教學過程不僅能夠激發學生們積極思考的能力，也能提高學生之間互相合作，協同解決復雜問題的能力，最終達到學生能夠構建完整的知識體系的目的。

參考文獻：

[1]劉金琨.智能控制（第4版）[M].電子工業出版社，2017.

[2]劉志超.支架式教學模式在高中物理教學中的應用——以電磁場教學為例[D].山東師范大學，2017.

[3]炎士濤，趙明富，李士勇.支架式教學在嵌入式系統課程教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2017（20）：85-86.

[4]李清.支架式教學方法在方劑學教學中的應用研究[J].內蒙古中醫藥，2015（10）：118-119.

[5]茅君平.基于“支架式教學模式”的教學設計[J].物理教學，2016（9）：15-17.

[6]謝慶，梁貴書，葛玉敏.建構主義支架教學法應用中的兩個關鍵問題研究[J].教育教學論壇，2013（11）：84-85.

[7]劉巖.支架式教學模式培養學生的學習能力[J].教育教學論壇，2016（17）：188-189.

[8]王萍芳.支架式教學模式在計算機教學中的應用探究[J].計算機光盤軟件與應用，2012（19）：267-268.