“自動控制原理”課程的一致性建構(gòu)教學(xué)研究

王慶鳳， 王紅波

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

0 引言

“自動控制原理”課程是電子科學(xué)與工程、通信工程等領(lǐng)域的一門本科生必修的專業(yè)課。課程的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握自動控制的基本原理及必要的現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，熟練掌握各種分析和校正方法，同時通過實驗或自主實踐將理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生一定的工程應(yīng)用能力[1～3]。

“自動控制原理”課程為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課如“計算機控制系統(tǒng)”、“嵌入式系統(tǒng)”、“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”等打下堅實的理論基礎(chǔ)，也為學(xué)生從事工程前沿科學(xué)研究增加必要的基礎(chǔ)知識儲備。

本文面向新工科教育的需求，針對“自動控制原理”課程，探討以學(xué)生中心、以成果為導(dǎo)向，注重能力培養(yǎng)，有效提升課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的一流課程要求的教學(xué)改革設(shè)計與建設(shè)方案。

1 本課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

從多年的教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)，目前“自動控制原理”課程教學(xué)中存在著一些急需解決的問題，主要表現(xiàn)在：

(1)我國目前需要大量高素質(zhì)的工程專業(yè)畢業(yè)生，而“自動控制原理”課程中缺乏教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控指導(dǎo)的教與學(xué)的模式。工程教育認證導(dǎo)向能夠推進我國工程教育改革，進一步提高工程教育質(zhì)量，工程認證依賴于以成果為導(dǎo)向的關(guān)于知識和技能的應(yīng)用教育[4～6]。“自動控制原理”課程的微觀層面(課程/單元設(shè)計)需要進行調(diào)整，設(shè)計適當?shù)膶W(xué)習(xí)活動、制定適當?shù)脑u估或評定學(xué)生成績的方法，使得工科畢業(yè)生能夠在創(chuàng)新、創(chuàng)造方面運用“自動控制原理”課程知識進行探索，成為解決問題的創(chuàng)造性領(lǐng)導(dǎo)者。另外，還需要進一步考慮如何將道德倫理和可持續(xù)發(fā)展融入到“自動控制原理”的課程中，如何將知識和技能應(yīng)用和適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，如何把創(chuàng)新精神和批判性思維包含在本課程中。

(2)教學(xué)中缺少工程背景的實際應(yīng)用，學(xué)生缺乏對工程問題的深入認知。“自動控制原理”理論性很強，有許多概念、理論和方法需要理解和運用，與數(shù)學(xué)科學(xué)聯(lián)系緊密，但這對于經(jīng)歷過高中學(xué)習(xí)的學(xué)生來說，并不構(gòu)成難度，其中的難點是如何將這些概念、分析和校正的方法與工程實際真正建立聯(lián)系，也就是說學(xué)這門課的理論知識到底如何用于實際工程中，學(xué)生很難僅僅通過理論學(xué)習(xí)獲得這方面的體會。雖然通過Matlab/Simulink的仿真可以一定程度地實現(xiàn)對控制系統(tǒng)模型、分析和校正的認識[7～8]，但仍然是數(shù)學(xué)層面的，是對理論知識的驗證和強化。如何實現(xiàn)將抽象的數(shù)學(xué)模型、信號和系統(tǒng)等到實際的物理系統(tǒng)的對應(yīng)和聯(lián)系，讓學(xué)生從理論到實踐的真正結(jié)合是需要解決的問題。比如雖然講解了控制器的數(shù)學(xué)關(guān)系和校正的原理，但是到底什么是控制器、傳感器、執(zhí)行器，他們是以怎樣的方式實現(xiàn)在實際系統(tǒng)中呢？因此我們急需那些具體的、日常易得的和容易引發(fā)學(xué)生興趣的案例來提高學(xué)生對自動控制原理的理解，幫助學(xué)生能夠從單個模塊上升到系統(tǒng)的高度、再從系統(tǒng)的角度深入到局部細節(jié)的認知和思考。

(3)學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)習(xí)慣在顯著地轉(zhuǎn)變。今天的學(xué)生體驗世界的方式發(fā)生了巨大變化，他們幾乎沒有經(jīng)歷過不用手機和互聯(lián)網(wǎng)的生活，新一代學(xué)生的特點是：他們隨時在線，比以往更加活躍；他們常常通過電子方式交流，而不是面對面；喜歡在線獲取作業(yè)幫助。有些學(xué)生的注意力廣度明顯下降，比如上課攜帶智能手機，而不使用本、筆和計算器等，不喜歡在紙上做筆記；學(xué)生對著黑板拍照，需要課程材料的PPT。因此，對于這些學(xué)生最重要的技能應(yīng)該是“學(xué)會學(xué)習(xí)”，離開“舒適區(qū)”。因此在“自動控制原理”課程教學(xué)改革中面對的問題是如何向多樣化的學(xué)生群體提供高質(zhì)量、以學(xué)生為中心的課程教授，如何使學(xué)生提出真正的問題，如何促進學(xué)生們的協(xié)作學(xué)習(xí)，提高學(xué)生在工程教育學(xué)習(xí)中的靈活性、選擇性和多樣化，確保不同學(xué)習(xí)需求的學(xué)生獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗。

2 面向新工科教育的教學(xué)設(shè)計

2.1 一致性建構(gòu)

一致性建構(gòu)(Constructive Alignment)的基本出發(fā)點就是為高校課堂上的大多數(shù)學(xué)生提供高挑戰(zhàn)和高支持的學(xué)術(shù)環(huán)境[9,10]。其理論內(nèi)涵包括兩個方面：一方面從教師的角度看，一致性體現(xiàn)為一種教學(xué)設(shè)計，即預(yù)期學(xué)習(xí)成果、教與學(xué)過程、評估任務(wù)三位一體，保持一致。教師設(shè)計教與學(xué)活動支持并引導(dǎo)學(xué)生完成預(yù)期學(xué)習(xí)成果，并通過學(xué)生參與評估任務(wù)予以證明。另一方面從學(xué)生的角度看，學(xué)生要遵循構(gòu)建主義的方法，從自我的學(xué)習(xí)中主動學(xué)習(xí)知識和進行意義構(gòu)建，通過改變自我的認知結(jié)構(gòu)吸納新的知識、信息和方法[10,11]。有一些文獻對一致性建構(gòu)原則在中國高等教育教學(xué)中的設(shè)計與應(yīng)用進行了研究。侯珂珂等為實現(xiàn) Java 課程教學(xué)成果與教學(xué)目標的一致性，提出線上線下相結(jié)合的混合式一致性建構(gòu)教學(xué)模式[12]。雷正玲等基于互動課堂教學(xué)平臺，開展了一致性建構(gòu)理論的實踐研究, 并總結(jié)了三種教學(xué)成效目標設(shè)定下的具體教學(xué)實踐方法[13]。吳燕華等以一致性建構(gòu)原則為指導(dǎo)，開展遺傳學(xué)混合式教學(xué)的課程設(shè)計與改革實踐，課程受到了學(xué)生的充分肯定[14]。一致性建構(gòu)原則在中國高等教育教學(xué)中的研究，為新時代高等教育教學(xué)的發(fā)展提供了新的思路和方法。

面對本課程上述的課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，本文基于一致性建構(gòu)原則進行了以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的“自動控制原理”課程的教學(xué)設(shè)計。一致性建構(gòu)原則內(nèi)容框架如圖1所示。其核心內(nèi)容是首先確定學(xué)習(xí)成果-教師希望學(xué)生能夠做什么；然后，確定教與學(xué)的活動-教師如何讓學(xué)生實現(xiàn)學(xué)習(xí)成果；最后，設(shè)計適當?shù)脑u估-教師如何讓學(xué)生完成展示其技能的活動。

圖1 一致性建構(gòu)原則框架

以成果為導(dǎo)向的教育是一種教育理論，教育過程中的每個部分都有助于實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標，每個目標都為實現(xiàn)課程的要求做出重要作用。一旦確立了學(xué)習(xí)目標，下一步就是設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標的活動和評估方法。課堂上發(fā)生的活動(無論是實際課堂、遠程課堂還是模擬課堂)與課程的其他活動和事件結(jié)合在一起，有助于創(chuàng)建統(tǒng)一的、以成果為導(dǎo)向的課程體系[15]。關(guān)于一致性建構(gòu)比較重要的文章是Biggs J.在1996年的《高等教育》上發(fā)表的“通過一致性建構(gòu)來促進教與學(xué)”，其中指出一致性建構(gòu)是一種基于結(jié)果的教學(xué)方法，在這種方法中，在教學(xué)開始之前，學(xué)生們要達到的學(xué)習(xí)結(jié)果是被定義的[11]。然后，教學(xué)和評估方法的設(shè)計旨在最好地實現(xiàn)這些成果，并評估達到的標準。采用迭代的方法，即從本門課程學(xué)生要提高的素質(zhì)擴展到特定的學(xué)習(xí)目標，通過學(xué)習(xí)目標確定學(xué)習(xí)活動，根據(jù)學(xué)習(xí)活動為學(xué)生準備評測任務(wù)，基于評測任務(wù)設(shè)定評測標準，根據(jù)評測標準判斷是否達成課程目標；如此反復(fù)構(gòu)成循環(huán)迭代的方法。當學(xué)生要完成具體的任務(wù)時，通過評測任務(wù)進行評分，在某個時間點上獲得信息，然后基于一致性建構(gòu)原則改善評測結(jié)果。

2.2 基于一致性建構(gòu)的自動控制原理教學(xué)設(shè)計

根據(jù)“自動控制原理”的課程特點，本文從優(yōu)化課程目標和學(xué)習(xí)目標、設(shè)計學(xué)習(xí)活動和評測任務(wù)到建構(gòu)評測標準五個方面設(shè)計了改革方案思路，在學(xué)習(xí)活動中特別設(shè)計了多功能機器人作為典型實例的貫穿式工程實物實訓(xùn)，部分內(nèi)容如圖2所示，教學(xué)設(shè)計包括以下三個步驟：第一步是優(yōu)化課程目標和學(xué)習(xí)目標。課程目標是指與目標和評估相關(guān)的學(xué)科特定屬性和能力，其中除了使學(xué)生掌握基本的原理、方法以外，也強調(diào)解決工程實際問題的能力，還特別引入了使學(xué)生了解自動化領(lǐng)域相關(guān)的可持續(xù)發(fā)展和工程倫理規(guī)范；激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當。學(xué)習(xí)目標可以是具體涉及到課程各章節(jié)知識點的理解、方法的掌握和實際工程能力的分析和應(yīng)用，配合相符的動詞來體現(xiàn)所設(shè)學(xué)習(xí)目標的層次性，學(xué)習(xí)目標與評測任務(wù)之間存在互相映射的關(guān)系。

圖2 基于一致性建構(gòu)的“自動控制原理”教學(xué)設(shè)計

第二步是設(shè)計學(xué)習(xí)活動和評測任務(wù)。學(xué)習(xí)活動的設(shè)置要符合本專業(yè)、本課程的發(fā)展活動，可以是面對面的活動，也可以是通過網(wǎng)路在線完成。本課程設(shè)置的學(xué)習(xí)活動除了主題討論、課程資源搜集等，重點是引入了貫穿于全書的“控制系統(tǒng)建模→分析→綜合”整個知識體系的機器人系統(tǒng)案例的工程仿真實驗和實物實訓(xùn)。根據(jù)每一個學(xué)習(xí)活動設(shè)置評測任務(wù)，測評任務(wù)要與學(xué)習(xí)目標呼應(yīng)，比如在貫穿式工程實物實訓(xùn)-以機器人控制系統(tǒng)為例的活動中，評測任務(wù)包含“認知實驗(被控對象、檢測儀表、控制儀表、執(zhí)行機構(gòu)及變送器等)，… ，設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，編寫程序，進行閉環(huán)控制實驗等任務(wù)”等，如圖2所示，每個任務(wù)不一定都包含所有的學(xué)習(xí)目標，但可以通過多個任務(wù)實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標的全覆蓋。

最后一步是構(gòu)建與學(xué)習(xí)活動和課程目標相一致的評測標準。對于評測任務(wù)要給出對學(xué)生的能力的評測標準，比如可以通過知識掌握情況、分析問題解決問題的能力方面和個人素質(zhì)的培養(yǎng)等方面設(shè)置適當?shù)臏y評細則。

三個步驟五個方面的設(shè)置形成一個閉合的回路，教師在實踐中進行不斷地可持續(xù)地反饋和調(diào)整，學(xué)生在實踐中進行不斷的構(gòu)建和校正自我學(xué)習(xí)的課程知識結(jié)構(gòu)。

2.3 案例展示

結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和工程設(shè)計的過程，我們以多功能機器人作為典型實例，將貫穿式的機器人系統(tǒng)項目驅(qū)動的教學(xué)方法與一致性建構(gòu)原則相融合進行教學(xué)設(shè)計。首先根據(jù)課程目標和課程內(nèi)容針對這項學(xué)習(xí)活動設(shè)計具體的學(xué)習(xí)目標，如“系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立”這個模塊，學(xué)習(xí)目標為：

(1)能夠用機理建模法建立電路系統(tǒng)及力學(xué)系統(tǒng)的微分方程；

(2)熟練掌握傳遞函數(shù)的概念、定義和性質(zhì)，掌握典型常用元部件的傳遞函數(shù)及其求解方法；

(3)熟練掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的建立和簡化方法，能通過結(jié)構(gòu)圖等效變換求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(4)熟練使用梅森增益公式求系統(tǒng)傳遞函數(shù)；

(5)掌握控制系統(tǒng)建模的Matlab方法。

然后教師搜集整理資料，選擇具體案例, 為學(xué)生設(shè)置相對應(yīng)的評測任務(wù)，如：

(1)認知實驗(被控對象、檢測儀表、控制儀表、執(zhí)行機構(gòu)及變送器等)，查閱機器人案例背景資料；

(2)根據(jù)機器人工作原理圖繪制系統(tǒng)方塊圖，用機理建模法建立該系統(tǒng)的微分方程；

(3)建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，并通過結(jié)構(gòu)圖等效變換求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(4)使用梅森增益公式求系統(tǒng)傳遞函數(shù)；

(5)應(yīng)用Matlab對機器人系統(tǒng)進行建模仿真等。讓學(xué)生根據(jù)任務(wù)需要，在教師指導(dǎo)下進行機器人系統(tǒng)模塊配置、軟件編程、調(diào)試等環(huán)節(jié)，形成以機器人系統(tǒng)貫穿這個教學(xué)過程(建模、分析與校正)的多層次實踐教學(xué)體系，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于機器人系統(tǒng)的實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖

最后是根據(jù)設(shè)定的評價標準, 及時準確地給學(xué)生進行反饋，根據(jù)學(xué)習(xí)目標達成度進行一致性調(diào)整，提高學(xué)習(xí)效果。

圖4和圖5分別展示了其中的兩個機器人項目中學(xué)生搭建、仿真和實踐的過程，一是兩輪自平衡機器人系統(tǒng)平臺，二是直線行走、循跡移動小車機器人平臺。通過這樣的教學(xué)設(shè)計，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進了學(xué)生的參與度，較好地提高學(xué)生的工程實踐的能力。

3 結(jié)語

一致性建構(gòu)是一個強有力的原理，基于一致性建構(gòu)的教學(xué)模式不僅保持了學(xué)習(xí)成果、教與學(xué)過程及評估任務(wù)的一致性，而且引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識和進行意義建構(gòu)，有利于建立課程不同方面之間的邏輯聯(lián)系。一致性建構(gòu)將思維集中在預(yù)期的學(xué)習(xí)成果上，它是思考學(xué)習(xí)活動和評估的有用工具。本文對基于一致性建構(gòu)對“自動控制原理”課程進行了教學(xué)設(shè)計，教學(xué)實踐表明此教學(xué)改革能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的工程實踐能力。

(a)Matlab中控制器和濾波器設(shè)計 (b)Matlab中可視化被控對象模型

(c)兩輪直立機器人實物 (d)兩輪自行車實物圖4 兩輪自平衡機器人系統(tǒng)平臺

(a)硬件搭建 (b)搭建成品

(c)程序設(shè)計 (d)實物運行圖5 直線行走、循跡移動小車機器人平臺