基于構(gòu)建主義的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

金東陽(yáng) 武萌 唐偉

摘要 構(gòu)建主義教育理念認(rèn)為，學(xué)習(xí)的過(guò)程是新知識(shí)通過(guò)實(shí)際應(yīng)用、案例或項(xiàng)目基于原有知識(shí)體系再次構(gòu)建的過(guò)程。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)符合構(gòu)建主義教育理念的學(xué)習(xí)過(guò)程。自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以不再使用原有分立的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)用基于教學(xué)案例和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，符合構(gòu)建主義的設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革構(gòu)建了較為完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，加深了對(duì)知識(shí)的理解，提高了學(xué)員分析和解決問(wèn)題的能力，能為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 構(gòu)建主義教育理念；自動(dòng)化專業(yè)；案例式教學(xué)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.022

專業(yè)基礎(chǔ)課程是大學(xué)四年學(xué)習(xí)的重要組成部分，通過(guò)專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可具備現(xiàn)代科技知識(shí)，扎實(shí)基礎(chǔ)，構(gòu)建知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)拓思維，能夠發(fā)現(xiàn)、分析現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問(wèn)題，適應(yīng)未來(lái)發(fā)展。傳統(tǒng)的教學(xué)模式更注重理論知識(shí)的講解，教員主講，是課堂的主角，學(xué)員聽(tīng)講，學(xué)習(xí)相對(duì)被動(dòng)。然而，學(xué)習(xí)過(guò)程不完全是將外界的知識(shí)強(qiáng)化為大腦的記憶，而是原有認(rèn)知與外界溝通達(dá)到重新構(gòu)建深化的過(guò)程，即構(gòu)建主義思想。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程需要學(xué)習(xí)數(shù)字計(jì)算機(jī)、輔助部件即接口和專業(yè)相關(guān)元件，以及相關(guān)控制策略的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，課程不僅含有理論環(huán)節(jié)，還有對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)，需要在接受抽象課程理論的同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系實(shí)際，使新的知識(shí)能夠在原有知識(shí)框架基礎(chǔ)上重新構(gòu)建深化拓展，形成新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，符合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)思路，使知識(shí)聯(lián)系實(shí)際，形成知識(shí)體系網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化自我學(xué)習(xí)。

為提升計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，本文在開(kāi)設(shè)原有計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于構(gòu)建主義理念對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革和實(shí)踐，以提升課程教學(xué)效果。

1計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

多年的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)均基于實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書展開(kāi)，積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)箱封裝得非常好，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較固定、分立，可以完全對(duì)照理論課程內(nèi)容，但實(shí)驗(yàn)的綜合性不夠強(qiáng)，很難激發(fā)學(xué)員再次思考完成更深層次的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的完成方式也通常是學(xué)員依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按步驟完成。完全參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的方式可以幫助他們快速完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但也限制了他們的思路，有些學(xué)員離開(kāi)指導(dǎo)書就不知道該怎樣去做，很難將知識(shí)進(jìn)行綜合，實(shí)驗(yàn)對(duì)理論的支撐還不夠，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的完成難以輔助學(xué)員形成完整的知識(shí)體系。

2構(gòu)建主義教學(xué)理念下的教學(xué)改革思路

2.1構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論

知識(shí)的學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)理解和融會(huì)貫通，而不是簡(jiǎn)單地灌輸知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論更多地強(qiáng)調(diào)了過(guò)程的學(xué)習(xí)，認(rèn)為知識(shí)的學(xué)習(xí)并不是把書本上的知識(shí)和教員教授的知識(shí)簡(jiǎn)單堆放，而是學(xué)員基于現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)新的知識(shí)，慢慢搭建自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而把新知識(shí)轉(zhuǎn)化為自我認(rèn)知的一部分。大量事實(shí)證明，只有把新的知識(shí)融入自己的知識(shí)體系，在實(shí)際使用時(shí)才會(huì)得心應(yīng)手，并不斷產(chǎn)生新的思路、新的理念。知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程是新的知識(shí)點(diǎn)結(jié)合原有知識(shí)體系重新構(gòu)建的過(guò)程，構(gòu)建的過(guò)程可以從問(wèn)題出發(fā)，基于實(shí)驗(yàn)、某種應(yīng)用、實(shí)際案例或者結(jié)合項(xiàng)目對(duì)原有知識(shí)體系再次構(gòu)建。

可以看出，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的學(xué)習(xí)過(guò)程符合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，可以基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。基于構(gòu)建主義理論的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)需要遵守以下原則：以問(wèn)題為核心驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，問(wèn)題可以是項(xiàng)目、案例；通過(guò)問(wèn)題引發(fā)學(xué)員思考，帶動(dòng)學(xué)員完成實(shí)驗(yàn)，形成新的知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而把知識(shí)轉(zhuǎn)化為自我認(rèn)知的過(guò)程。

2.2課程改革思路

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程改革是結(jié)合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，應(yīng)用案例式和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式展開(kāi)。教學(xué)平臺(tái)選擇綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不再采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱完成。

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于履帶式機(jī)器人和輪式機(jī)器人作為底盤完成，相比原來(lái)實(shí)驗(yàn)箱增加了各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如：紅外傳感器、溫度/光線傳感器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電編碼器等，可以實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)、溫度/光線獲取、角度獲取、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能，有利于完成綜合實(shí)驗(yàn)。

案例式教學(xué)方式主要完成課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)員后期將開(kāi)設(shè)的專業(yè)課程和后續(xù)任職常用到的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)知識(shí)進(jìn)行案例設(shè)置。案例選擇：面板控制、直流電機(jī)調(diào)速控制、模擬量獲取、總線數(shù)據(jù)獲取、光電編碼器數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字PID控制器等。通過(guò)案例實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)員思考，使理論知識(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)變?yōu)樽晕艺J(rèn)知的過(guò)程。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式主要用于完成課程綜合實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)是在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，由學(xué)員自主選題進(jìn)行項(xiàng)目綜合，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成項(xiàng)目功能。完成過(guò)程是教員引導(dǎo)學(xué)員自主選題，自主撰寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，自主完成設(shè)計(jì)，教員在學(xué)員學(xué)習(xí)過(guò)程中幫助解決問(wèn)題，進(jìn)行項(xiàng)目驗(yàn)收，提出新的問(wèn)題引發(fā)學(xué)員思考。通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，學(xué)員可以使知識(shí)點(diǎn)相互連接，搭建相對(duì)完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

3實(shí)驗(yàn)教改實(shí)施過(guò)程

3.1案例式教學(xué)完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

案例教學(xué)課程案例如表1所示，教員先講解各個(gè)案例實(shí)現(xiàn)的功能，學(xué)員思考功能搭建方式，思考程序設(shè)計(jì)流程，完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)課程理論知識(shí)的理解。

3.2項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)完成綜合實(shí)驗(yàn)

教員把基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的部分案例內(nèi)容綜合起來(lái)，形成實(shí)現(xiàn)一定功能的實(shí)驗(yàn)綜合體，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，選擇不同實(shí)驗(yàn)?zāi)K自主完成綜合設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K可實(shí)現(xiàn)功能如下表2。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)完成綜合實(shí)驗(yàn)有以下3個(gè)步驟：

步驟1：學(xué)員自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施方案。

基于前期學(xué)員完成的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，思考基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能，制訂項(xiàng)目實(shí)施方案，在此過(guò)程中學(xué)員自主思考，教員答疑。通過(guò)2022年春季學(xué)期計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)情況，在實(shí)驗(yàn)改革中遇到以下問(wèn)題：部分學(xué)員完成基礎(chǔ)案例實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍不能理順基于功能的程序設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)。作為教員需要結(jié)合綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行進(jìn)一步引導(dǎo)，從功能出發(fā)思考系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步聯(lián)系課程理論內(nèi)容，確定程序設(shè)計(jì)流程。如表3為2022年計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)員自主設(shè)計(jì)的項(xiàng)目題目匯總表。

學(xué)員自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施方案的過(guò)程也是知識(shí)點(diǎn)重新梳理的過(guò)程。

步驟2：教員指導(dǎo)，學(xué)員自主實(shí)踐。

教員指導(dǎo)主要采用引導(dǎo)和幫助解決問(wèn)題的方式，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)員提出的問(wèn)題有很多，大致有幾類：第一類，單個(gè)器件更好發(fā)揮功能的問(wèn)題，例如：怎樣提高紅外傳感器的靈敏度等。這類問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，首先讓學(xué)員自己回顧傳感器性能和功能實(shí)現(xiàn)方法，另外再思考怎樣從編程角度更好地發(fā)揮器件的功能；第二類，程序算法實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，例如：基于數(shù)字PID的小功率直流伺服速度控制中的參數(shù)選擇？這類問(wèn)題要求學(xué)員基于綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)各部分理論內(nèi)容進(jìn)行綜合，確定各部分設(shè)計(jì)模型再進(jìn)行綜合，并依托器件性能進(jìn)行數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行參數(shù)整定，通過(guò)綜合設(shè)計(jì)聯(lián)系實(shí)際，形成較為完整的知識(shí)體系框架。

步驟3：學(xué)員演示項(xiàng)目效果，教員驗(yàn)收總結(jié)，升華式講述。

此環(huán)節(jié)中，學(xué)員演示他們的學(xué)習(xí)成果，介紹他們作品的成功點(diǎn)，思考存在的不足和改進(jìn)方法，激發(fā)學(xué)員積極探索的精神。教員也會(huì)針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)提出更好的實(shí)現(xiàn)方案，以期使平臺(tái)達(dá)到更穩(wěn)定的控制效果或?qū)崿F(xiàn)更多的功能，啟發(fā)學(xué)員進(jìn)一步學(xué)習(xí)，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，供學(xué)有余力的學(xué)員進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

針對(duì)學(xué)員完成情況，教員提出了以下討論問(wèn)題：怎樣使用PID控制完成平臺(tái)穩(wěn)定制動(dòng)？如何通過(guò)總線方式完成多傳感器數(shù)據(jù)融合的設(shè)計(jì)方法？通過(guò)這些問(wèn)題啟發(fā)學(xué)員進(jìn)一步思考，提出更好的解決方案，進(jìn)一步達(dá)到能力的綜合提升。

通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，自主設(shè)計(jì)思考完成一個(gè)完整的項(xiàng)目，使學(xué)員進(jìn)一步梳理課程理論知識(shí)，綜合各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系，提升系統(tǒng)思考問(wèn)題的方法和主動(dòng)思考問(wèn)題的能力。

4總結(jié)

本次課程改革是基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理念完成計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的案例式教學(xué)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)員不再完全依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成各個(gè)分立實(shí)驗(yàn)，而是主動(dòng)思考，構(gòu)建完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高了自身系統(tǒng)分析的能力和主動(dòng)思考的能力，這種知識(shí)體系框架的構(gòu)建為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：陸軍精品課程基金支持（2022陸軍精品課程）

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