問題探究式教學法在“自動控制原理”中的應用

黎 萍 潘奇明

(電子科技大學 中山學院, 中山 528402)

“自動控制原理”課程是高校自動化、電氣工程、測控等專業學生必修的一門專業基礎課[1]。在當今信息技術飛速發展的時代,自動化技術的地位日益凸顯,“自動控制原理”作為相關專業的核心課程,其作用之大也就不言而喻了。

“自動控制原理”課程理論性強,概念多而且比較抽象,內容專業性很強,以“高等數學”“電路”“信號與系統”等為先修課程,要求學生具有扎實的學科基礎和較強的抽象思維能力,學習的難度較大[1-2]。如何以新工科教育的理念為指引,提高課程的教學質量,提高課堂教學的有效性,培養能夠綜合運用自動控制理論和技術手段,分析、解決實際工程問題的應用型人才成為課堂教學改革的重點。

針對“自動控制原理”課程內容和授課對象的特點,在不斷對課程教學進行探索的過程中,教學團隊逐步總結形成了一套幫助學生構建知識體系、提高綜合能力的教學方法——問題探究式教學法[3]。問題探究式教學法根據教學目標,將課堂教學內容設計成一條富有邏輯性的問題鏈,讓學生圍繞問題展開探究,通過解決這一系列的問題,發現問題背后所隱藏的新知識。在這個過程中,學生將新學習的“自動控制原理”基本概念和基本方法與自身已有的知識聯系起來,實現對知識的意義性構建,不僅可以提高學生的學習能力,也可以幫助學生掌握科學探究的技能,提高發現問題、分析問題和解決問題的能力。

問題探究式教學法源于美國結構主義教育思想的代表人物布魯納所提出的發現式學習[4],布魯納認為學習是通過對已有知識的重構來獲取新知識,并在不斷發現新知識的過程中,形成特有的學習思維能力。發現式學習以問題探究為主導,教師引導學生通過自己的努力對科學知識進行再發現,這一過程強調知識的整體與事物之間的普遍聯系,不局限于掌握零星的經驗或知識的結論。

1 問題探究式教學法的教學過程

問題探究式教學法的具體實施過程是創設相互關聯、層層深入的問題鏈為主線,將教學內容貫穿起來,引導學生模仿科學家探究未知領域的模式,逐漸深入地探究問題的解決方案。通過創設的一系列富有連續性和邏輯性的問題,引領學生分析、解決問題,總結梳理并發現新的問題(具體流程如圖1所示),前一個問題為后一個問題做好鋪墊,通過這樣逐漸深入的探索,新發現的知識和方法能有效地與已有的知識結構聯系起來,達到重構知識體系的效果。在探索過程中,所獲取的知識不再是一個個孤立的點,新的知識與已有知識已經聯系起來,形成學生對事物的認知線、面、體,學生的知識體系在探索過程中逐漸完善、豐滿起來。

圖1 問題探究式教學法教學流程

2 問題探究式教學法實施案例

以“自動控制原理”課程中線性系統的穩定性分析為例,對問題探究式教學法的具體實施進行闡述。控制系統的穩定性分析部分的內容邏輯性比較強,適合采用問題探究式教學法。根據教學內容,設置一系列遞進式的問題,引導學生逐層探究,利用原有的知識發現新的知識,充分體驗發現問題、分析問題、解決問題的探究過程,體會以自身已有知識為基礎,往外擴展知識的半徑,構建新的知識體系的方法,具體的教學過程如圖2所示。

圖2 問題探究式教學法教學實施過程

第一階段:明確本次課的任務是系統的穩定性分析。提出問題:“穩定的系統是怎樣的?”通過小球在不同表面上的運動狀態(如圖3所示),說明系統穩定、臨界穩定和不穩定的現象。所舉例子是學生們熟悉的,但所提的問題是學生之前并未思考過的,這就會激發學生的好奇心,引發主動思維,讓學生們對系統穩定有直觀的感性認識。通過對圖3中三種情況的分析,引導學生們對系統穩定做出定義。

圖3 穩定、臨界穩定和不穩定

第二階段:提出疑問“系統穩定與什么因素有關?”嘗試引導學生討論圖3中三種情況,得出結論“穩定性是系統的固有特性,跟系統本身的結構、參數有關,跟輸入信號沒有關系。”

第四階段:舉例應用閉環極點的分布情況判定系統的穩定性。若閉環特征方程為D(s)=(s+1)(s+2)(s+3)=0,對應的閉環極點為λ1=-1,λ2=-2,λ3=-3可知系統的穩定的;若閉環特征方程比較復雜,如為D(s)=s5+6s4+9s3+2s2+8s+12=0呢?要求出它的閉環極點并不容易,順勢提出疑問“還有別的辦法可以判定系統的穩定性嗎?”接著啟發學生思考數學上學過一元二次方程的根與系數的關系,能否擴展到一元高次方程上,從閉環特征方程的系數判定根(閉環極點)的情況。接著告訴學生們,勞斯和赫爾維茨當年就是這么思考的,在學生們對這個發現的驚奇中講解勞斯赫爾維茨判據,一定能讓他們印象深刻,牢牢掌握這個知識點。

第五階段:舉例應用勞斯判據判斷系統的穩定性。增加特殊情況的實例,讓學生發現在特殊情況下,無法正常計算勞斯表,在學生們著急知道解決辦法的時候,再講解特殊情況的處理方式,計算完勞斯表后判定系統的穩定性,提問“為什么出現這種特殊情況呢,這時的系統閉環特征根是怎么分布的?”這樣能讓學生保持主動思考,學習效果更棒。

第六階段:總結系統穩定性分析的方法,回顧穩定性分析的學習過程。帶領學生回看自己發現知識、將已有知識應用于解決未知問題,進而拓展已知邊界的軌跡,體會像科學家那樣發現問題、分析問題、解決問題,從而使學生增強自信,逐漸掌握發現知識的方法,培養學生獨立思考解決問題的能力和不懼困難,分解難題逐步擊破的勇氣。

以上就是問題探究式教學法的一個完整教學案例,根據教學內容設置遞進式問題,引領學生們探究,逐步深入,在這個過程中利用已有知識解決未知的問題,拓展自身的知識邊界,建立新知識與舊知識的聯系,重構知識體系,體驗發現問題、解決問題的過程。在探索問題的解決方案的過程中學習新知識不僅可以激發學習興趣,更能讓學生理解知識的來龍去脈,也更容易將新知識應用于解決實際問題。此外,對于許多對學習失去信心的學生而言,這樣的教學方式讓他們在課堂學習中可以一次次地練習逐步延伸知識邊界,拔高思考能力,體驗到努力可以讓自己進步。這對于重塑他們的自信心,提高他們的學習能力非常重要。從學生的課堂參與程度與課后習題的完成情況看,這樣的教學方法教學效果良好。

3 結語

本文探討了問題探究式教學法在“自動控制原理“中的應用,以電子科技大學中山學院“自動控制原理”課程中的“線性系統穩定性分析”為例,詳細介紹了問題探究式教學法的具體實施過程,旨在探索一種提高學生學習興趣,改善教學效果,培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力,提升學生學習能力,重塑學生自信心的教學方法。由于缺乏對照班級,難以對實施效果進行量化評估。為了進行問題探究式教學法教學效果的量化研究,往后將嘗試對難度相當的不同教學內容分別采用一般教學方法和本教學方法進行對比,同一專業不同年級同一內容采用一般教學法和本教學法進行對比。