本科生学习过程的反馈控制系统设计

孙玉梅 黑志荣 孙巧妍 王美春 陈祥光

摘要：学习过程是一个具有多变量、非线性、大滞后、耦合以及时变特性的非工程系统。本文运用自动控制原理设计了一门课程学习过程的反馈控制系统，在此基础之上设计了多门课程学习过程的反馈控制系统，综合地分析了该系统的输入参数和输出参数以及主要的干扰因素，提出了学习过程反馈—自适应控制系统的基本框架，该系统可促使学生有效控制自身学习的行为，提高学习效率，实现预期的学习目标。因此，本文所提学习过程的反馈控制系统具有很好的参考价值。

关键词：学习过程;本科生;反馈控制系统;自动控制原理

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）11-0206-04

一、前言

目前，人类社会已经进入到信息化时代，随着知识面的深度和广度增加，信息量也与日俱增。只有通过学习才能掌握科学技术，才能促进国民经济的增长。因此，研究大学生的学习过程，对于督促学生的学习、激发学生的学习兴趣、培养学生的创新能力、推动本科教育教学改革以及提升人才培养质量都有着极其重要的意义[1]。目前，在大学里有相当一部分学生的学习状况不够理想，例如學习目标不明确、学习不刻苦、学习动力不足等[2]。在学习过程中，影响大学生学习成绩的主要因素可归纳如下。

1.学习目标不明确，没有吃苦耐劳、刻苦钻研的精神。

2.没有树立正确的人生观和价值观，而追捧“歌星、影星、球星”等现象泛滥。

3.抗击外界的干扰能力弱，不能把主要的精力投入到学习中，而将大部分课余时间用在手机游戏、聊天等活动上。

大学生的学习过程需要监测与评价。为了完善学校教学质量评价工作，促进学生自身的发展和提升人才培养质量，在教学质量保障与监控工作中，要重视教学评价对学生学习过程的监测、反馈、诊断、改进、激励等措施，研究学生学习过程的评价机制，从而提高大学人才培养质量[3]。因此，分析现代大学生的学习过程和学习现状，研究学习过程的合理评价方法，对于提高人才培养质量和保障高等教育水平都具有重要的战略意义。文献[4]研究发现，目标缺失、动力不足和时间管理不善是影响大学生学习过程的三个主要因素。

当前，自主学习越来越受到社会各界的重视，它不仅符合人类发展历程的基本规律，也符合教育改革的发展趋势，其可以挖掘学生自身的潜力，使学生获得较好的学习效果。自主学习也是实现终身学习的必要条件[5]。在自动控制系统中，自主学习的过程相当于控制器、执行器及被控对象三个环节的串联，但没有检测装置，不能构成反馈控制系统。不是反馈控制，就会出现设定值与被控值之间的偏差，而这个偏差是波动的、忽大忽小，甚至使系统不稳定。本文运用自动控制原理，设计本科生学习过程的反馈控制系统，其目的是使学生理解学习过程反馈控制系统每个环节的特性，分清学习过程中的干扰因素，从而实现自主学习，达到设定的目标值。

二、学习过程的反馈控制系统设计

（一）自动控制原理简述

自动控制和反馈是自动控制系统中的重要概念。自动控制是在没有人的干预下，通过检测装置、控制器和执行器，使被控对象或生产过程按照预定的变化规律运行。反馈是通过检测装置将系统的输出量返回到系统的输入端，与设定值（目标值）进行比较，产生的偏差信号作为控制器的输入量[6]，通过控制器（模型或计算式）的运算，作为执行器的输入量，再通过能量转换控制输入至被控对象的物料（或信号），使被控对象的输出值保持在设定值的一定范围内变化。其反馈控制系统结构图如图1所示。

图1中一些术语说明如下：①检测装置（传感器或检测元件）：检测现场的被控参数，并将其转化为标准测量值;②控制器：根据偏差值的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律（模型或数学表达式）给出控制量;③执行器：基于控制器输出的，通过能量转换改变操纵量;④被控对象：一般是指工业生产中需要进行控制的设备、装置或生产过程;⑤被控参数：在控制对象中要求按预定规律变化的物理量（化学量或生物量等），也称被控参数;⑥扰动（干扰）：在自动控制系统中，干扰又称扰动。除控制量以外引起被控参数变化的所有作用因素都可视为干扰;⑦设定（给定或恒定）值：指与被控对象工艺要求值相对应的信号值，也称目标值，是控制系统的输入参数（对于定值系统，它是恒定值）;⑧偏差值：指设定值与被控参数测量值之差，在自动控制系统中，一般规定偏差值。

（二）学习过程的反馈控制系统

由于工业生产过程的自动控制系统属于工程系统，而大学生的学习过程属于非工程系统，这类系统无法实现在线连续（实时）控制，而是运用自动控制原理，构建学习过程的采样反馈控制系统，该系统的采样周期也是变化的，这些都是本文涉及到的研究内容。

1.一门课程学习过程的反馈控制系统设计。目前的大学生在课程学习过程中，被控制对象就是课程的学习过程，控制器和执行器都是学习者自身头脑思维和学习活动，学习过程中的检测装置就是“课堂学习情况、课后作业完成情况、课堂测验、同学之间的讨论、老师的点评以及自我检查学习等。”按一定的周期（如时间T1）检测学习情况，将检测结果反馈到输入端，并且与输入设定值（或目标值）进行比较，产生的偏差作为控制器（即学生自身）的输入，基于控制模型（或控制算法）对偏差进行运算，输出值相应的学习方法或措施，修正该课程的学习过程，以最终获得预期的成绩，达到本课程预设的学习目标。

结合大学学习情况，通过对身边学生不同学习情况的对比，针对某一门课程学习过程进行分析，例如大学物理，设定自身学习期望值，即课程期末学习成绩为80分，以自身学习过程为被控对象，定期（如T1）进行数据检测，比如课堂听课情况、回答问题情况、课堂测验情况、课后作业情况以及期中考试成绩等多种学习情况，通过检测上述情况结果并且与自身学习期望值进行比较，产生的偏差通过采样开关（T2）作为学生自身的输入，学生自身就是控制器和执行器，若偏差较大，则尽快采取措施调整学习状态，明确学习目标，端正学习态度，改进学习方法，克服学习过程中的干扰因素，及时对学习过程进行调整，从而实现输出值（也就是期末考试综合成绩）达到学习期望值或者与期望值偏差不大。设计一门课程学习过程的反馈控制系统如图2所示。

因为对于学习过程的情况（也可用变量表示），通常是通过课堂提问、作业、测试等方式获取学生的学习信息，而这种获取的方式是间歇的、离散的，即按一定的时间周期进行。因此，在图2系统的反馈回路中设置了2个采样开关[7]。

2.多门课程学习过程的反馈控制系统设计。大学本科学习时间通常为4年，每个学年有2个学期，而每一个学期有多门课程，设定不同课程的学习期望值，采用各自的控制回路，但是都是同一个控制器和执行器—学习者自身、学习者个人兴趣爱好、擅长的侧重点、时间的有限性等个人因素以及学习课程的关联性，又存在不可避免的相互影响和制约（在控制系统中，称之为耦合）。因此，为了更好地实现所有学习课程的实际值接近于期望值，需要设计一个整体的反馈控制回路，检测所有课程学习过程的情况，并及时修订学习目标，控制器针对偏差进行合理均衡地控制，合理分配学习时间，做出合理、及时的调整措施，实现多门课程学习过程的优化控制。因此，研究设计多门课程的学习过程反馈控制系统是有必要的。基于图2的控制系统，目标设定值都是期末的学习成绩，比如大学英语75分，微积分85分……大学物理80分。对于多门课程之间存相互干扰和相互影响的耦合作用，例如给出n门课程学习过程的设定值（n=1，2，3…），学生自身根据自我评价，找出擅长与不足，或者说n门课程的基础功底，然后制定学习计划和学习过程的操作步骤，给n门课程分配不同的学习时间、学习态度，再根据各自课程的检测情况，及时调整、改变学习方法和措施，尽可能使这n门课程的学习成绩都接近于期望（预设）值。多门课程学习过程的反馈控制系统如图3所示。

在图3中，输入值为多门课程的学习目标值（即希望获得各门课程的成绩），输出值为各门课程学习过程成绩的变化值，其稳态值即为各门课程对应的期末成绩。在学生学习过程中，各课程的学习成绩是通过“听课、作业、检查、测试等方式”获取信息的，该环节相当于一个检测环节，该环节信息的获取是周期性的，所以设置采样开关T1。学生按照自己制定的学习方案（或计划）展开学习，这相当于控制环节。学习方案（或计划）要通过学生本身多年积累的学习方法和措施来实施，这就相当于执行环节。因此学生本人就相当于控制环节+执行环节。对每一门课程，学生都要通过听课、做作业（或做实验和撰写实验报告）考试等教学活动，直至课程结束获得成绩，这样的过程称为多门课程学习过程。

图3中多门课程学习过程存在相互耦合作用，即多门课程的学习过程相互影响，图中的实线表示有直接的影响，虚线表示间接影响。因此，学生要根据不同的课程需求，安排好各门课程的学习计划，运用相应的学习方法和措施，使多门课程的学习成绩接近于预先的设定值。

3.多个学期学习过程的反馈—自调节控制系统设计。大学一般都是四年学业，分为不同学期学习。完成四年本科的大学学习，要求学好每一门课程，不仅是某一个学期的任务，而且是整个大学期间多个学期的任务。为了更好地达到毕业要求，多个学期学习过程必须有方案、有计划地学习。因此，需要设计一个多个学期学习过程的反馈—自适应控制系统，其系统结构图如图4所示。

在图4中，输入值为课程学习目标值（即希望获得各课程的成绩），输出值为各课程成绩的变化过程，其稳态值即为各课程对应的期末成绩。设定一个自适应学习调节机构，各课程的学习成绩是通过“听课、作业、检查、测试等方式”获取信息的，该环节相当于一个检测环节。学生按照自己制定的学习方案（或计划）展开学习，这相当于控制环节。学习方案（或计划）要通过学生本身多年积累的学习方法和措施来实施，这就相当于执行环节。学生要对每一门课程通过听课、做作业（或做实验和撰写实验报告）考试等教学活动，直至课程结束获得成绩，该过程被称为课程学习过程。

图4中的工作原理是：首先通过测试方式按一定的周期（T1）获取各课程的信息（数值），与预先设置的目标值进行比较，产生的偏差按一定的周期（T2）作为控制器的输入，该控制器就是学生的脑思维系统，学生根据不同课程的学习偏差和偏差的大小，运用相应的学习方法和措施，使各门课程的学习成绩在预定值允许的范围内变化。

学习过程是变化的，因此易受外部干扰。假设外部干扰因素是可测的，那么可通过当前的偏差值和外部的干扰量及变化特性，基于自调节规则和推理机构在线修正控制器的参数，即调整学生的学习方案，使该系统具有抗干扰和自适应过程变化的能力。将反馈原理和自调节方法相结合，构建了一类如图4所示的“多个学期学习过程的反馈—自适应控制系统”。

三、结论

本文分析了大学生学习过程相关环节的主要特性，运用反馈控制原理，设计了单门课程学习过程的反馈控制系统，设计了多门课程学习过程的反馈控制系统，以及设计了多个学期学习过程的反馈—自适应控制系统。根据实际情况运用这些学习过程的反馈控制系统，对于增强学生的学习动力，提高学习效率，实现预期的学习目标具有实际应用价值。然而，学习过程是一个具有多变量、非线性、大滞后、耦合以及时变特性的非工程系统，这类系统的建模过程很復杂，一些干扰因素很难准确测量。因此，这类系统属于复杂的难控系统。

参考文献：

[1]牛亏环.大学生学习过程评价初探[J].高教发展与评估，2015，31（4）：6-13+105.

[2]殷全玉，丁曼旎，许自成，等.浅析目前大学生学习过程中存在的问题[J].决策探索（下半月），2011，（2）：59.

[3]白菁，伦艳，孙彦超.学生学习过程检测与评价研究[J].人力资源管理，2017，（11）：284-286.

[4]牛亏环.大学生学习过程评价的现状、问题及对策——基于全国16所本科高校的调研[J].大学教育科学，2017，（6）：42-49+121.

[5]刘翠.国外流行的三种科学学习过程性评价及其对我国化学教学评价的启示[J].教育测量与评价，2016，（02）：43-47.

[6]陳祥光，孙玉梅，吴磊，等.自动控制原理及应用[M].第3版.北京：清华大学出版社，2018.

[7]陈祥光，黄聪明，何恩智.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社，2009.

Design of Feedback Control System for Undergraduate Learning Process

SUN Yu-mei1，HEI Zhi-rong2，SUN Qiao-yan1，WANG Mei-chun1，CHEN Xiang-guang1，2*

（1.College of Electronic Engineering，Yantai Nanshan University，Longkou，Shandong 265713，China;

2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：Learning process is a non-engineering system with multivariable，nonlinear，large hysteresis，coupling and time-varying characteristics.Based on the principle of automatic control，a feedback control system for the course learning process is designed in this paper.On the basis of this，a feedback control system for the learning process of several courses is designed.The input and output parameters and the main interference factors of the system are analyzed comprehensively.The basic framework of learning process feedback-adaptive control system is proposed.The system enables students to control their own learning and improve learning efficiency，and achieve the desired learning goals.Therefore，the feedback control system of the learning process proposed in this paper has good reference value.

Key words：learning process;college student;feedback control system;principle of automatic control