支架式教学方法在智能控制教学中的应用

王永华 万频 艾雄志 朱燕飞 杨健

摘 要：支架式教学是根据最邻近发展区理论，通过对较复杂的问题建立“支架式”的概念框架，使学生自己能沿着支架逐步攀升，从而完成对复杂概念和问题建构的一种教学策略，该方法能为学生提供一种对知识理解的概念框架，有助于学生对问题的进一步理解。文章将支架式教学方法应用于智能控制课程的教学中，实现以“学生为中心”的互动式教学，提升学生学习积极性，促进学生将智能控制知识融会贯通。

关键词：支架式教学法；智能控制；应用

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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、智能制造时代的大背景下，智能控制技术所应用的范围越来越广泛，对人工智能方面的人才需求也急剧上升。智能控制已经成为自动控制、人工智能领域人才培养的核心课程，智能控制主要包括专家控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法控制和粒子群控制等主要内容[1]。每一部分内容都包括具体的方法和实现步骤、严谨的数学推导计算、以及仿真实验结果。该课程需要学生具有良好的编程能力、逻辑思维能力和发散思维能力。如果采用以教师讲学生听的传统教学方法进行智能控制课程的教学，学生往往会觉得枯燥乏味，上课的积极性和主动性不高，导致教学效果差，教学任务不能达到预期的目标。

支架式教学模式指在教学时老师依据学生的实际水平提供和搭建支架，在学生的已有知识水平和课程要达到的水平之间搭一个桥梁，促进学生的学习和提升。支架式教学方法可以调动学生的积极性，提高学生独立解决问题的能力。我们尝试将支架式教学方法应用于智能控制的课堂教学中，以提升教学效果。

二、支架式教学法简介

支架式教学思想的理论基础是最近发展区理论、建构主义理论和认识发生论[2-4]。支架式教学模式的中心思想就是在学生的最近发展区内进行教学，通过在学生的已有能力和预期知识水平之间通过搭建各种支架进行引导，使得学生学会一步步分解问题，促进学生对知识的整体构建和融会贯通，同时培养学生的自学能力[5-8]。

支架式教学模式的一般由下面五个基本环节构成：进入情境、构建支架、独立思考探索、协作学习和教學效果评价[4]。其基本环节的结构图如图1所示。

在进入情境这个环节中，教师要采用一定的方法将学生引入所要学习的内容和问题的情境，激起学生的兴趣。构建支架环节是指在学生的已有知识水平和课程要达到的水平之间搭合适的学习支架；通过搭建脚手架，合理完成学习的过渡，使其知识的衔接更加的紧凑。独立思考探索：提供支架后，学生们先进行独立的思考和探索，依据自己的经验知识和老师提供的支架进行知识框架的构建，探索解决问题的办法；其中特别强调发散思维，理解思维，迁移思维等应用。协作学习环节：通过教师和学生、学生与学生之间的协作学习和交流，分享彼此的想法，查缺补漏，对自己的结论和理解进行修正调整，以求全面理解所要学习的知识，达到融会贯通，所学知识前后之间的铺垫。最后就是教学效果评价环节，评价学生对知识的掌握情况，学习能力和交流能力，这也是很重要的反馈机制，有助于下次教学的改善，其评价的合理性也至关重要，尽可能的科学评价每位学生在该教学方式下所收获的效果。

三、支架式教学在智能控制课程中的应用

（一）进入情境

在进入情境环节中，老师的任务主要是要激发学生兴趣，引起学生学习智能控制的欲望。当同学们对所要学习的知识和需要解决的问题产生兴趣之后，再由老师引导做进一步的探索。例如在遗传算法部分，可以先介绍生物的“物竞天择，适者生存”这种选择机制，然后通过引入物种进化的讲解，引入遗传算法的概念和理论框架。

学习模糊控制这章节时，先介绍其大概的原理，这可以使学生学习时有大概的框架，结合其原理框图讲课，结合图形，表现出生动形象的教学方式。先讲解模糊控制的应用，如模糊电视机、模糊空调器、模糊微波炉、模糊洗衣机等已经成熟的应用，结合相关的实物图片，学生习得这些概念之后既有抽象理解，又有具体的实物解释，学习时其接受的容易度大大增加。

在学习神经网络方面知识时，可以讲述其发展的相关历史知识。1890年，W.James发表了《心理学》专著，讨论了脑的结构和功能。1943年，心理学家W.S.McCulloch和数学家W.Pitts提出描述神经细胞动作的数学模型。1949年，心理学家Hebb实现对脑细胞之间相互影响的数学描述，从心理学的角度提出对现今都重要影响的Hebb学习法则[1]。通过这些讲述可以让学生对神经网络的发展有大概的了解，也能够通过其历史发展规律思考下一步的发展。

（二）构建支架

在智能控制相关课程中，为了更好地实施支架式教学模式，将大部分教学过程安排在实验室，将课程理论知识融入实验案例[5]。首先要求每位学生根据所学的算法进行独立编程，过程中肯定会遇到参数、函数不对的地方，引导学生自身积极发现程序所存在的问题，只有通过自身实践动手解决，编程能力才能够得到实际的提高。比如在《智能控制（第4版）》[1]的第三章中学习模糊控制，学生理解模糊控制的基本概念之后就可以动手编程实现。模糊控制又是在模糊数学理论的基础上建立的一种控制方法，其中模糊量，如“高”、“中”、“低”等，控制量是由模糊推导出，这需要学生结合实践，不断调试直到得出较为合理的实验参数。

每次实验过程需要教师将实验的目标、实验所需的辅助知识及实验的效果通知学生，实验目标明确需要掌握的知识、辅助知识能够帮助学生更好地完成实验环节，而实验效果则可以最大限度地激发学生独立探求答案的积极性和主动性。在学习模糊控制时，构造控制规则是核心任务，模糊规则是用语言来表示的，每位学生的思维逻辑不同，在语言表达上也会有所不通，这些开放性的规则制定会激发学生的学习动力。

通过分组完成任务，每组建立支架结构，从各组完成任务时间，质量进行评价，产生不同特征的支架结构。教师在该过程中可以根据以往的经验设计问题，如果回答正确，及时给予表扬，激发学生不断追求知识的热情；如果回答错误，帮助学生找到其错误的原因，分析之后，避免學生下次再犯同样的错误。在整个支架搭建的过程中，教师需要整体把握，仔细考虑每一个支点的搭建过程，巧妙地链接各个支点的关系，平滑的过渡到学生所需掌握的知识点，前后联系，互相关联，激起学生对问题系统性的掌握。

联想记忆是是构建支架的关节点，这些支架搭建的是否牢固，联想记忆是必不可少的组成部分。模糊控制所用的高斯型、广义钟形、S形、梯形、三角形、Z形隶属函数在《智能控制（第4版）》[1]的第七章中学习神经网络相关知识也有所体现，学生学完两者知识之后，由此联想到所学的神经网络激活函数，这种方法会使学生对知识的理解更加牢固。

构建完支架之后，学生还需要做的是不断的练习。避免出现眼高手低的现象，特别是基本的公式推导方面尤其需要注意，公式的环环相扣，学生看上去一眼就会的知识最有可能是其疏忽大意的地方。这就好比搭建地基，需要十分坚实的底层建筑才能完成今后的高楼大厦。

（三）独立思考探索

在兴趣的基础上让学生独立探索，寻求答案。在学生被教师启发引导进入情境后，应该留出学生独立探索问题答案的时间。该环节让学生独立探索问题情境中所蕴涵的意义，使学生学会通过现象看本质的能力，并通过自身努力加以提高。当学生学完该次课程之后，适当的提问，比如让学生思考通过BP神经网络能否联想到卷积神经网络（CNN），发现两者的相同之处和不同之处。BP神经网络除了课本上用于控制，是否还有其他用法；卷积神经网络除了用于对图像处理是否又能用于控制中；这些问题都可以引导学生进一步的学习。无论学生提出的想法看起来多么异想天开，都要鼓励学生大胆尝试，这也是突破固有思维的一种方法。

独立思考的能力是至关重要的，所以在该方面教师需要花较大的尽力和时间研究如何提高学生的独立思考能力。教师教授的知识都是已经成熟的，学生不仅要掌握知识本身的内容，也要掌握其所用的方法，但是所学到的这些知识又不能成为学生独立思考的羁绊。每次教师讲完课之后的提问就显得很重要，适当引导，巧妙构思，最终的目的是学生在没有教师引导的情况下能够自主独立的思考问题。

独立思考必定牵涉到思维的发散。在学习完智能控制所有课程时，批判性的提出目前是否有合理、先进的控制方法。学生查找资料之后就会发现目前的强化学习、深度强化学习等较为前沿的控制方式。为学生将来进一步的学习、深造打下良好的基础。

（四）协作学习

在协作学习阶段的过程中有助于培养学生的团队精神。学生共同解决一个比较困难的问题时，首先明确自己需要完成的任务以及在整个实验中所发挥的作用，通过不同的分工合作进行联系。最后每个人提出在该实验中所学的心得，大家互相交流，进行头脑风暴的方式互相提问，从不同的角度，不同的方向进行思考问题。学习专家控制时小组成员探索每个模块具体的作用，学习模糊控制时每一位学生再仔细研究模糊算子、模糊规则的具体涵义，学习BP神经网络时尝试发现其中的黑盒原理，这样既能每位学生合理分工，深入合作，又能达到共同进步的效果[6]。

协作学习是高效学习的一种方式。就神经网络控制来说，其控制的结构类型可以分为：神经网络监督控制、神经网络直接逆控制、神经网络自适应控制、神经网络内模控制、神经网络预测控制、神经网络自适应评判控制和神经网络混合控制等七类。这些控制类型涉及到控制器、参考模型、对象三方的构建，其不同的位置得出的控制效果不一样。如果一个学生要认真研究每一个模型的话，其工作量是惊人的，也不现实，所以分工合作，分别突破，这样会使工作量大的问题得到较为合理的解决。

协作学习不但可以解决工作量大的问题，还可以达到处理复杂问题的效果。间接自适应模糊控制中，考虑n阶非线性系统问题时，需要选择控制律来消除其非线性的性质，然后再根据线性控制理论设计控制器。第一步是控制器的设计，其中所涉及建立基本模糊系统的表达式、自适应模糊控制器的设计；第二步进行稳定性分析；这些工作中需要大量的非线性数学知识的理论推导，对基础薄弱的学生来说一下难以接受，所以需要学生之间的相互讨论，辨明其中的公式要点，得出合理的逻辑解释。

（五）教学效果评价

以上环节结束后由教师、学生及学习小组对个人的学习效果进行评价。评价内容包括：自主学习能力，对小组协作学习所做出的贡献，是否完成智能控制框架中所有问题的学习[2]。将这些问题总结成一张表格，进行评分，由分数检查目前所学的问题，查漏补缺，认真核实学生对各个知识点掌握情况。

除上述的评价表格之外，还需要学生写课程总结。总结包括其学习的心得、学习知识归纳、学习方法简介。这为学生以后的复习提供便利条件，“温故而知新可以为师矣”。时时回顾，常常总结，良好的学习方法可以让学生终身受益匪浅。支架式教学也需要在这些基础的学习方法和宗旨上建立起来，只有这样才能保证其方法的科学性和真理性。

最终在学期快结束时，由学生提交所有的评价表格和总结书，由此可以得到学生实时的学习反馈，这样好在新学期時对支架式教学方法进行更好的改善。这样不断的对支架式教学方法进行更新迭代，具体问题具体分析，可以完成一份因地制宜的教学方案。

四、结束语

支架式教学模式中教学进程不再由教师完全主导，学生不再完全被动接受知识，因此学生的学习主动性得以提升。以学生目前所处的能力水平为基础，通过教师的适当引导，逐步搭建教学支架，最终完成智能控制课程所要求的教学任务，采用支架式教学方法，在教学过程不仅能够激发学生们积极思考的能力，也能提高学生之间互相合作，协同解决复杂问题的能力，最终达到学生能够构建完整的知识体系的目的。

参考文献：

[1]刘金琨.智能控制（第4版）[M].电子工业出版社，2017.

[2]刘志超.支架式教学模式在高中物理教学中的应用——以电磁场教学为例[D].山东师范大学，2017.

[3]炎士涛，赵明富，李士勇.支架式教学在嵌入式系统课程教学中的应用[J].中国教育技术装备，2017（20）：85-86.

[4]李清.支架式教学方法在方剂学教学中的应用研究[J].内蒙古中医药，2015（10）：118-119.

[5]茅君平.基于“支架式教学模式”的教学设计[J].物理教学，2016（9）：15-17.

[6]谢庆，梁贵书，葛玉敏.建构主义支架教学法应用中的两个关键问题研究[J].教育教学论坛，2013（11）：84-85.

[7]刘岩.支架式教学模式培养学生的学习能力[J].教育教学论坛，2016（17）：188-189.

[8]王萍芳.支架式教学模式在计算机教学中的应用探究[J].计算机光盘软件与应用，2012（19）：267-268.