“自动控制原理”课程的一致性建构教学研究

2021-08-24王庆凤王红波

电气电子教学学报 2021年4期

王庆凤，王红波

(吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012)

0 引言

“自动控制原理”课程是电子科学与工程、通信工程等领域的一门本科生必修的专业课。课程的主要任务是使学生掌握自动控制的基本原理及必要的现代控制理论的基础知识，熟练掌握各种分析和校正方法，同时通过实验或自主实践将理论与实践相结合，培养学生一定的工程应用能力[1～3]。

“自动控制原理”课程为学习后续专业课如“计算机控制系统”、“嵌入式系统”、“信号与系统”、“数字信号处理”等打下坚实的理论基础，也为学生从事工程前沿科学研究增加必要的基础知识储备。

本文面向新工科教育的需求，针对“自动控制原理”课程，探讨以学生中心、以成果为导向，注重能力培养，有效提升课程的高阶性、创新性和挑战度的一流课程要求的教学改革设计与建设方案。

1 本课程教学现状及存在的问题

从多年的教学过程中笔者发现，目前“自动控制原理”课程教学中存在着一些急需解决的问题，主要表现在：

(1)我国目前需要大量高素质的工程专业毕业生，而“自动控制原理”课程中缺乏教学过程质量监控指导的教与学的模式。工程教育认证导向能够推进我国工程教育改革，进一步提高工程教育质量，工程认证依赖于以成果为导向的关于知识和技能的应用教育[4～6]。“自动控制原理”课程的微观层面(课程/单元设计)需要进行调整，设计适当的学习活动、制定适当的评估或评定学生成绩的方法，使得工科毕业生能够在创新、创造方面运用“自动控制原理”课程知识进行探索，成为解决问题的创造性领导者。另外，还需要进一步考虑如何将道德伦理和可持续发展融入到“自动控制原理”的课程中，如何将知识和技能应用和适应不断变化的环境，如何把创新精神和批判性思维包含在本课程中。

(2)教学中缺少工程背景的实际应用，学生缺乏对工程问题的深入认知。“自动控制原理”理论性很强，有许多概念、理论和方法需要理解和运用，与数学科学联系紧密，但这对于经历过高中学习的学生来说，并不构成难度，其中的难点是如何将这些概念、分析和校正的方法与工程实际真正建立联系，也就是说学这门课的理论知识到底如何用于实际工程中，学生很难仅仅通过理论学习获得这方面的体会。虽然通过Matlab/Simulink的仿真可以一定程度地实现对控制系统模型、分析和校正的认识[7～8]，但仍然是数学层面的，是对理论知识的验证和强化。如何实现将抽象的数学模型、信号和系统等到实际的物理系统的对应和联系，让学生从理论到实践的真正结合是需要解决的问题。比如虽然讲解了控制器的数学关系和校正的原理，但是到底什么是控制器、传感器、执行器，他们是以怎样的方式实现在实际系统中呢？因此我们急需那些具体的、日常易得的和容易引发学生兴趣的案例来提高学生对自动控制原理的理解，帮助学生能够从单个模块上升到系统的高度、再从系统的角度深入到局部细节的认知和思考。

(3)学生的注意力和学习习惯在显著地转变。今天的学生体验世界的方式发生了巨大变化，他们几乎没有经历过不用手机和互联网的生活，新一代学生的特点是：他们随时在线，比以往更加活跃；他们常常通过电子方式交流，而不是面对面；喜欢在线获取作业帮助。有些学生的注意力广度明显下降，比如上课携带智能手机，而不使用本、笔和计算器等，不喜欢在纸上做笔记；学生对着黑板拍照，需要课程材料的PPT。因此，对于这些学生最重要的技能应该是“学会学习”，离开“舒适区”。因此在“自动控制原理”课程教学改革中面对的问题是如何向多样化的学生群体提供高质量、以学生为中心的课程教授，如何使学生提出真正的问题，如何促进学生们的协作学习，提高学生在工程教育学习中的灵活性、选择性和多样化，确保不同学习需求的学生获得丰富的学习体验。

2 面向新工科教育的教学设计

2.1 一致性建构

一致性建构(Constructive Alignment)的基本出发点就是为高校课堂上的大多数学生提供高挑战和高支持的学术环境[9,10]。其理论内涵包括两个方面：一方面从教师的角度看，一致性体现为一种教学设计，即预期学习成果、教与学过程、评估任务三位一体，保持一致。教师设计教与学活动支持并引导学生完成预期学习成果，并通过学生参与评估任务予以证明。另一方面从学生的角度看，学生要遵循构建主义的方法，从自我的学习中主动学习知识和进行意义构建，通过改变自我的认知结构吸纳新的知识、信息和方法[10,11]。有一些文献对一致性建构原则在中国高等教育教学中的设计与应用进行了研究。侯珂珂等为实现 Java 课程教学成果与教学目标的一致性，提出线上线下相结合的混合式一致性建构教学模式[12]。雷正玲等基于互动课堂教学平台，开展了一致性建构理论的实践研究, 并总结了三种教学成效目标设定下的具体教学实践方法[13]。吴燕华等以一致性建构原则为指导，开展遗传学混合式教学的课程设计与改革实践，课程受到了学生的充分肯定[14]。一致性建构原则在中国高等教育教学中的研究，为新时代高等教育教学的发展提供了新的思路和方法。

面对本课程上述的课程教学现状及存在的问题，本文基于一致性建构原则进行了以学生为中心、以成果为导向的“自动控制原理”课程的教学设计。一致性建构原则内容框架如图1所示。其核心内容是首先确定学习成果-教师希望学生能够做什么；然后，确定教与学的活动-教师如何让学生实现学习成果；最后，设计适当的评估-教师如何让学生完成展示其技能的活动。

图1 一致性建构原则框架

以成果为导向的教育是一种教育理论，教育过程中的每个部分都有助于实现学习目标，每个目标都为实现课程的要求做出重要作用。一旦确立了学习目标，下一步就是设计能够实现这些目标的活动和评估方法。课堂上发生的活动(无论是实际课堂、远程课堂还是模拟课堂)与课程的其他活动和事件结合在一起，有助于创建统一的、以成果为导向的课程体系[15]。关于一致性建构比较重要的文章是Biggs J.在1996年的《高等教育》上发表的“通过一致性建构来促进教与学”，其中指出一致性建构是一种基于结果的教学方法，在这种方法中，在教学开始之前，学生们要达到的学习结果是被定义的[11]。然后，教学和评估方法的设计旨在最好地实现这些成果，并评估达到的标准。采用迭代的方法，即从本门课程学生要提高的素质扩展到特定的学习目标，通过学习目标确定学习活动，根据学习活动为学生准备评测任务，基于评测任务设定评测标准，根据评测标准判断是否达成课程目标；如此反复构成循环迭代的方法。当学生要完成具体的任务时，通过评测任务进行评分，在某个时间点上获得信息，然后基于一致性建构原则改善评测结果。

2.2 基于一致性建构的自动控制原理教学设计

根据“自动控制原理”的课程特点，本文从优化课程目标和学习目标、设计学习活动和评测任务到建构评测标准五个方面设计了改革方案思路，在学习活动中特别设计了多功能机器人作为典型实例的贯穿式工程实物实训，部分内容如图2所示，教学设计包括以下三个步骤：第一步是优化课程目标和学习目标。课程目标是指与目标和评估相关的学科特定属性和能力，其中除了使学生掌握基本的原理、方法以外，也强调解决工程实际问题的能力，还特别引入了使学生了解自动化领域相关的可持续发展和工程伦理规范；激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。学习目标可以是具体涉及到课程各章节知识点的理解、方法的掌握和实际工程能力的分析和应用，配合相符的动词来体现所设学习目标的层次性，学习目标与评测任务之间存在互相映射的关系。

图2 基于一致性建构的“自动控制原理”教学设计

第二步是设计学习活动和评测任务。学习活动的设置要符合本专业、本课程的发展活动，可以是面对面的活动，也可以是通过网路在线完成。本课程设置的学习活动除了主题讨论、课程资源搜集等，重点是引入了贯穿于全书的“控制系统建模→分析→综合”整个知识体系的机器人系统案例的工程仿真实验和实物实训。根据每一个学习活动设置评测任务，测评任务要与学习目标呼应，比如在贯穿式工程实物实训-以机器人控制系统为例的活动中，评测任务包含“认知实验(被控对象、检测仪表、控制仪表、执行机构及变送器等)，… ，设计控制器结构和参数，编写程序，进行闭环控制实验等任务”等，如图2所示，每个任务不一定都包含所有的学习目标，但可以通过多个任务实现学习目标的全覆盖。

最后一步是构建与学习活动和课程目标相一致的评测标准。对于评测任务要给出对学生的能力的评测标准，比如可以通过知识掌握情况、分析问题解决问题的能力方面和个人素质的培养等方面设置适当的测评细则。

三个步骤五个方面的设置形成一个闭合的回路，教师在实践中进行不断地可持续地反馈和调整，学生在实践中进行不断的构建和校正自我学习的课程知识结构。

2.3 案例展示

结合理论教学内容和工程设计的过程，我们以多功能机器人作为典型实例，将贯穿式的机器人系统项目驱动的教学方法与一致性建构原则相融合进行教学设计。首先根据课程目标和课程内容针对这项学习活动设计具体的学习目标，如“系统数学模型的建立”这个模块，学习目标为：

(1)能够用机理建模法建立电路系统及力学系统的微分方程；

(2)熟练掌握传递函数的概念、定义和性质，掌握典型常用元部件的传递函数及其求解方法；

(3)熟练掌握系统结构图的建立和简化方法，能通过结构图等效变换求系统的传递函数；

(4)熟练使用梅森增益公式求系统传递函数；

(5)掌握控制系统建模的Matlab方法。

然后教师搜集整理资料，选择具体案例, 为学生设置相对应的评测任务，如：

(1)认知实验(被控对象、检测仪表、控制仪表、执行机构及变送器等)，查阅机器人案例背景资料；

(2)根据机器人工作原理图绘制系统方块图，用机理建模法建立该系统的微分方程；

(3)建立系统的结构图，并通过结构图等效变换求系统的传递函数；

(4)使用梅森增益公式求系统传递函数；

(5)应用Matlab对机器人系统进行建模仿真等。让学生根据任务需要，在教师指导下进行机器人系统模块配置、软件编程、调试等环节，形成以机器人系统贯穿这个教学过程(建模、分析与校正)的多层次实践教学体系，其结构如图3所示。

图3 基于机器人系统的实践教学体系结构图

最后是根据设定的评价标准, 及时准确地给学生进行反馈，根据学习目标达成度进行一致性调整，提高学习效果。

图4和图5分别展示了其中的两个机器人项目中学生搭建、仿真和实践的过程，一是两轮自平衡机器人系统平台，二是直线行走、循迹移动小车机器人平台。通过这样的教学设计，极大地提高了学生的学习兴趣，促进了学生的参与度，较好地提高学生的工程实践的能力。

3 结语

一致性建构是一个强有力的原理，基于一致性建构的教学模式不仅保持了学习成果、教与学过程及评估任务的一致性，而且引导学生主动学习知识和进行意义建构，有利于建立课程不同方面之间的逻辑联系。一致性建构将思维集中在预期的学习成果上，它是思考学习活动和评估的有用工具。本文对基于一致性建构对“自动控制原理”课程进行了教学设计，教学实践表明此教学改革能提高学生的学习兴趣和学习效率，培养学生的创新意识，提高学生的工程实践能力。