基于构建主义的计算机控制技术实验教学改革与实践

金东阳 武萌 唐伟

摘要 构建主义教育理念认为，学习的过程是新知识通过实际应用、案例或项目基于原有知识体系再次构建的过程。计算机控制技术课程实验学习符合构建主义教育理念的学习过程。自动化专业计算机控制技术实验教学改革，可以不再使用原有分立的验证性实验，而是应用基于教学案例和项目驱动的实验教学方法，符合构建主义的设计思路。实验教学方式改革构建了较为完整的知识结构，加深了对知识的理解，提高了学员分析和解决问题的能力，能为后续专业课程学习打下扎实的基础。

关键词 构建主义教育理念；自动化专业；案例式教学；项目驱动式教学

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.022

专业基础课程是大学四年学习的重要组成部分，通过专业基础课程的学习，学生可具备现代科技知识，扎实基础，构建知识体系结构，开拓思维，能够发现、分析现实应用问题，适应未来发展。传统的教学模式更注重理论知识的讲解，教员主讲，是课堂的主角，学员听讲，学习相对被动。然而，学习过程不完全是将外界的知识强化为大脑的记忆，而是原有认知与外界沟通达到重新构建深化的过程，即构建主义思想。计算机控制技术课程需要学习数字计算机、辅助部件即接口和专业相关元件，以及相关控制策略的计算机实现，具有很强的应用性，课程不仅含有理论环节，还有对应实验，需要在接受抽象课程理论的同时，通过实验联系实际，使新的知识能够在原有知识框架基础上重新构建深化拓展，形成新的知识结构，符合构建主义学习思路，使知识联系实际，形成知识体系网络，强化自我学习。

为提升计算机控制技术课程的教学质量，本文在开设原有计算机控制技术实验的基础上，基于构建主义理念对计算机控制技术实验教学进行改革和实践，以提升课程教学效果。

1计算机控制技术课程实验存在的问题

多年的计算机控制技术课程实验均基于实验箱和实验指导书展开，积累了很多经验，但也发现了一些问题，实验箱封装得非常好，实验项目比较固定、分立，可以完全对照理论课程内容，但实验的综合性不够强，很难激发学员再次思考完成更深层次的实验。实验的完成方式也通常是学员依据实验指导书按步骤完成。完全参考实验指导书的方式可以帮助他们快速完成课内实验，但也限制了他们的思路，有些学员离开指导书就不知道该怎样去做，很难将知识进行综合，实验对理论的支撑还不够，验证性实验的完成难以辅助学员形成完整的知识体系。

2构建主义教学理念下的教学改革思路

2.1构建主义学习理论

知识的学习强调理解和融会贯通，而不是简单地灌输知识点，构建主义学习理论更多地强调了过程的学习，认为知识的学习并不是把书本上的知识和教员教授的知识简单堆放，而是学员基于现有的知识结构，认识新的知识，慢慢搭建自己的知识结构，进而把新知识转化为自我认知的一部分。大量事实证明，只有把新的知识融入自己的知识体系，在实际使用时才会得心应手，并不断产生新的思路、新的理念。知识的学习过程是新的知识点结合原有知识体系重新构建的过程，构建的过程可以从问题出发，基于实验、某种应用、实际案例或者结合项目对原有知识体系再次構建。

可以看出，计算机控制技术的学习过程符合构建主义学习理论，可以基于构建主义学习理论进行实验教学设计。基于构建主义理论的计算机控制技术实验教学设计需要遵守以下原则：以问题为核心驱动实验学习，问题可以是项目、案例；通过问题引发学员思考，带动学员完成实验，形成新的知识结构，进而把知识转化为自我认知的过程。

2.2课程改革思路

计算机控制技术课程改革是结合构建主义学习理论，应用案例式和项目驱动式教学方式展开。教学平台选择综合实验平台，不再采用传统的实验箱完成。

综合实验平台基于履带式机器人和轮式机器人作为底盘完成，相比原来实验箱增加了各类传感器和执行机构，例如：红外传感器、温度/光线传感器、直流电机驱动模块、光电编码器等，可以实现红外检测、温度/光线获取、角度获取、直流电机驱动等功能，有利于完成综合实验。

案例式教学方式主要完成课程基础实验，结合学员后期将开设的专业课程和后续任职常用到的计算机控制技术知识进行案例设置。案例选择：面板控制、直流电机调速控制、模拟量获取、总线数据获取、光电编码器数据获取、数字PID控制器等。通过案例实验引发学员思考，使理论知识通过实验变为自我认知的过程。

项目驱动式教学方式主要用于完成课程综合实验，综合实验是在完成基础实验的基础上，由学员自主选题进行项目综合，通过综合实验平台完成项目功能。完成过程是教员引导学员自主选题，自主撰写项目设计方案，自主完成设计，教员在学员学习过程中帮助解决问题，进行项目验收，提出新的问题引发学员思考。通过项目驱动的教学方式，学员可以使知识点相互连接，搭建相对完整的知识结构，提高综合分析问题和解决问题的能力。

3实验教改实施过程

3.1案例式教学完成基础实验

案例教学课程案例如表1所示，教员先讲解各个案例实现的功能，学员思考功能搭建方式，思考程序设计流程，完成基础实验，加深对课程理论知识的理解。

3.2项目驱动式教学完成综合实验

教员把基础实验的部分案例内容综合起来，形成实现一定功能的实验综合体，采用项目驱动的教学方式，选择不同实验模块自主完成综合设计。实验模块可实现功能如下表2。

项目驱动教学完成综合实验有以下3个步骤：

步骤1：学员自主设计项目实施方案。

基于前期学员完成的基础实验，思考基于综合实验平台的各个传感器和执行机构模块可以实现的功能，制订项目实施方案，在此过程中学员自主思考，教员答疑。通过2022年春季学期计算机控制技术实验课程学习情况，在实验改革中遇到以下问题：部分学员完成基础案例实验，综合实验过程中仍不能理顺基于功能的程序设计逻辑结构。作为教员需要结合综合实验平台，进行进一步引导，从功能出发思考系统设计方法，进一步联系课程理论内容，确定程序设计流程。如表3为2022年计算机控制技术课程实验学员自主设计的项目题目汇总表。

学员自主设计项目实施方案的过程也是知识点重新梳理的过程。

步骤2：教员指导，学员自主实践。

教员指导主要采用引导和帮助解决问题的方式，实验过程中学员提出的问题有很多，大致有几类：第一类，单个器件更好发挥功能的问题，例如：怎样提高红外传感器的灵敏度等。这类问题相对简单，首先让学员自己回顾传感器性能和功能实现方法，另外再思考怎样从编程角度更好地发挥器件的功能；第二类，程序算法实现问题，例如：基于数字PID的小功率直流伺服速度控制中的参数选择？这类问题要求学员基于综合实验对各部分理论内容进行综合，确定各部分设计模型再进行综合，并依托器件性能进行数字PID控制器设计，基于实验现象进行参数整定，通过综合设计联系实际，形成较为完整的知识体系框架。

步骤3：学员演示项目效果，教员验收总结，升华式讲述。

此环节中，学员演示他们的学习成果，介绍他们作品的成功点，思考存在的不足和改进方法，激发学员积极探索的精神。教员也会针对项目特点提出更好的实现方案，以期使平台达到更稳定的控制效果或实现更多的功能，启发学员进一步学习，开放实验室，供学有余力的学员进一步学习。

针对学员完成情况，教员提出了以下讨论问题：怎样使用PID控制完成平台稳定制动？如何通过总线方式完成多传感器数据融合的设计方法？通过这些问题启发学员进一步思考，提出更好的解决方案，进一步达到能力的综合提升。

通过项目驱动的教学方式，基于综合实验平台，自主设计思考完成一个完整的项目，使学员进一步梳理课程理论知识，综合各个知识点，构建完整的知识体系，提升系统思考问题的方法和主动思考问题的能力。

4总结

本次课程改革是基于构建主义学习理念完成计算机控制技术课程实验的案例式教学和项目驱动式教学，相比传统实验方式，学员不再完全依据实验指导书完成各个分立实验，而是主动思考，构建完整的知识结构，提高了自身系统分析的能力和主动思考的能力，这种知识体系框架的构建为后续专业课程的学习奠定了扎实的技术基础。

基金项目：陆军精品课程基金支持（2022陆军精品课程）

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