基于問題的探究式教學(xué)在工程碩士學(xué)位課程“現(xiàn)代控制理論”中的應(yīng)用

劉文定

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

“現(xiàn)代控制理論”是北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院全日制工程碩士專業(yè)的一門學(xué)位課程，它涉及到本科階段的矩陣理論、復(fù)變函數(shù)、自動控制理論、現(xiàn)代控制理論、C語言和計算機仿真等多門課程知識，同時它也是一門理論性強、知識更新快、課程內(nèi)容龐雜，對后續(xù)的“控制系統(tǒng)設(shè)計”“機電一體化”“智能控制”等專業(yè)課程起著重要鋪墊作用的課程。針對北京林業(yè)大學(xué)工程碩士的教學(xué)特點，“現(xiàn)代控制理論”課題組開展了基于問題的探究式教學(xué)研究，并將其應(yīng)用到教學(xué)實踐中。經(jīng)過3年的教學(xué)實踐，表明該方法有效地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在強化專業(yè)知識的同時激發(fā)了學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。

一、基于問題的探究式教學(xué)方法的內(nèi)涵

基于問題的探究式教學(xué)方法是美國醫(yī)學(xué)教授Barrows在1969年首先提出的，PBL是以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為導(dǎo)向的教學(xué)方法，它將學(xué)習(xí)與問題掛鉤，解答與創(chuàng)新聯(lián)系，探究與技能并聯(lián)，在問題解決中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力。1993年它在愛丁堡世界醫(yī)學(xué)教育高峰會議上得到推薦，并將這種新的概念實施到臨床醫(yī)學(xué)病例教學(xué)中，取得了較好的效果［1-2］。目前，PBL已成為國際上較為流行的一種教學(xué)方法，已從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擴展到其他學(xué)科并演化出多種流派。在我國，中國科技大學(xué)、北京大學(xué)醫(yī)學(xué)院也采用了PBL的教學(xué)方法，均取得了較好的效果。但是，PBL教學(xué)方法在工科研究生教學(xué)中應(yīng)用較少。

基于問題的探究式教學(xué)是按照教學(xué)大綱的要求，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不同類型和不同方案的研討問題，通過問題的探究使研究生和教師均獲得對知識信息的掌握和擴展。這種教學(xué)方法使研究生成為主體，教師成為引導(dǎo)者，整個教學(xué)過程是在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，以研究生自主創(chuàng)新、自主研究、課堂一起討論和課后查閱資料為前提，使不同的科學(xué)觀點相互碰撞、交流和補充，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，充分調(diào)動他們的創(chuàng)新欲望，以達到教學(xué)目的［3］。

PBL教學(xué)法的精髓是創(chuàng)新，用實際應(yīng)用環(huán)境中的問題開展教學(xué)。教師針對課程中的重點、難點、實際關(guān)聯(lián)內(nèi)容和課程前沿問題設(shè)置多方位、多條件、多結(jié)論的探究內(nèi)容，立足于學(xué)生對實際問題的解決，問題選擇的知識點和技能都將影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。問題的提出應(yīng)使學(xué)生置于有新知的猜想與探索、有實際意義而不枯燥，若探究的問題過于簡單，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識能直接給出結(jié)論，將會導(dǎo)致他們失去對問題探究的興趣；而探究問題若過于復(fù)雜和枯燥，又會導(dǎo)致學(xué)生無從下手，對理論探究產(chǎn)生恐懼，不利于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

PBL教學(xué)法在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、獲取知識、發(fā)展能力、培養(yǎng)技能、敢于創(chuàng)新、勇于挑戰(zhàn)等方面具有較大的促進作用?；趩栴}的學(xué)習(xí)理念和我國偉大的教育家陶行知的教育思想——理想的教師其“責(zé)任不在教，而在教學(xué)生學(xué)”相吻合，它是創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

二、工程碩士學(xué)位課程“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)存在的問題

北京林業(yè)大學(xué)對工程碩士的培養(yǎng)起步較晚，招生人數(shù)少，前期教學(xué)經(jīng)驗不足，工程碩士研究生課程的設(shè)置和學(xué)術(shù)型碩士研究生的課程設(shè)置幾乎沒有大的區(qū)別，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法也沒有大的區(qū)別。而對“現(xiàn)代控制理論”這種理論性強、知識點較多的課程，用傳統(tǒng)的教學(xué)方法進行教學(xué)就會顯得抽象或空洞，不能激起工程碩士研究生的學(xué)習(xí)欲望，對教師所講理論知識沒有提高性和擴展性的理解，導(dǎo)致了學(xué)生曠課現(xiàn)象屢見不鮮。此外，工程碩士研究生大部分來自自動化、電氣工程及自動化和機械設(shè)計等專業(yè)，這些專業(yè)在本科階段高等數(shù)學(xué)學(xué)時較少，課程的實驗設(shè)施也較匱乏。所以，學(xué)生對該課程的自主學(xué)習(xí)缺乏動力，大部分工程碩士研究生僅為考試而學(xué)習(xí)，沒有拓展性思維，不會靈活多變地研究所學(xué)知識，也不能創(chuàng)新地將所學(xué)知識應(yīng)用到課題研究和論文撰寫中，對參考文獻中的新理論、新知識難以深刻理解。

工程碩士的培養(yǎng)強調(diào)以專業(yè)實踐為主導(dǎo)，重視實踐能力和實際應(yīng)用技能。工程碩士應(yīng)通過學(xué)習(xí)，強化提高基本理論、專業(yè)知識水平和專業(yè)科學(xué)的研究能力，它培養(yǎng)的是專業(yè)和技術(shù)上的高層人才。工程碩士的學(xué)位課程是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而學(xué)位課程的學(xué)習(xí)不僅僅是為專業(yè)知識打下扎實的基礎(chǔ)，而是要為新理論、新方法、新理念等提出種子源，更是要成為激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的發(fā)動機。如何充分發(fā)揮學(xué)生潛在的思維能力、科學(xué)地全方位地分析與探索科學(xué)研究問題，合理地創(chuàng)造性地利用所學(xué)專業(yè)理論知識來解決實際問題，成為工程碩士學(xué)位課程教學(xué)中迫切需要解決的問題。

三、PBL教學(xué)法在工程碩士學(xué)位課程“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)中的應(yīng)用

PBL教學(xué)方法不同于常見的啟發(fā)式教學(xué)模式，也不同于常規(guī)的案例教學(xué)方法，與研討式教學(xué)有相同之處，但也有較大的區(qū)別。研討式教學(xué)所研究的問題是有明確答案的，而基于問題的探究式PBL教學(xué)方法，教師對所提出的問題不一定有明確結(jié)論。PBL探究式教學(xué)方法是以研究、探討為基本特征的一種教學(xué)活動，即教學(xué)過程是在教師的啟發(fā)指導(dǎo)下進行的，改變了過去“我說你聽”的單向傳授知識的模式，以學(xué)生獨立自主學(xué)習(xí)和合作討論為前提，以教學(xué)中的重點難點、有爭議的學(xué)術(shù)或?qū)W科前沿問題為研究內(nèi)容，通過學(xué)生查閱資料、獨立專研、認真思考，展開課堂討論和交流，使不同的學(xué)術(shù)觀點相互碰撞、切磋、交流和補充，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，充分調(diào)動他們的創(chuàng)新欲望，以達到教學(xué)目的的一種教學(xué)方法。它注重探究問題的過程，重點是研究過程中的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造性思考。

（一）PBL教學(xué)法在理論課教學(xué)中的應(yīng)用

工程碩士學(xué)位課程的主要任務(wù)是通過學(xué)習(xí)，強化專業(yè)知識，提高學(xué)生的專業(yè)技能和創(chuàng)新能力。因此，理論課基本知識點的講解是必不可少的，在講授新的知識點時，教師應(yīng)先從實際需要解決的問題入手，將問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生要掌握的知識點，引導(dǎo)學(xué)生進行探究。如在講解線性系統(tǒng)中被控對象數(shù)學(xué)模型知識點時，以直升飛機的飛行控制為例，指出直升飛機調(diào)節(jié)旋葉角速度控制上下、左右運動，陀螺控制其升降、轉(zhuǎn)向，方向盤控制飛機的轉(zhuǎn)彎和俯仰等。針對實際問題升華到知識問題，可以使學(xué)生了解控制系統(tǒng)為多輸入、多輸出系統(tǒng)，元器件參數(shù)隨飛行過程發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)為非線性、時變系統(tǒng)，研究其輸入與輸出之間的特性的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)已無法滿足系統(tǒng)分析要求，特別是實際系統(tǒng)的控制需要研究直升飛機在不同時間狀態(tài)的變化，系統(tǒng)的指標衡量也不僅僅考慮輸出響應(yīng)，而是從整個飛行過程飛機的姿態(tài)即上下、左右、升降、轉(zhuǎn)向等與飛行軌跡的最優(yōu)控制策略之間關(guān)系加以考慮。教師在課堂上做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，提出問題，學(xué)生應(yīng)用本科所學(xué)知識提出在輸入輸出之間引入中間變量（旋葉角速度、方向盤、陀螺等）進行課堂討論，在教師引導(dǎo)下提出狀態(tài)空間表達式這種內(nèi)部狀態(tài)描述的數(shù)學(xué)模型的知識點，使學(xué)生能快速掌握理論知識，并將理論與實際緊密聯(lián)系［4］。課堂教學(xué)中教師可以給學(xué)生提供相關(guān)前沿學(xué)科的科研文獻，為后續(xù)的學(xué)習(xí)和研究做必要的鋪墊。工程碩士生在課堂上不僅是學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，也是對理論和專業(yè)知識擴展的一個過程。實際問題的提出能激發(fā)工程碩士研究生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其潛在的思維能力，促使學(xué)生更加全面地分析與探索實際復(fù)雜的問題，并利用理論知識來解決具體問題，從而使工程碩士研究生的職業(yè)技能得到提高。

（二）PBL教學(xué)法中教師的引導(dǎo)作用

工程碩士研究生已具備了較為扎實的基礎(chǔ)知識，對問題的思考具有一定的廣度和深度，獲取知識的主動性和自覺性也比較強，所以將PBL教學(xué)方法實施于工程碩士的教學(xué)中成為可能。PBL教學(xué)法中教師的作用將發(fā)生變化，教師不再單單是在講臺上單方向傳遞知識，而更多的是在課堂上擔(dān)當(dāng)引導(dǎo)和推動的作用。教師應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為前提，把學(xué)生作為中心，以不同理論知識和實際問題解決的多種方案來設(shè)計多樣化的教學(xué)，其中包括提供教學(xué)資源、提出不同的學(xué)習(xí)方案、對整個學(xué)習(xí)過程進行全面控制，這就要求教師本身應(yīng)具有較高的業(yè)務(wù)素質(zhì)和科研能力。例如，在控制系統(tǒng)狀態(tài)反饋改善系統(tǒng)動靜態(tài)特性知識點的講授中，教師從工業(yè)機器人控制入手提出所要解決的問題，引導(dǎo)學(xué)生考慮采用輸出到輸入的反饋是否能滿足要求，并用計算機輔助設(shè)計的方法構(gòu)造教學(xué)模型，實時進行系統(tǒng)仿真研究，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，調(diào)動他們的創(chuàng)新欲望。在教師的引導(dǎo)下，大部分學(xué)生指出倒立擺是不穩(wěn)定的，必須為它設(shè)計一個合適的位置和速度狀態(tài)的反饋控制，先使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為達到控制系統(tǒng)設(shè)計要求可通過狀態(tài)反饋對閉環(huán)極點進行配置，同時由理論推導(dǎo)提出極點任意配置的必要條件。教師通過理論與實際問題之間的引導(dǎo)作用，擴展了工程碩士應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識解決實際問題的能力，對高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到積極的推進作用。

（三）PBL教學(xué)法中研究生的主體地位

PBL教學(xué)法力圖培養(yǎng)工程碩士研究生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)他們獨立分析和解決實際問題的能力，所以，在教學(xué)中應(yīng)努力體現(xiàn)學(xué)生們的主導(dǎo)地位。課堂教學(xué)中，教師根據(jù)知識點的不同設(shè)計情景問題，學(xué)生充分利用現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)，在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，針對不同知識點和問題，利用已有知識提出解決方案，進行課堂討論。最后教師將不同方案進行對比，篩選出合理方案。在此過程中，多次反復(fù)讓學(xué)生自己提出問題并將問題描述清楚，這需要學(xué)生高度的敏銳性和創(chuàng)新性思維。例如，關(guān)于系統(tǒng)能控性、能觀測性和系統(tǒng)傳遞函數(shù)之間的關(guān)系這個知識點，教師在課堂上設(shè)置了探究點引出問題后，引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)典控制數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)代控制數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)能控性和能觀測性的判斷等不同入手，鼓勵大家各抒己見，讓他們帶著問題利用已學(xué)的相關(guān)知識和技能，通過自己的分析進一步將問題具體提出，并查閱相關(guān)資料得出結(jié)論。主動提出問題可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)上由被動到主動，提高觀察能力，活躍思維，為以后從事科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

四、PBL教學(xué)法在工程碩士學(xué)位課程“現(xiàn)代控制理論”教學(xué)中的應(yīng)用成果

（一）PBL教學(xué)法促進了教學(xué)相長

在PBL教學(xué)中教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系實際，創(chuàng)造合適環(huán)節(jié)提出問題或引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，使學(xué)生利用所學(xué)知識、查閱相關(guān)文獻提出解決方案。教師在學(xué)生提出多種解決方案后進一步歸納、演繹、提煉相關(guān)知識點，做到知識的融合貫通，這樣有利于學(xué)生對問題向高深層次進行研究。PBL教學(xué)中教師和學(xué)生是互動的，教師要向?qū)W生傳授專業(yè)知識、解決學(xué)生疑難問題，這就要求教師必須業(yè)務(wù)精通才能授業(yè)。PBL教學(xué)改變了教師的單向傳授知識的角色，教師在教學(xué)過程中不斷積累、豐富經(jīng)驗，在教學(xué)過程中也成為知識的受益者，在教學(xué)相長中教師與學(xué)生相互促進，共同提高。

（二）PBL教學(xué)法提升了學(xué)生的創(chuàng)造性思維

PBL教學(xué)法圍繞問題設(shè)計課堂教學(xué)，突出以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生運用已有知識去解決實際問題，形成自己獨特的見解。這種以問題為紐帶、培養(yǎng)學(xué)生針對問題、探索問題求解的教學(xué)方法，大大提升了工程碩士研究生的主觀能動性以及創(chuàng)造性思維的能力。

（三）PBL教學(xué)法有助于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

PBL教學(xué)強調(diào)全體學(xué)生親歷問題的解決過程，鼓勵學(xué)生應(yīng)用各種知識和工具解決實際問題，在構(gòu)建知識的同時，通過教師的提煉和概括，形成更完善、更系統(tǒng)的知識體系，并將理論知識和實際應(yīng)用串聯(lián)起來，變單向思維為多向思維，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

3年的教學(xué)實踐表明，工程碩士的學(xué)位課程教學(xué)采用PBL教學(xué)模式有助于培養(yǎng)工程碩士研究生應(yīng)用所掌握的基礎(chǔ)理論知識來解決實際問題的能力，它使工程碩士研究生能夠迅速適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的變化和實際工作的需要。同時，PBL教學(xué)法對工程碩士研究生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、自主解決問題的能力有著極大的促進作用，從而提升了工程碩士研究生就業(yè)的競爭力。

［1］畢桂芝，趙海軍，段裕.PBL模式在中醫(yī)學(xué)教學(xué)中應(yīng)用研究［J］.醫(yī)學(xué)信息，2011（9）：48-50.

［2］HEPPNER P P，JANE M A，MALLINCKRODT B.Problemsolving Style and Adaptation in Breast Cancer Surviors：A Prospective Analysis［J］.2009，28（1）：136-142.

［3］吳虹，韓茹，王丹.PBL與多媒體結(jié)合教學(xué)法在藥學(xué)專業(yè)藥物分析學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國醫(yī)藥導(dǎo)報，2011，8（3）：112-113.

［4］鄭大中.線性系統(tǒng)理論［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008：50-80.