基于協(xié)同教學(xué)環(huán)境的連續(xù)系統(tǒng)仿真教學(xué)探討

摘要：為了充分調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性和主觀能動性，針對實(shí)踐要求較多的連續(xù)系統(tǒng)仿真課程的學(xué)習(xí)構(gòu)造了協(xié)同教學(xué)環(huán)境，給學(xué)生提供足夠多的學(xué)習(xí)資源。教師主要通過控制學(xué)習(xí)的流程，提供需要學(xué)習(xí)和掌握的資料提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。介紹了該協(xié)同教學(xué)環(huán)境的框架、功能及使用情況，在教師的指導(dǎo)下，通過小組協(xié)作，圍繞某一仿真任務(wù)，采取查找資料、設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)和總結(jié)等步驟，學(xué)習(xí)一項(xiàng)完整的仿真工程任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，同時(shí)進(jìn)行交互、討論、競爭、互評。在完成仿真項(xiàng)目工程的交流、合作、競爭中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神、協(xié)作意識，掌握相關(guān)知識。

關(guān)鍵詞：協(xié)同學(xué)習(xí)；案例設(shè)計(jì)；共享資源

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）26-0031-02

協(xié)同學(xué)習(xí)是基于建構(gòu)主義知識觀的基礎(chǔ)上，在建構(gòu)派的觀點(diǎn)中，“學(xué)習(xí)”被理解為意義的獲得，因?yàn)榻?gòu)主義知識觀認(rèn)為：學(xué)習(xí)者是以自己關(guān)于世界獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)及信念為背景，同時(shí)，學(xué)習(xí)的過程是學(xué)生的一種認(rèn)知過程，所以應(yīng)該是學(xué)生主動探索、發(fā)現(xiàn)問題的建構(gòu)過程。因此，有必要創(chuàng)建一種富有個(gè)性化的教學(xué)環(huán)境。計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同學(xué)習(xí)平臺（Computer Support for Collaborative Learning，CSCL）是由計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（Computer-Supported Collaborative Work， CSCW）與協(xié)同學(xué)習(xí)（Collaborative Learning ，CL）的理論與方法相結(jié)合的產(chǎn)物。[1]因此，它是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、教育學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)等為一體，在CSCL平臺的支持下，師生可突破地域和時(shí)間上的限制，進(jìn)行互教互學(xué)、小組討論、小組練習(xí)、小組課題等合作性學(xué)習(xí)活動，從而使學(xué)生們獲得的知識緊密結(jié)合起來，使處于不同年齡、時(shí)間、地點(diǎn)的人們開展協(xié)作學(xué)習(xí)成為可能。[1]

在基于協(xié)同教學(xué)環(huán)境的教學(xué)模型中，記憶變得不再是最重要的，老師所掌握的是教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、基礎(chǔ)知識和查詢信息的能力。而學(xué)生則更為自由，不必拘泥于時(shí)間和地點(diǎn)（教室） ，可直接選擇合適的時(shí)間學(xué)習(xí)和查詢知識庫，并與同學(xué)、老師、專家進(jìn)行交流與評價(jià)，故提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。知識庫中保存和不斷更新所要學(xué)的信息、知識，以供學(xué)生學(xué)習(xí)及老師查詢。給學(xué)生提供足夠多的學(xué)習(xí)資源，教師主要通過控制學(xué)習(xí)的流程，提供需要學(xué)習(xí)的和掌握的資料來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。因此從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式過渡到CSCW式的教學(xué)模式，這是一個(gè)螺旋式上升的過程。該協(xié)同教學(xué)環(huán)境為培養(yǎng)學(xué)生的高級認(rèn)知過程和合作精神提供了更加輕松、自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，尤其適合于工科學(xué)生的學(xué)習(xí)。

一、協(xié)同教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與功能

協(xié)同教學(xué)環(huán)境是協(xié)同學(xué)習(xí)的支持工具，它和教學(xué)是密切相關(guān)的，必須在科學(xué)的教學(xué)模式和方法的指導(dǎo)下進(jìn)行平臺的研究。協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境主要有：學(xué)習(xí)過程控制、仿真任務(wù)專題研討、仿真任務(wù)方案研討、環(huán)境分析、仿真實(shí)驗(yàn)、仿真結(jié)果解析分析及仿真課程資料庫、知識庫、實(shí)驗(yàn)信息庫和基礎(chǔ)信息庫等部分組成，如圖1所示。

其中：

協(xié)同學(xué)習(xí)控制部分，由主講教師按照仿真實(shí)驗(yàn)流程和“問題樹”展開對逐個(gè)問題的推出與研討，并控制整個(gè)學(xué)習(xí)過程的進(jìn)展，啟動、中斷或結(jié)束一個(gè)問題的研討。制定學(xué)生的發(fā)言和評價(jià)、發(fā)放調(diào)查問卷，控制學(xué)習(xí)過程的焦點(diǎn)主要集中于完成任務(wù)的研討問題。

仿真任務(wù)專題研討部分，可以連接到信息系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查詢仿真任務(wù)研討問題的相關(guān)資料，在研討時(shí)進(jìn)行說明和顯示。

仿真方案討論部分，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具、仿真軟件系統(tǒng)，通過顯示系統(tǒng)等演示構(gòu)想方案，通過解析分析，得出一定結(jié)論，與老師和同學(xué)討論仿真方案的可行性和合理性。

環(huán)境分析，主要分析仿真環(huán)境的參數(shù)，即在指定時(shí)間、指定區(qū)域的環(huán)境參數(shù)值和環(huán)境參數(shù)值的變化規(guī)律，分析這些參數(shù)對仿真結(jié)果的影響。

仿真實(shí)驗(yàn)部分，支持仿真分析，能夠?qū)?gòu)想方案輸入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)過程中展開必要的仿真分析和結(jié)果顯示。

仿真結(jié)果解析分析，利用仿真結(jié)果及所學(xué)的知識解釋結(jié)果的合理性，及參數(shù)優(yōu)化的可行性，或選用其他方案的可行性，并對各種方法和參數(shù)進(jìn)行比較分析。

協(xié)同過程材料整理，對協(xié)同學(xué)習(xí)過程信息所涉及的各種材料進(jìn)行整理與分析，形成初步的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及資料整理總結(jié)，可放入仿真課程資料庫，供后面的同學(xué)學(xué)習(xí)或參考。

仿真課程資料庫，存儲在教學(xué)過程中產(chǎn)生的文檔、以人為中心，以信息為基礎(chǔ)，以知識創(chuàng)新為目標(biāo)，將文檔看做一種可開發(fā)資源的管理，同時(shí)管理文檔的存取訪問、控制文檔的分發(fā)、監(jiān)控文檔的流轉(zhuǎn)過程，其中包括教師和學(xué)生在教學(xué)過程中對其所在集體的知識與技能（包括寫在紙上，輸入計(jì)算機(jī)中或存在于人腦中的）的捕獲與運(yùn)用的過程。

知識庫：通過運(yùn)用產(chǎn)生式系統(tǒng)表示法、邏輯表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、模擬表示法、腳本表示法、過程表示法、特征表示法等多種知識表示法，建立能夠表達(dá)連續(xù)系統(tǒng)仿真的理論、經(jīng)驗(yàn)、常識的知識庫，并在此基礎(chǔ)上，建立人機(jī)結(jié)合的啟發(fā)式問題推理求解機(jī)制。對于不確定及模糊因素，引入人工智能，進(jìn)行知識推理。

實(shí)驗(yàn)信息庫，對仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例的基本信息、配置信息、方案信息、過程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

另外，能夠?qū)f(xié)同學(xué)習(xí)過程的錄音、錄像、截屏、問題等原始記錄，特別是協(xié)同學(xué)習(xí)過程中教師和學(xué)生發(fā)表的各種意見、觀點(diǎn)及相關(guān)論據(jù)，進(jìn)行分類存儲，支持定制回放。

基礎(chǔ)信息庫：主要存儲其他相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)信息。

二、基于協(xié)同教學(xué)環(huán)境連續(xù)系統(tǒng)仿真教學(xué)案例

仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專門技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和專用設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)研究的一門多學(xué)科綜合的技術(shù)性學(xué)科。因?yàn)檫B續(xù)系統(tǒng)仿真課程所涉及的知識面較寬，既要有較深入的理論基礎(chǔ)知識，又要有較廣泛的專業(yè)基礎(chǔ)知識。它在學(xué)員知識結(jié)構(gòu)方面將起到加強(qiáng)理論深度和拓展知識廣度的積極作用，是仿真工程和自動化等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。

連續(xù)系統(tǒng)仿真的教學(xué)重點(diǎn)在于突出系統(tǒng)仿真的基本原理、基本方法和實(shí)際應(yīng)用。通過典型仿真系統(tǒng)的應(yīng)用體現(xiàn)本課程的實(shí)用性和重要性，教學(xué)方式以講授為主、自學(xué)為輔，積極開展體驗(yàn)性教學(xué)。其主要目標(biāo)是在教師的指導(dǎo)下，采用小組協(xié)作，圍繞某一任務(wù)，進(jìn)行交互、討論、協(xié)商、競爭，在交流、合作、競爭中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神、協(xié)作意識，掌握相關(guān)知識。

基本流程是：

（1）教師提出合作學(xué)習(xí)任務(wù)，主要控制流程和工作量，以及將要達(dá)到的目標(biāo)。教師在協(xié)同教學(xué)平臺上發(fā)布各種任務(wù)，主要有：教師提出合作學(xué)習(xí)任務(wù)，主要控制流程和工作量，以及將要達(dá)到的目標(biāo)。教師在協(xié)同教學(xué)平臺上發(fā)布各種任務(wù)，主要有：自整角機(jī)和伺服結(jié)構(gòu)組成的隨動系統(tǒng)隨動控制；用試驗(yàn)方法測得系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，求其開環(huán)傳遞函數(shù)；旋轉(zhuǎn)式倒立擺控制系統(tǒng)的控制、直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化等，總之是一些較大型較復(fù)雜的系統(tǒng)仿真項(xiàng)目。

（2）學(xué)生自由組合成三人一個(gè)學(xué)習(xí)小組，領(lǐng)取任務(wù)并進(jìn)行任務(wù)分工，同時(shí)要將組成人員、任務(wù)的名稱及分工及時(shí)上報(bào)教師，得到批準(zhǔn)后才能進(jìn)行后面的工作，教師要掌握任務(wù)的分派情況、組成人員的情況，以避免多個(gè)組同時(shí)做一項(xiàng)任務(wù)。同時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生大致的工作量，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下熟悉協(xié)同教學(xué)環(huán)境中可用資源的獲取，查找相關(guān)的資料。例如建模工具的選取、仿真軟件的選取、建模的模塊資源，這些都可在協(xié)同教學(xué)環(huán)境中獲得。

（3）每一個(gè)小組提交任務(wù)書，概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方案，同時(shí)提出設(shè)計(jì)依據(jù)的原理，協(xié)商方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出未解決的問題，各小組之間可相互提出參考意見，互相評分、相互評議。教師就方案發(fā)表自己的觀點(diǎn)，闡述各自的特點(diǎn)及改進(jìn)的辦法，對于不合格的方案要重新梳理，重新設(shè)計(jì)。

（4）各小組成員完善補(bǔ)充設(shè)計(jì)方案，然后給出實(shí)現(xiàn)方案，按照選定的目標(biāo)軟件編寫程序，遇到問題，先在小組內(nèi)討論，解決不了再提交全隊(duì)討論。教師在這個(gè)過程中可判斷某個(gè)同學(xué)或某個(gè)小組解決問題的多少給予權(quán)重加分。

（5）各小組根據(jù)仿真結(jié)果，統(tǒng)計(jì)匯總得出結(jié)論，或提出最優(yōu)化參數(shù)，制作電子報(bào)告，進(jìn)行現(xiàn)場演示，同學(xué)可以打分評議，同時(shí)教師也給打分評議。最后教師根據(jù)各個(gè)步驟的打分列表，給出各部分的權(quán)重，得出一個(gè)總分，在每個(gè)過程的打分中設(shè)計(jì)了一個(gè)群決策算法，既考慮每個(gè)同學(xué)發(fā)言權(quán)又給教師和實(shí)驗(yàn)室的指導(dǎo)人員更高的權(quán)重，以充分考慮他們的評判。

（5）最后將學(xué)習(xí)成果在全班評議、講評，教師總結(jié)，然后將優(yōu)秀及較差的設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)方案及出現(xiàn)的問題整理存入資源庫，以備后面的同學(xué)學(xué)習(xí)或借鑒。

三、結(jié)束語

本文介紹了研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的協(xié)同教學(xué)環(huán)境的框架和功能，基于該協(xié)同環(huán)境進(jìn)行了以連續(xù)系統(tǒng)仿真為例的教學(xué)，通過該環(huán)境平臺控制學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)進(jìn)度。同時(shí)提供多種工具的協(xié)同進(jìn)行教學(xué)研討，為研討式教學(xué)提供了案例。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）