通用技術(shù)“控制與設(shè)計(jì)”模塊的主要問(wèn)題分析與對(duì)策

黃捷

摘 要：通用技術(shù)中的“控制與設(shè)計(jì)”內(nèi)容屬于重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于控制理論的理論性較強(qiáng)，多數(shù)通用技術(shù)的教師只接受師范教育，沒(méi)有接受自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)中的自動(dòng)控制原理系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)，使其在教學(xué)過(guò)程中存在一些困惑。本文針對(duì)通用技術(shù)“控制與設(shè)計(jì)”教學(xué)中容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤理解的內(nèi)容進(jìn)行解析，提高通用技術(shù)教師對(duì)控制理論基本概念的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：通用技術(shù)；控制與設(shè)計(jì)；自動(dòng)控制；對(duì)策

引 言

隨著課程改革的推進(jìn)，技術(shù)課程已進(jìn)入基礎(chǔ)教育階段，通用技術(shù)和信息技術(shù)是技術(shù)課程體系的兩大課程。通用技術(shù)在絕大多數(shù)省份都已經(jīng)在課改過(guò)程中逐步開(kāi)設(shè)。特別是海南省和山東省開(kāi)設(shè)的較早，已具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。尤其山東省已經(jīng)把通用技術(shù)納入到高考評(píng)價(jià)體系中，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)通用技術(shù)高考省份。隨著課程改革和高考改革的進(jìn)一步推進(jìn)，通用技術(shù)在基礎(chǔ)教育階段中的重要性將越發(fā)體現(xiàn)。

通用技術(shù)課程其教育價(jià)值越來(lái)越顯得重要，然而，通用技術(shù)師資隊(duì)伍建設(shè)相對(duì)滯后。這是多種原因造成的：第一，歷史原因?，F(xiàn)在許多通用技術(shù)教師是原勞技課老師以及其他學(xué)科教師兼職或者轉(zhuǎn)任通用技術(shù)學(xué)科教學(xué)，其中以物理教師居多。他們往往還未建立通用技術(shù)教育系統(tǒng)化的知識(shí)；第二，由于基礎(chǔ)教育師資主要來(lái)源于各類(lèi)師范院校，這些老師往往缺乏工程專(zhuān)業(yè)背景，他們中的絕大多數(shù)沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)自動(dòng)控制原理。因此在教學(xué)的過(guò)程中，難以把握“控制與設(shè)計(jì)”教學(xué)的難點(diǎn)、要點(diǎn)，甚至對(duì)教學(xué)內(nèi)容表示困惑不解；第三，蘇教版通用技術(shù)教材用的比較廣泛，但是目前該版本的教材《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》第四章“控制與設(shè)計(jì)”的許多內(nèi)容的表述有欠妥當(dāng)之處，要么表述不準(zhǔn)確，要么案例過(guò)于生活化，缺乏對(duì)自動(dòng)控制的深入思考，教材內(nèi)容過(guò)于科普而不能突顯其中蘊(yùn)含的深刻技術(shù)原理，教材的這些不足也給教師帶來(lái)了困擾。

筆者長(zhǎng)期從事智能控制研究，近幾年又承擔(dān)了福建省通用技術(shù)新課程省級(jí)培訓(xùn)，福建省通用技術(shù)教研組長(zhǎng)培訓(xùn)等工作。本文總結(jié)在培訓(xùn)過(guò)程中一線(xiàn)教師針對(duì)控制與設(shè)計(jì)的內(nèi)容提出的典型問(wèn)題，最后提出解決問(wèn)題的建議和措施。

1 “控制與設(shè)計(jì)”教學(xué)過(guò)程中主要問(wèn)題解析

通用技術(shù)中的“控制與設(shè)計(jì)”內(nèi)容屬于重點(diǎn)和難點(diǎn)，從山東省高考來(lái)看，2007-2010年連續(xù)4年都出現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)是控制理論，可見(jiàn)其重要，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn) [1 ]。由于控制理論的理論性較強(qiáng)，多數(shù)通用技術(shù)的教師只是接受師范教育，沒(méi)有自動(dòng)控制原理的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，在對(duì)教材的把握以及在教學(xué)過(guò)程中存在許多困惑和誤區(qū)。因此，加強(qiáng)教師對(duì)該教學(xué)內(nèi)容的深入理解，總結(jié)與自動(dòng)控制原理相關(guān)的理論基礎(chǔ)以及教學(xué)案例，是通用技術(shù)教師繼續(xù)教育的當(dāng)務(wù)之急。

1.1 “開(kāi)環(huán)控制-閉環(huán)控制”與“人工控制-自動(dòng)控制”的關(guān)系不清

“開(kāi)環(huán)控制-閉環(huán)控制”是控制與設(shè)計(jì)中重要的一節(jié)，許多教師容易將“人工控制-自動(dòng)控制”與“開(kāi)環(huán)控制-閉環(huán)控制”相混淆。首先，應(yīng)該明確人工控制和自動(dòng)控制的差別，掌握這兩者的區(qū)別，最直接的方法就是以是否有人參與控制過(guò)程為標(biāo)準(zhǔn)，有人參與（干預(yù)）控制過(guò)程為人工控制，否則為自動(dòng)控制。關(guān)于這一點(diǎn)的辨析，沒(méi)有什么爭(zhēng)議。其次，應(yīng)該區(qū)分開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的差別：（1）系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖中是否存在反饋通道：開(kāi)環(huán)控制的控制輸入不受系統(tǒng)輸出量的影響，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)一般由控制器與被控對(duì)象組成（見(jiàn)圖1）；閉環(huán)控制存在反饋通道，系統(tǒng)的控制輸入受到系統(tǒng)輸出的影響。開(kāi)環(huán)控制一般是在瞬間就完成的控制活動(dòng)，閉環(huán)控制會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)作用。（2）功能特性及應(yīng)用場(chǎng)合：相比閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制主要不足在于控制精度和抑制干擾的性能都較差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。因此，一般僅用于可以不考慮外界影響，或慣性小，精度要求不高，定時(shí)，控制的結(jié)果是控制開(kāi)啟關(guān)斷的場(chǎng)合，如步進(jìn)電機(jī)的控制，簡(jiǎn)易電爐爐溫調(diào)節(jié)，水位調(diào)節(jié)，紅綠燈定時(shí)控制系統(tǒng)、樓宇的防盜報(bào)警控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公園的音樂(lè)噴泉自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)著陸末階段控制等。

許多一線(xiàn)教師認(rèn)為“閉環(huán)控制不一定是自動(dòng)控制，但自動(dòng)控制一定是閉環(huán)的”。這是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，兩者并沒(méi)有直接的關(guān)系，控制系統(tǒng)里有采用開(kāi)環(huán)控制也有采用閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)與閉環(huán)是控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的范疇，是否為自動(dòng)控制是控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的范疇。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)以閉環(huán)居多，但開(kāi)環(huán)與閉環(huán)都是自動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)。開(kāi)環(huán)與閉環(huán)結(jié)構(gòu)不一定都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，是否能實(shí)現(xiàn)控制與控制器的設(shè)計(jì)有關(guān)，且與被控對(duì)象能控性有關(guān)。

1.2 教材中引用大量生活化的內(nèi)容，束縛了對(duì)控制理論的本質(zhì)的理解

目前通用技術(shù)控制與設(shè)計(jì)教學(xué)中，還普遍存在一個(gè)誤區(qū)，即大量采用生活中的案例作為典型的控制系統(tǒng)開(kāi)展研究，如抽水馬桶，熱水器等。這些生活中的案例對(duì)于學(xué)生初步理解自動(dòng)控制系統(tǒng)是具有代表性且容易入門(mén)。但是目前從實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不僅在教學(xué)過(guò)程中，考題中，貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程中的都是“抽水馬桶”式的案例，缺乏現(xiàn)代自動(dòng)控制案例， 束縛了對(duì)控制理論本質(zhì)的理解。筆者認(rèn)為應(yīng)選取一定比例的先進(jìn)控制應(yīng)用作為而典型的自動(dòng)控制的案例素材，如工業(yè)中的自動(dòng)控制、軍用無(wú)人系統(tǒng)自動(dòng)控制等。由于對(duì)控制原理認(rèn)知水平不高，不少教材和習(xí)題中也常常存在一些錯(cuò)誤，其本質(zhì)是編者對(duì)控制理論的理解較為粗淺，如下面的選擇題是通用技術(shù)習(xí)題中常見(jiàn)的：

題目：下列關(guān)于干擾因素對(duì)控制系統(tǒng)的作用，說(shuō)法正確的是（ ）

A. 干擾因素僅作用在被控量上

B. 干擾因素不會(huì)作用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

C. 閉環(huán)控制系統(tǒng)中干擾因素的作用都會(huì)反映在輸出量的變化上

D. 干擾因素都是可以利用的

四個(gè)答案都是錯(cuò)誤的，因此此題無(wú)正確答案。

2 建議與對(duì)策

2.1 加強(qiáng)通用技術(shù)師資隊(duì)伍建設(shè)

首先，針對(duì)職后教育。通過(guò)省市縣構(gòu)建三級(jí)培訓(xùn)體系中的各級(jí)教育學(xué)院和教師進(jìn)修院校，加強(qiáng)通用技術(shù)教師職后培訓(xùn)。不同于其它學(xué)科，通用技術(shù)由于其技術(shù)性，在培訓(xùn)過(guò)程中不能僅強(qiáng)調(diào)教師教育藝術(shù)的提高，更應(yīng)該在培訓(xùn)課程的設(shè)置中加大系統(tǒng)性學(xué)科知識(shí)模塊的比重。將自動(dòng)控制理論等知識(shí)較為系統(tǒng)的講授給學(xué)員，并通過(guò)專(zhuān)家引領(lǐng)，學(xué)員自學(xué)和教學(xué)技能比武等形式循序漸進(jìn)的構(gòu)建、鞏固和提高通用技術(shù)教師的學(xué)科知識(shí)體系。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)最好能與工科院校自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)形成合作，充分利用工科高等院校專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)與教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)專(zhuān)長(zhǎng)相結(jié)合。

其次，對(duì)于職前教育，各師范院校應(yīng)提高師范類(lèi)學(xué)生的動(dòng)手能力、工程思維和復(fù)合的技術(shù)能力。由于通用技術(shù)教師崗位對(duì)教師的技能要求較高等特點(diǎn)，師范院校的培養(yǎng)存在天然的不足，可以考慮與工科院校聯(lián)合培養(yǎng)或者參與工程實(shí)訓(xùn)的方式，獲得工科院校的自動(dòng)控制理論相關(guān)課程學(xué)分和實(shí)踐課程學(xué)分。此外可以直接錄用工程背景的非師范專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生補(bǔ)充通用技術(shù)教師隊(duì)伍，在其職后培訓(xùn)中加強(qiáng)教育教學(xué)能力即可。

對(duì)于教師自身，需要積極主動(dòng)閱讀學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理的教材和科普讀物，了解自動(dòng)控制中的數(shù)學(xué)知識(shí)，使其能從宏觀上把握自動(dòng)控制理論，在微觀上能針對(duì)具體的物理對(duì)象映射其對(duì)應(yīng)的理論。

2.2 完善和提高教材及教輔書(shū)籍的質(zhì)量

強(qiáng)烈要求目前的教材編寫(xiě)組需要引進(jìn)控制理論專(zhuān)家參與教材論證，進(jìn)而盡快完善教材內(nèi)容，補(bǔ)充和升華教材、教案、教輔材料的內(nèi)容，提升教材質(zhì)量，修改現(xiàn)存版本中不妥之處。如對(duì)控制的定義不夠準(zhǔn)確；教學(xué)案例都是生活化的，雖然容易理解但是學(xué)術(shù)層次不高。教材內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)“頂天立地”，從生活中的例子引入控制的概念，再通過(guò)現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域中的先進(jìn)控制來(lái)介紹當(dāng)今控制學(xué)科的發(fā)展。軍事科技是一個(gè)國(guó)家技術(shù)水平的體現(xiàn)，而最先進(jìn)的自動(dòng)控制方法往往先應(yīng)用到軍用領(lǐng)域，適當(dāng)?shù)囊胲娛驴萍贾械目刂瓢咐苡行У靥岣呓滩馁|(zhì)量；此外，蘇教版教材中列舉的一些控制領(lǐng)域網(wǎng)站類(lèi)型過(guò)于單一，不少是工業(yè)產(chǎn)品介紹，作為學(xué)生的閱讀材料，其指導(dǎo)性和教學(xué)性不強(qiáng)。且不少網(wǎng)站的域名已經(jīng)失效，需要及時(shí)更新，建議從學(xué)術(shù)界和工業(yè)界兩個(gè)角度來(lái)豐富課外網(wǎng)站資源的引用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李昳. 淺談通用技術(shù)課程 “控制與設(shè)計(jì)” 教學(xué)難點(diǎn)的突破[J]. 教育研究與評(píng)論： 技術(shù)教育， 2011 （5）： 44-46.