“建構(gòu)主義”教學理念對研究生課程建設的啟示
——以控制科學與工程學科為例

高 明，周東華，盛 立(.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590；3.清華大學 自動化系，北京 00084)

“建構(gòu)主義”教學理念對研究生課程建設的啟示
——以控制科學與工程學科為例

高 明1，周東華2,3，盛 立1
(1.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590；3.清華大學 自動化系，北京 100084)

課程建設的水平對于研究生培養(yǎng)目標的實現(xiàn)具有重要作用。目前在控制科學與工程學科的研究生教學中,普遍存在課程設置不夠合理、脫離工程實踐以及評價體系不完善等問題?；诮?gòu)主義科學教學理念，應完善課程體系，創(chuàng)新教學內(nèi)容；加強實踐教學，在情景和對話中幫助學生建構(gòu)新知識；建立科學的教學評價體系，改進考試方式。以利于在教學中激發(fā)學生的學習興趣，促進研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提升我國研究生教育的培養(yǎng)質(zhì)量。

課程建設；建構(gòu)主義；教學改革；控制學科

一、引言

近年來，由黨中央、國務院印發(fā)的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和教育部、發(fā)改委、財政部發(fā)文的《關(guān)于深化研究生教育改革的意見》中均提出將研究生創(chuàng)新教育作為當前的一項重要工作。課程建設在研究生培養(yǎng)體系中居于核心地位，課程體系的科學構(gòu)建與優(yōu)化，對于研究生創(chuàng)新能力與實踐能力的培養(yǎng)具有決定性的作用。隨著現(xiàn)代科技在各個領(lǐng)域的迅速發(fā)展，各學科知識的融合度日益提高，傳統(tǒng)的以講授為主體的課程教學模式已無法系統(tǒng)地實現(xiàn)研究生能力的培養(yǎng)。針對我國研究生教育教學中存在的問題，學者們開展了深入的研究與探討。[1-3]其中，學者羅堯成與謝安邦指出研究生教育本質(zhì)包含“高層次的專業(yè)教育”和“以研究為主要特征的探索性教育”兩個方面，在實踐中需要圍繞研究生教育的本質(zhì)建設研究生課程體系。[1]32結(jié)合目前研究生教學中存在的問題，學者章麗萍等介紹了浙江大學在研究生課程建設方面取得的一系列成果。[2]另一方面，隨著教學改革的深入，建構(gòu)主義教學理念受到了國內(nèi)外學者的高度關(guān)注。[4-11]建構(gòu)主義的理論來源主要包括皮亞杰的結(jié)構(gòu)與建構(gòu)觀、維果茨基的心理發(fā)展理論以及布魯納的認識建構(gòu)論，強調(diào)學習是基于學生原有知識和經(jīng)驗的建構(gòu)，主張教學的價值體現(xiàn)在“對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)”，堅持在教學過程中通過“情境對話”來建構(gòu)知識，以學生的發(fā)展為依據(jù)科學評價教學質(zhì)量。[8]44這一理論符合研究生階段的教育特點和培養(yǎng)目標，對我國研究生教學的開展具有重要的理論指導意義。

自動化技術(shù)的應用可以有效地提高工作效率，增強人類改造世界的能力，其發(fā)展已經(jīng)成為衡量國家現(xiàn)代化水平的一個重要標志。在我國研究生培養(yǎng)體系中，“自動化”對應“控制科學與工程”這個一級學科，本學科以控制論、系統(tǒng)論與信息論為基礎，培養(yǎng)目標注重理論與實踐的緊密結(jié)合，在航空航天、制造業(yè)、數(shù)理金融與生物控制等方面都具有重要的地位。[12]筆者通過深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)截止目前我國在控制科學與工程學科研究生課程建設方面的研究鮮有報道。為此，本文以建構(gòu)主義學習理論為理論基礎，深入剖析了控制科學與工程學科研究生課程建設中存在的問題，并結(jié)合美國加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學(EECS)專業(yè)課程設置方面的經(jīng)驗，對我國當前控制科學與工程學科研究生課程建設提出了幾點改革建議。

二、控制科學與工程學科研究生課程教學中存在的問題

研究生教育的目標是培養(yǎng)具有獨立工作能力的創(chuàng)新型人才，能夠通過科研工作來鍛煉能力，讓學生在研究中獲得知識?！吨腥A人民共和國高等教育法》中明確規(guī)定，博士研究生教育應當使學生掌握本學科堅實寬廣的基礎理論、系統(tǒng)深入的專業(yè)知識、相應的技能和方法，具有獨立從事本學科創(chuàng)造性科學研究工作和實際工作的能力。研究生教育與本科教育之間存在著本質(zhì)的區(qū)別，絕不僅僅是本科教育的延伸。建構(gòu)主義教學理論以學習者為中心，強調(diào)教學過程對學生創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，符合研究生階段的學習特點。然而，當前許多高校的控制科學與工程學科研究生課程體系并沒有完全體現(xiàn)研究生教育的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(一)研究生課程設置與人才培養(yǎng)目標脫節(jié)，無法滿足社會對控制科學與工程學科創(chuàng)新型人才的需求

為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，需要設置內(nèi)容豐富的專業(yè)課程。通過調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，有些學校受到師資和設備等教學資源的限制，控制科學與工程學科所開設研究生專業(yè)基礎課和專業(yè)課種類較少，常常出現(xiàn)“有什么老師開什么課”的情況。此外，部分專業(yè)課程在內(nèi)容上存在著一定的“本科化”問題。例如，有的省屬一流高校開設的本學科專業(yè)基礎課僅有“線性系統(tǒng)理論”與“最優(yōu)控制”兩門課，這兩門課程均設置為2學分32學時，而且在實際教學中“線性系統(tǒng)理論”與本科“現(xiàn)代控制理論”的區(qū)分度不高。建構(gòu)主義知識觀認為知識的建構(gòu)依賴于學生自身的經(jīng)驗背景，單一專業(yè)課程的學習會導致學生知識面狹窄，在研究中不能很好地把握學科前沿。筆者深入調(diào)研了加州大學伯克利分校的研究生課程情況，EECS專業(yè)共開設30余門相關(guān)的專業(yè)課程供學生選擇，為學生獲得相關(guān)基礎知識和專業(yè)背景提供了保障。而且，建構(gòu)主義知識觀強調(diào)知識與學習的情境性，主張將學習置于問題情境中，通過解決問題，促使學生主動探索并建構(gòu)新知識。眾所周知，線性系統(tǒng)理論是控制科學與工程學科最為基礎的理論課程，是進一步學習諸如“魯棒控制”“隨機控制”等專業(yè)課程的基礎，該課程重在對學生進行嚴格的邏輯訓練，注重培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新性思維。如果將這門課的學時僅設為32學時，容易導致沒有足夠的學時保障教學情境的創(chuàng)設，而往往只是將知識點作為真理傳授給學生，在教學過程中學生更多的是記憶知識，不能深入消化課堂所學知識點，在處理復雜工程問題時會感到束手無策。

(二)課堂教學仍采用傳統(tǒng)的教學模式，忽視實踐教學，忽略了研究生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)

從建構(gòu)主義教學觀來看，在教學過程中要注重教學情境的設計，除了授課內(nèi)容以外，還需要將學生親身經(jīng)歷的實驗、良好問題的解決以及師生的互動貫穿整個教學過程。在實踐中不斷激活已有的知識和經(jīng)驗，找到解決問題的方案，從而實現(xiàn)新知識與舊知識的融合，建構(gòu)自身知識的體系。而目前高校中研究生教學大多采用“傳授—接受式”的教學模式，將教學內(nèi)容看作是主要的教學資源。就控制科學與工程學科而言，大部分研究生課程在具有較強理論性的同時，還與實際工程問題結(jié)合緊密。例如，“魯棒控制”這門課是本學科普遍開設的一門研究生專業(yè)課，主要講授在外部干擾存在以及建模誤差影響下，如何設計控制器，保證控制系統(tǒng)的性能。授課過程中，不僅需要給學生講授該研究領(lǐng)域所必須的數(shù)學和控制理論基礎知識，還要將授課的重點放在這門課的研究背景和具體的工程案例上。就目前開課情況來看，大多數(shù)學校只側(cè)重于理論知識的學習，講課內(nèi)容以系統(tǒng)建模與分析為主，很少涉及到實驗平臺的建設及工程案例的設計。這樣安排課堂教學會產(chǎn)生兩方面的效應，一方面，學生被動的接受知識，雖然已經(jīng)掌握了基本的概念和理論，但無法深刻的理解相應的知識點。而學生脫離了實踐所獲得的知識非常抽象，很難靈活運用到工程中。另一方面，部分學生理論基礎比較薄弱，在學習過程中容易感到內(nèi)容枯燥，不利于學習興趣的培養(yǎng)。

(三)教學評價體系不完善，考試方式無法全面評價學生的綜合能力

目前研究生課程考試的目的大都為了甄別學生對本門課程知識的掌握情況，判斷學生在本專業(yè)中的考試名次，并以此作為評價學生優(yōu)良的標準。而從建構(gòu)主義課程觀來看，教學評價不僅僅是給學生一個合理的分數(shù)，更是為了發(fā)現(xiàn)在課堂教學中出現(xiàn)的問題，針對問題改革教學方法。由此看來，目前采取的單純以期末考試為主的評價方式過于片面，缺乏階段性與動態(tài)性。另一方面，傳統(tǒng)考試重點考察學生對控制理論中基本概念、分析方法以及設計方法的掌握情況，期末卷面成績往往能占到總成績的60%—70%，以致學生片面追求知識點的記憶，在處理實際工程問題時也僅是“紙上談兵”，該考試方式顯然不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。在加州大學伯克利分校EECS專業(yè)中，線性系統(tǒng)理論為4學分專業(yè)基礎課，在該課程教學大綱中明確規(guī)定考試由“大作業(yè)+期中考試+期末考試”三個模塊組成，其中，期末考試和平時作業(yè)的完成情況各占總成績的40%。在該課程2015年秋季學期的教學中，共布置了11次大作業(yè)，每次作業(yè)從布置到提交大約一周的時間，作業(yè)中涉及的問題均是具有一定深度的習題，其中不乏以工程實踐為背景的題目。針對這些習題的解答，可以幫助學生在掌握課堂所學基本概念和原理的同時，鍛煉學生的創(chuàng)新性思維。通過復雜問題的解決亦能培養(yǎng)學生的合作精神，在合作學習中共同完成新知識的建構(gòu)。

三、用建構(gòu)主義教育觀指導研究生課程建設

基于上述認識，加強研究生課程建設，開展建構(gòu)主義科學教學研究，對提高控制科學與工程學科研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，促進本學科的長遠發(fā)展十分必要。為此，我們認為應該努力實現(xiàn)以下幾個方面。

(一)完善課程體系，增加4學分課程，創(chuàng)新教學內(nèi)容

將課程建設作為研究生培養(yǎng)工作的重中之重，主要從以下三方面著手。首先，大力加強本學科研究生階段“線性系統(tǒng)理論”“非線性系統(tǒng)理論”“系統(tǒng)辨識”及“凸優(yōu)化”等專業(yè)基礎課程的建設，將部分專業(yè)基礎課設置為4學分64學時，以保障授課內(nèi)容的深度和學生知識體系的建構(gòu)。在課程建設中，可以借鑒加州大學伯克利分校的先進經(jīng)驗，結(jié)合熱點研究方向來建設課程群。該學校EECS專業(yè)主頁上列出了本學科的熱點研究方向，除了介紹某一具體研究方向的內(nèi)容、意義及團隊情況，還列出了從事此方向研究所需要學習的相關(guān)課程，例如從事“控制、智能系統(tǒng)與機器人”這一研究方向需要學習的課程群，如圖1所示。這一方式有助于學生針對感興趣的研究方向合理選課，增強選課的科學性。在課程建設中，要明確課程群中每門課的教學大綱，加強課程群內(nèi)部的知識融合，避免相同知識點的重復講解。其次，大力引進高水平人才，加強研究生導師隊伍建設，廣泛開設“最優(yōu)控制”“魯棒控制”“信號處理”“故障診斷”與“容錯控制”等專業(yè)課程，通過豐富的教學內(nèi)容來拓寬和完善學生的知識體系。最后，開展研究生精品課程建設，不斷創(chuàng)新教學內(nèi)容。在教材中設置“前沿知識”專題，結(jié)合研究熱點來充實研究生教材。針對重點建設的研究生精品課程，每年有計劃地邀請國內(nèi)外學術(shù)專家來校講學。山東科技大學在2015年先后邀請德國杜伊斯堡大學Steven Ding教授、英國布魯奈爾大學Zidong Wang教授等20余位著名教授來校舉辦前沿知識講座，為控制科學與工程學科研究生舉辦報告會20余場，很大程度上開拓了學生的視野，促進了學生創(chuàng)新理念的培養(yǎng)。

圖1 針對某研究方向的課程群設置

(二)注重師生互動，加強實踐教學，在情景和對話中幫助學生建構(gòu)新知識

建構(gòu)主義教學觀認為，教學是在“情景對話中建構(gòu)知識的活動”，科學知識是動態(tài)生成的，課堂教學是師生共同參與建構(gòu)新知識的過程。[8]41在課堂教學的各環(huán)節(jié)要努力營造師生互動以及學生之間的互動，發(fā)揮學生的主體作用。為了滿足日益增多的課堂討論需求，清華大學2016年寒假改造了“變形課桌”，將30厘米高的講臺“夷為平地”。課程教學方法的改革對于培養(yǎng)研究型人才非常重要，[13]在課堂教學中不能視學生為知識的容器，而需要在課堂中采用支架式教學、啟發(fā)式教學等教學方法，將講授與問題研討相結(jié)合，注重學生思維能力和研究能力的培養(yǎng)。以“線性系統(tǒng)”理論課程建設為例，將該課程理論學習分為“基礎知識+熱點問題討論”兩部分。除了講授控制系統(tǒng)數(shù)學建模、系統(tǒng)的運動分析、能控性與能觀性等基礎理論以外，還要結(jié)合網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、隨機跳變控制等研究熱點，設計幾個有深度的問題或案例，在教學中引發(fā)學生積極思考，培養(yǎng)研究生的科研能力。此外，建構(gòu)主義教學觀強調(diào)通過實踐探究來獲取科學知識，而控制科學一個鮮明特色就是面向工程實踐，其研究對象來源于實際的工程系統(tǒng)。為了實現(xiàn)控制科學與工程學科的人才培養(yǎng)目標，需要強化實踐教學環(huán)節(jié)，立足于教學大綱并且貼近工程實際來設計綜合性、創(chuàng)新型的平臺實驗。例如，在理論教學中引入倒立擺和三容水箱實驗平臺，減少驗證性的Matlab仿真實驗，以提高研究生解決實際工程問題的能力。

(三)建立科學的教學評價體系，改進考試方式，增加考試通過難度

傳統(tǒng)教學觀強調(diào)教學評價為課程的終結(jié)性評價，而建構(gòu)主義課程觀將教學評價視為課堂教學的一個重要構(gòu)成環(huán)節(jié)，評價的目的不僅是為了給學生打分，而是以評促教，診斷在教學中出現(xiàn)的問題，促進學生的后續(xù)發(fā)展。因此，教學評價不僅僅發(fā)生在課程結(jié)束時，更需要動態(tài)的呈現(xiàn)于教學過程的環(huán)節(jié)中。筆者借用自動控制原理中反饋的概念，[14]在教學中，以系統(tǒng)的觀點來看待課堂教學的整個過程，將課堂教學設計為一個反饋控制系統(tǒng)。教學目標為給定輸入，將學生看作被控對象，學生能力的發(fā)展看作系統(tǒng)輸出。由任課教師結(jié)合教學目標和學生的知識背景，設計調(diào)查問卷，在教學過程中通過階段性的教學評價，了解學生對教學內(nèi)容的掌握情況，及時發(fā)現(xiàn)在教學中存在的問題，以便改進教學方法，進一步提高教學質(zhì)量，具體運行機制如圖2所示。另一方面，為了更好地提高研究生的創(chuàng)新能力和實踐能力，需要建立合理的考核機制?？刹扇　捌綍r作業(yè)+平時測驗+期末考試+綜合實驗”相結(jié)合的考核方式，提高平時成績與實驗成績的比重，在考核學生對教學知識點掌握情況的同時，更側(cè)重考察學生分析及解決問題的能力。此外，建構(gòu)主義教學觀強調(diào)學生對知識的自主建構(gòu)，簡單的考試題目較易達到的考試要求，往往無法很好地激發(fā)學生學習的積極性。筆者調(diào)研了加州大學伯克利分校EECS專業(yè)的課程考試要求，發(fā)現(xiàn)博士研究生畢業(yè)需要修滿24學分，而且專業(yè)基礎課的成績要達到3.5GPA(90分以上)，專業(yè)課程要達到3.0GPA(85分以上)，在規(guī)定學生畢業(yè)學分的同時，強調(diào)所修課程的考試需達到相應的分數(shù)值，增加了考試通過的難度。這一措施可以激發(fā)學生的探索精神，促進學生深度學習知識點，積極建構(gòu)自身知識。

圖2 科學教學評價體系結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，本文以控制科學與工程學科典型課程的建設為例，深入分析了本學科研究生教學中存在的問題?；诮?gòu)主義在教學觀、知識觀與課程觀等方面的科學理念，并結(jié)合加州大學伯克利分校在課程建設方面的先進經(jīng)驗，提出了相應的改革措施。課程建設是一項長期而又復雜的工作，在教學實踐中要以學生為主體，以學生能力的發(fā)展為培養(yǎng)目標，加強導師隊伍建設，改進傳統(tǒng)的教學方法，加強實踐教學，不斷提升研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

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(責任編輯：魏 霄)

Enlightenment of Constructivist Teaching Conception to Postgraduate Course Design——Taking the Discipline of Control Science and Engineering as an Example

GAO Ming1，ZHOU Donghua2,3*，SHENG Li1
(1.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao266580,China;2.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;3.AutomationDepartment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The design of postgraduate courses plays an important role in achieving postgraduate training objectives.There exist many problems in the current postgraduate education for the discipline of control science and engineering,such as the unreasonable curriculum,the lack of engineering practice and the imperfection of evaluation systems.By employing the constructivist teaching conception,the reform and exploration of the design of postgraduate courses are discussed for the control discipline,which may stimulate students' interest in learning,improve postgraduate students' innovative abilities and enhance the quality of postgraduate education in China.

Course design; Constructivism; Educational reform; Control discipline

2016-07-21

國家自然科學基金重大項目(61490700)；國家自然科學基金面上項目(61573377)

高 明(1981—),女,山東濱州人,中國石油大學(華東)信息與控制工程學院副教授，博士;周東華(1963—),男,江蘇江陰人，山東科技大學副校長,教授，博士，教育部高等學校自動化類教學指導委員會主任，長江學者特聘教授，本文通信作者.

G622

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1008-7699(2017)01-0102-05