本科生學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫玉梅 黑志榮 孫巧妍 王美春 陳祥光

摘要：學(xué)習(xí)過程是一個(gè)具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時(shí)變特性的非工程系統(tǒng)。本文運(yùn)用自動控制原理設(shè)計(jì)了一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，綜合地分析了該系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及主要的干擾因素，提出了學(xué)習(xí)過程反饋—自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本框架，該系統(tǒng)可促使學(xué)生有效控制自身學(xué)習(xí)的行為，提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，本文所提學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)具有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)過程;本科生;反饋控制系統(tǒng);自動控制原理

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）11-0206-04

一、前言

目前，人類社會已經(jīng)進(jìn)入到信息化時(shí)代，隨著知識面的深度和廣度增加，信息量也與日俱增。只有通過學(xué)習(xí)才能掌握科學(xué)技術(shù)，才能促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的增長。因此，研究大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，對于督促學(xué)生的學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、推動本科教育教學(xué)改革以及提升人才培養(yǎng)質(zhì)量都有著極其重要的意義[1]。目前，在大學(xué)里有相當(dāng)一部分學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況不夠理想，例如學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、學(xué)習(xí)不刻苦、學(xué)習(xí)動力不足等[2]。在學(xué)習(xí)過程中，影響大學(xué)生學(xué)習(xí)成績的主要因素可歸納如下。

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，沒有吃苦耐勞、刻苦鉆研的精神。

2.沒有樹立正確的人生觀和價(jià)值觀，而追捧“歌星、影星、球星”等現(xiàn)象泛濫。

3.抗擊外界的干擾能力弱，不能把主要的精力投入到學(xué)習(xí)中，而將大部分課余時(shí)間用在手機(jī)游戲、聊天等活動上。

大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程需要監(jiān)測與評價(jià)。為了完善學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評價(jià)工作，促進(jìn)學(xué)生自身的發(fā)展和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，在教學(xué)質(zhì)量保障與監(jiān)控工作中，要重視教學(xué)評價(jià)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)測、反饋、診斷、改進(jìn)、激勵等措施，研究學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價(jià)機(jī)制，從而提高大學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量[3]。因此，分析現(xiàn)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，研究學(xué)習(xí)過程的合理評價(jià)方法，對于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和保障高等教育水平都具有重要的戰(zhàn)略意義。文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)缺失、動力不足和時(shí)間管理不善是影響大學(xué)生學(xué)習(xí)過程的三個(gè)主要因素。

當(dāng)前，自主學(xué)習(xí)越來越受到社會各界的重視，它不僅符合人類發(fā)展歷程的基本規(guī)律，也符合教育改革的發(fā)展趨勢，其可以挖掘?qū)W生自身的潛力，使學(xué)生獲得較好的學(xué)習(xí)效果。自主學(xué)習(xí)也是實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)的必要條件[5]。在自動控制系統(tǒng)中，自主學(xué)習(xí)的過程相當(dāng)于控制器、執(zhí)行器及被控對象三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)，但沒有檢測裝置，不能構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。不是反饋控制，就會出現(xiàn)設(shè)定值與被控值之間的偏差，而這個(gè)偏差是波動的、忽大忽小，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文運(yùn)用自動控制原理，設(shè)計(jì)本科生學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，其目的是使學(xué)生理解學(xué)習(xí)過程反饋控制系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的特性，分清學(xué)習(xí)過程中的干擾因素，從而實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。

二、學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）自動控制原理簡述

自動控制和反饋是自動控制系統(tǒng)中的重要概念。自動控制是在沒有人的干預(yù)下，通過檢測裝置、控制器和執(zhí)行器，使被控對象或生產(chǎn)過程按照預(yù)定的變化規(guī)律運(yùn)行。反饋是通過檢測裝置將系統(tǒng)的輸出量返回到系統(tǒng)的輸入端，與設(shè)定值（目標(biāo)值）進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差信號作為控制器的輸入量[6]，通過控制器（模型或計(jì)算式）的運(yùn)算，作為執(zhí)行器的輸入量，再通過能量轉(zhuǎn)換控制輸入至被控對象的物料（或信號），使被控對象的輸出值保持在設(shè)定值的一定范圍內(nèi)變化。其反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中一些術(shù)語說明如下：①檢測裝置（傳感器或檢測元件）：檢測現(xiàn)場的被控參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)測量值;②控制器：根據(jù)偏差值的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律（模型或數(shù)學(xué)表達(dá)式）給出控制量;③執(zhí)行器：基于控制器輸出的，通過能量轉(zhuǎn)換改變操縱量;④被控對象：一般是指工業(yè)生產(chǎn)中需要進(jìn)行控制的設(shè)備、裝置或生產(chǎn)過程;⑤被控參數(shù)：在控制對象中要求按預(yù)定規(guī)律變化的物理量（化學(xué)量或生物量等），也稱被控參數(shù);⑥擾動（干擾）：在自動控制系統(tǒng)中，干擾又稱擾動。除控制量以外引起被控參數(shù)變化的所有作用因素都可視為干擾;⑦設(shè)定（給定或恒定）值：指與被控對象工藝要求值相對應(yīng)的信號值，也稱目標(biāo)值，是控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)（對于定值系統(tǒng)，它是恒定值）;⑧偏差值：指設(shè)定值與被控參數(shù)測量值之差，在自動控制系統(tǒng)中，一般規(guī)定偏差值。

（二）學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)

由于工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)屬于工程系統(tǒng)，而大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程屬于非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)（實(shí)時(shí)）控制，而是運(yùn)用自動控制原理，構(gòu)建學(xué)習(xí)過程的采樣反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的采樣周期也是變化的，這些都是本文涉及到的研究內(nèi)容。

1.一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前的大學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中，被控制對象就是課程的學(xué)習(xí)過程，控制器和執(zhí)行器都是學(xué)習(xí)者自身頭腦思維和學(xué)習(xí)活動，學(xué)習(xí)過程中的檢測裝置就是“課堂學(xué)習(xí)情況、課后作業(yè)完成情況、課堂測驗(yàn)、同學(xué)之間的討論、老師的點(diǎn)評以及自我檢查學(xué)習(xí)等?！卑匆欢ǖ闹芷冢ㄈ鐣r(shí)間T1）檢測學(xué)習(xí)情況，將檢測結(jié)果反饋到輸入端，并且與輸入設(shè)定值（或目標(biāo)值）進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差作為控制器（即學(xué)生自身）的輸入，基于控制模型（或控制算法）對偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出值相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法或措施，修正該課程的學(xué)習(xí)過程，以最終獲得預(yù)期的成績，達(dá)到本課程預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

結(jié)合大學(xué)學(xué)習(xí)情況，通過對身邊學(xué)生不同學(xué)習(xí)情況的對比，針對某一門課程學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析，例如大學(xué)物理，設(shè)定自身學(xué)習(xí)期望值，即課程期末學(xué)習(xí)成績?yōu)?0分，以自身學(xué)習(xí)過程為被控對象，定期（如T1）進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，比如課堂聽課情況、回答問題情況、課堂測驗(yàn)情況、課后作業(yè)情況以及期中考試成績等多種學(xué)習(xí)情況，通過檢測上述情況結(jié)果并且與自身學(xué)習(xí)期望值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差通過采樣開關(guān)（T2）作為學(xué)生自身的輸入，學(xué)生自身就是控制器和執(zhí)行器，若偏差較大，則盡快采取措施調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，克服學(xué)習(xí)過程中的干擾因素，及時(shí)對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輸出值（也就是期末考試綜合成績）達(dá)到學(xué)習(xí)期望值或者與期望值偏差不大。設(shè)計(jì)一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)如圖2所示。

因?yàn)閷τ趯W(xué)習(xí)過程的情況（也可用變量表示），通常是通過課堂提問、作業(yè)、測試等方式獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)信息，而這種獲取的方式是間歇的、離散的，即按一定的時(shí)間周期進(jìn)行。因此，在圖2系統(tǒng)的反饋回路中設(shè)置了2個(gè)采樣開關(guān)[7]。

2.多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大學(xué)本科學(xué)習(xí)時(shí)間通常為4年，每個(gè)學(xué)年有2個(gè)學(xué)期，而每一個(gè)學(xué)期有多門課程，設(shè)定不同課程的學(xué)習(xí)期望值，采用各自的控制回路，但是都是同一個(gè)控制器和執(zhí)行器—學(xué)習(xí)者自身、學(xué)習(xí)者個(gè)人興趣愛好、擅長的側(cè)重點(diǎn)、時(shí)間的有限性等個(gè)人因素以及學(xué)習(xí)課程的關(guān)聯(lián)性，又存在不可避免的相互影響和制約（在控制系統(tǒng)中，稱之為耦合）。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)所有學(xué)習(xí)課程的實(shí)際值接近于期望值，需要設(shè)計(jì)一個(gè)整體的反饋控制回路，檢測所有課程學(xué)習(xí)過程的情況，并及時(shí)修訂學(xué)習(xí)目標(biāo)，控制器針對偏差進(jìn)行合理均衡地控制，合理分配學(xué)習(xí)時(shí)間，做出合理、及時(shí)的調(diào)整措施，實(shí)現(xiàn)多門課程學(xué)習(xí)過程的優(yōu)化控制。因此，研究設(shè)計(jì)多門課程的學(xué)習(xí)過程反饋控制系統(tǒng)是有必要的。基于圖2的控制系統(tǒng)，目標(biāo)設(shè)定值都是期末的學(xué)習(xí)成績，比如大學(xué)英語75分，微積分85分……大學(xué)物理80分。對于多門課程之間存相互干擾和相互影響的耦合作用，例如給出n門課程學(xué)習(xí)過程的設(shè)定值（n=1，2，3…），學(xué)生自身根據(jù)自我評價(jià)，找出擅長與不足，或者說n門課程的基礎(chǔ)功底，然后制定學(xué)習(xí)計(jì)劃和學(xué)習(xí)過程的操作步驟，給n門課程分配不同的學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)態(tài)度，再根據(jù)各自課程的檢測情況，及時(shí)調(diào)整、改變學(xué)習(xí)方法和措施，盡可能使這n門課程的學(xué)習(xí)成績都接近于期望（預(yù)設(shè)）值。多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)如圖3所示。

在圖3中，輸入值為多門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)值（即希望獲得各門課程的成績），輸出值為各門課程學(xué)習(xí)過程成績的變化值，其穩(wěn)態(tài)值即為各門課程對應(yīng)的期末成績。在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，各課程的學(xué)習(xí)成績是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)檢測環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)信息的獲取是周期性的，所以設(shè)置采樣開關(guān)T1。學(xué)生按照自己制定的學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）展開學(xué)習(xí)，這相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）要通過學(xué)生本身多年積累的學(xué)習(xí)方法和措施來實(shí)施，這就相當(dāng)于執(zhí)行環(huán)節(jié)。因此學(xué)生本人就相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)+執(zhí)行環(huán)節(jié)。對每一門課程，學(xué)生都要通過聽課、做作業(yè)（或做實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告）考試等教學(xué)活動，直至課程結(jié)束獲得成績，這樣的過程稱為多門課程學(xué)習(xí)過程。

圖3中多門課程學(xué)習(xí)過程存在相互耦合作用，即多門課程的學(xué)習(xí)過程相互影響，圖中的實(shí)線表示有直接的影響，虛線表示間接影響。因此，學(xué)生要根據(jù)不同的課程需求，安排好各門課程的學(xué)習(xí)計(jì)劃，運(yùn)用相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法和措施，使多門課程的學(xué)習(xí)成績接近于預(yù)先的設(shè)定值。

3.多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋—自調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大學(xué)一般都是四年學(xué)業(yè)，分為不同學(xué)期學(xué)習(xí)。完成四年本科的大學(xué)學(xué)習(xí)，要求學(xué)好每一門課程，不僅是某一個(gè)學(xué)期的任務(wù)，而且是整個(gè)大學(xué)期間多個(gè)學(xué)期的任務(wù)。為了更好地達(dá)到畢業(yè)要求，多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程必須有方案、有計(jì)劃地學(xué)習(xí)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋—自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在圖4中，輸入值為課程學(xué)習(xí)目標(biāo)值（即希望獲得各課程的成績），輸出值為各課程成績的變化過程，其穩(wěn)態(tài)值即為各課程對應(yīng)的期末成績。設(shè)定一個(gè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，各課程的學(xué)習(xí)成績是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)檢測環(huán)節(jié)。學(xué)生按照自己制定的學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）展開學(xué)習(xí)，這相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）要通過學(xué)生本身多年積累的學(xué)習(xí)方法和措施來實(shí)施，這就相當(dāng)于執(zhí)行環(huán)節(jié)。學(xué)生要對每一門課程通過聽課、做作業(yè)（或做實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告）考試等教學(xué)活動，直至課程結(jié)束獲得成績，該過程被稱為課程學(xué)習(xí)過程。

圖4中的工作原理是：首先通過測試方式按一定的周期（T1）獲取各課程的信息（數(shù)值），與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差按一定的周期（T2）作為控制器的輸入，該控制器就是學(xué)生的腦思維系統(tǒng)，學(xué)生根據(jù)不同課程的學(xué)習(xí)偏差和偏差的大小，運(yùn)用相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法和措施，使各門課程的學(xué)習(xí)成績在預(yù)定值允許的范圍內(nèi)變化。

學(xué)習(xí)過程是變化的，因此易受外部干擾。假設(shè)外部干擾因素是可測的，那么可通過當(dāng)前的偏差值和外部的干擾量及變化特性，基于自調(diào)節(jié)規(guī)則和推理機(jī)構(gòu)在線修正控制器的參數(shù)，即調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)方案，使該系統(tǒng)具有抗干擾和自適應(yīng)過程變化的能力。將反饋原理和自調(diào)節(jié)方法相結(jié)合，構(gòu)建了一類如圖4所示的“多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋—自適應(yīng)控制系統(tǒng)”。

三、結(jié)論

本文分析了大學(xué)生學(xué)習(xí)過程相關(guān)環(huán)節(jié)的主要特性，運(yùn)用反饋控制原理，設(shè)計(jì)了單門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，以及設(shè)計(jì)了多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋—自適應(yīng)控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用這些學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，對于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，學(xué)習(xí)過程是一個(gè)具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時(shí)變特性的非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的建模過程很復(fù)雜，一些干擾因素很難準(zhǔn)確測量。因此，這類系統(tǒng)屬于復(fù)雜的難控系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛虧環(huán).大學(xué)生學(xué)習(xí)過程評價(jià)初探[J].高教發(fā)展與評估，2015，31（4）：6-13+105.

[2]殷全玉，丁曼旎，許自成，等.淺析目前大學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題[J].決策探索（下半月），2011，（2）：59.

[3]白菁，倫艷，孫彥超.學(xué)生學(xué)習(xí)過程檢測與評價(jià)研究[J].人力資源管理，2017，（11）：284-286.

[4]牛虧環(huán).大學(xué)生學(xué)習(xí)過程評價(jià)的現(xiàn)狀、問題及對策——基于全國16所本科高校的調(diào)研[J].大學(xué)教育科學(xué)，2017，（6）：42-49+121.

[5]劉翠.國外流行的三種科學(xué)學(xué)習(xí)過程性評價(jià)及其對我國化學(xué)教學(xué)評價(jià)的啟示[J].教育測量與評價(jià)，2016，（02）：43-47.

[6]陳祥光，孫玉梅，吳磊，等.自動控制原理及應(yīng)用[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[7]陳祥光，黃聰明，何恩智.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2009.

Design of Feedback Control System for Undergraduate Learning Process

SUN Yu-mei1，HEI Zhi-rong2，SUN Qiao-yan1，WANG Mei-chun1，CHEN Xiang-guang1，2*

（1.College of Electronic Engineering，Yantai Nanshan University，Longkou，Shandong 265713，China;

2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：Learning process is a non-engineering system with multivariable，nonlinear，large hysteresis，coupling and time-varying characteristics.Based on the principle of automatic control，a feedback control system for the course learning process is designed in this paper.On the basis of this，a feedback control system for the learning process of several courses is designed.The input and output parameters and the main interference factors of the system are analyzed comprehensively.The basic framework of learning process feedback-adaptive control system is proposed.The system enables students to control their own learning and improve learning efficiency，and achieve the desired learning goals.Therefore，the feedback control system of the learning process proposed in this paper has good reference value.

Key words：learning process;college student;feedback control system;principle of automatic control