基于構(gòu)建主義的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)改革與實踐

金東陽 武萌 唐偉

摘要 構(gòu)建主義教育理念認為，學(xué)習(xí)的過程是新知識通過實際應(yīng)用、案例或項目基于原有知識體系再次構(gòu)建的過程。計算機控制技術(shù)課程實驗學(xué)習(xí)符合構(gòu)建主義教育理念的學(xué)習(xí)過程。自動化專業(yè)計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)改革，可以不再使用原有分立的驗證性實驗，而是應(yīng)用基于教學(xué)案例和項目驅(qū)動的實驗教學(xué)方法，符合構(gòu)建主義的設(shè)計思路。實驗教學(xué)方式改革構(gòu)建了較為完整的知識結(jié)構(gòu)，加深了對知識的理解，提高了學(xué)員分析和解決問題的能力，能為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 構(gòu)建主義教育理念；自動化專業(yè)；案例式教學(xué)；項目驅(qū)動式教學(xué)

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.022

專業(yè)基礎(chǔ)課程是大學(xué)四年學(xué)習(xí)的重要組成部分，通過專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可具備現(xiàn)代科技知識，扎實基礎(chǔ)，構(gòu)建知識體系結(jié)構(gòu)，開拓思維，能夠發(fā)現(xiàn)、分析現(xiàn)實應(yīng)用問題，適應(yīng)未來發(fā)展。傳統(tǒng)的教學(xué)模式更注重理論知識的講解，教員主講，是課堂的主角，學(xué)員聽講，學(xué)習(xí)相對被動。然而，學(xué)習(xí)過程不完全是將外界的知識強化為大腦的記憶，而是原有認知與外界溝通達到重新構(gòu)建深化的過程，即構(gòu)建主義思想。計算機控制技術(shù)課程需要學(xué)習(xí)數(shù)字計算機、輔助部件即接口和專業(yè)相關(guān)元件，以及相關(guān)控制策略的計算機實現(xiàn)，具有很強的應(yīng)用性，課程不僅含有理論環(huán)節(jié)，還有對應(yīng)實驗，需要在接受抽象課程理論的同時，通過實驗聯(lián)系實際，使新的知識能夠在原有知識框架基礎(chǔ)上重新構(gòu)建深化拓展，形成新的知識結(jié)構(gòu)，符合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)思路，使知識聯(lián)系實際，形成知識體系網(wǎng)絡(luò)，強化自我學(xué)習(xí)。

為提升計算機控制技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，本文在開設(shè)原有計算機控制技術(shù)實驗的基礎(chǔ)上，基于構(gòu)建主義理念對計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)進行改革和實踐，以提升課程教學(xué)效果。

1計算機控制技術(shù)課程實驗存在的問題

多年的計算機控制技術(shù)課程實驗均基于實驗箱和實驗指導(dǎo)書展開，積累了很多經(jīng)驗，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題，實驗箱封裝得非常好，實驗項目比較固定、分立，可以完全對照理論課程內(nèi)容，但實驗的綜合性不夠強，很難激發(fā)學(xué)員再次思考完成更深層次的實驗。實驗的完成方式也通常是學(xué)員依據(jù)實驗指導(dǎo)書按步驟完成。完全參考實驗指導(dǎo)書的方式可以幫助他們快速完成課內(nèi)實驗，但也限制了他們的思路，有些學(xué)員離開指導(dǎo)書就不知道該怎樣去做，很難將知識進行綜合，實驗對理論的支撐還不夠，驗證性實驗的完成難以輔助學(xué)員形成完整的知識體系。

2構(gòu)建主義教學(xué)理念下的教學(xué)改革思路

2.1構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論

知識的學(xué)習(xí)強調(diào)理解和融會貫通，而不是簡單地灌輸知識點，構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論更多地強調(diào)了過程的學(xué)習(xí)，認為知識的學(xué)習(xí)并不是把書本上的知識和教員教授的知識簡單堆放，而是學(xué)員基于現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)，認識新的知識，慢慢搭建自己的知識結(jié)構(gòu)，進而把新知識轉(zhuǎn)化為自我認知的一部分。大量事實證明，只有把新的知識融入自己的知識體系，在實際使用時才會得心應(yīng)手，并不斷產(chǎn)生新的思路、新的理念。知識的學(xué)習(xí)過程是新的知識點結(jié)合原有知識體系重新構(gòu)建的過程，構(gòu)建的過程可以從問題出發(fā)，基于實驗、某種應(yīng)用、實際案例或者結(jié)合項目對原有知識體系再次構(gòu)建。

可以看出，計算機控制技術(shù)的學(xué)習(xí)過程符合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，可以基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論進行實驗教學(xué)設(shè)計?；跇?gòu)建主義理論的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)設(shè)計需要遵守以下原則：以問題為核心驅(qū)動實驗學(xué)習(xí)，問題可以是項目、案例；通過問題引發(fā)學(xué)員思考，帶動學(xué)員完成實驗，形成新的知識結(jié)構(gòu)，進而把知識轉(zhuǎn)化為自我認知的過程。

2.2課程改革思路

計算機控制技術(shù)課程改革是結(jié)合構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，應(yīng)用案例式和項目驅(qū)動式教學(xué)方式展開。教學(xué)平臺選擇綜合實驗平臺，不再采用傳統(tǒng)的實驗箱完成。

綜合實驗平臺基于履帶式機器人和輪式機器人作為底盤完成，相比原來實驗箱增加了各類傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，例如：紅外傳感器、溫度/光線傳感器、直流電機驅(qū)動模塊、光電編碼器等，可以實現(xiàn)紅外檢測、溫度/光線獲取、角度獲取、直流電機驅(qū)動等功能，有利于完成綜合實驗。

案例式教學(xué)方式主要完成課程基礎(chǔ)實驗，結(jié)合學(xué)員后期將開設(shè)的專業(yè)課程和后續(xù)任職常用到的計算機控制技術(shù)知識進行案例設(shè)置。案例選擇：面板控制、直流電機調(diào)速控制、模擬量獲取、總線數(shù)據(jù)獲取、光電編碼器數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字PID控制器等。通過案例實驗引發(fā)學(xué)員思考，使理論知識通過實驗變?yōu)樽晕艺J知的過程。

項目驅(qū)動式教學(xué)方式主要用于完成課程綜合實驗，綜合實驗是在完成基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，由學(xué)員自主選題進行項目綜合，通過綜合實驗平臺完成項目功能。完成過程是教員引導(dǎo)學(xué)員自主選題，自主撰寫項目設(shè)計方案，自主完成設(shè)計，教員在學(xué)員學(xué)習(xí)過程中幫助解決問題，進行項目驗收，提出新的問題引發(fā)學(xué)員思考。通過項目驅(qū)動的教學(xué)方式，學(xué)員可以使知識點相互連接，搭建相對完整的知識結(jié)構(gòu)，提高綜合分析問題和解決問題的能力。

3實驗教改實施過程

3.1案例式教學(xué)完成基礎(chǔ)實驗

案例教學(xué)課程案例如表1所示，教員先講解各個案例實現(xiàn)的功能，學(xué)員思考功能搭建方式，思考程序設(shè)計流程，完成基礎(chǔ)實驗，加深對課程理論知識的理解。

3.2項目驅(qū)動式教學(xué)完成綜合實驗

教員把基礎(chǔ)實驗的部分案例內(nèi)容綜合起來，形成實現(xiàn)一定功能的實驗綜合體，采用項目驅(qū)動的教學(xué)方式，選擇不同實驗?zāi)K自主完成綜合設(shè)計。實驗?zāi)K可實現(xiàn)功能如下表2。

項目驅(qū)動教學(xué)完成綜合實驗有以下3個步驟：

步驟1：學(xué)員自主設(shè)計項目實施方案。

基于前期學(xué)員完成的基礎(chǔ)實驗，思考基于綜合實驗平臺的各個傳感器和執(zhí)行機構(gòu)模塊可以實現(xiàn)的功能，制訂項目實施方案，在此過程中學(xué)員自主思考，教員答疑。通過2022年春季學(xué)期計算機控制技術(shù)實驗課程學(xué)習(xí)情況，在實驗改革中遇到以下問題：部分學(xué)員完成基礎(chǔ)案例實驗，綜合實驗過程中仍不能理順基于功能的程序設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)。作為教員需要結(jié)合綜合實驗平臺，進行進一步引導(dǎo)，從功能出發(fā)思考系統(tǒng)設(shè)計方法，進一步聯(lián)系課程理論內(nèi)容，確定程序設(shè)計流程。如表3為2022年計算機控制技術(shù)課程實驗學(xué)員自主設(shè)計的項目題目匯總表。

學(xué)員自主設(shè)計項目實施方案的過程也是知識點重新梳理的過程。

步驟2：教員指導(dǎo)，學(xué)員自主實踐。

教員指導(dǎo)主要采用引導(dǎo)和幫助解決問題的方式，實驗過程中學(xué)員提出的問題有很多，大致有幾類：第一類，單個器件更好發(fā)揮功能的問題，例如：怎樣提高紅外傳感器的靈敏度等。這類問題相對簡單，首先讓學(xué)員自己回顧傳感器性能和功能實現(xiàn)方法，另外再思考怎樣從編程角度更好地發(fā)揮器件的功能；第二類，程序算法實現(xiàn)問題，例如：基于數(shù)字PID的小功率直流伺服速度控制中的參數(shù)選擇？這類問題要求學(xué)員基于綜合實驗對各部分理論內(nèi)容進行綜合，確定各部分設(shè)計模型再進行綜合，并依托器件性能進行數(shù)字PID控制器設(shè)計，基于實驗現(xiàn)象進行參數(shù)整定，通過綜合設(shè)計聯(lián)系實際，形成較為完整的知識體系框架。

步驟3：學(xué)員演示項目效果，教員驗收總結(jié)，升華式講述。

此環(huán)節(jié)中，學(xué)員演示他們的學(xué)習(xí)成果，介紹他們作品的成功點，思考存在的不足和改進方法，激發(fā)學(xué)員積極探索的精神。教員也會針對項目特點提出更好的實現(xiàn)方案，以期使平臺達到更穩(wěn)定的控制效果或?qū)崿F(xiàn)更多的功能，啟發(fā)學(xué)員進一步學(xué)習(xí)，開放實驗室，供學(xué)有余力的學(xué)員進一步學(xué)習(xí)。

針對學(xué)員完成情況，教員提出了以下討論問題：怎樣使用PID控制完成平臺穩(wěn)定制動？如何通過總線方式完成多傳感器數(shù)據(jù)融合的設(shè)計方法？通過這些問題啟發(fā)學(xué)員進一步思考，提出更好的解決方案，進一步達到能力的綜合提升。

通過項目驅(qū)動的教學(xué)方式，基于綜合實驗平臺，自主設(shè)計思考完成一個完整的項目，使學(xué)員進一步梳理課程理論知識，綜合各個知識點，構(gòu)建完整的知識體系，提升系統(tǒng)思考問題的方法和主動思考問題的能力。

4總結(jié)

本次課程改革是基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理念完成計算機控制技術(shù)課程實驗的案例式教學(xué)和項目驅(qū)動式教學(xué)，相比傳統(tǒng)實驗方式，學(xué)員不再完全依據(jù)實驗指導(dǎo)書完成各個分立實驗，而是主動思考，構(gòu)建完整的知識結(jié)構(gòu)，提高了自身系統(tǒng)分析的能力和主動思考的能力，這種知識體系框架的構(gòu)建為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實的技術(shù)基礎(chǔ)。

基金項目：陸軍精品課程基金支持（2022陸軍精品課程）

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