問(wèn)題探究式教學(xué)法在“自動(dòng)控制原理”中的應(yīng)用

黎 萍 潘奇明

(電子科技大學(xué) 中山學(xué)院, 中山 528402)

“自動(dòng)控制原理”課程是高校自動(dòng)化、電氣工程、測(cè)控等專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。在當(dāng)今信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代,自動(dòng)化技術(shù)的地位日益凸顯,“自動(dòng)控制原理”作為相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程,其作用之大也就不言而喻了。

“自動(dòng)控制原理”課程理論性強(qiáng),概念多而且比較抽象,內(nèi)容專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng),以“高等數(shù)學(xué)”“電路”“信號(hào)與系統(tǒng)”等為先修課程,要求學(xué)生具有扎實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)和較強(qiáng)的抽象思維能力,學(xué)習(xí)的難度較大[1-2]。如何以新工科教育的理念為指引,提高課程的教學(xué)質(zhì)量,提高課堂教學(xué)的有效性,培養(yǎng)能夠綜合運(yùn)用自動(dòng)控制理論和技術(shù)手段,分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的應(yīng)用型人才成為課堂教學(xué)改革的重點(diǎn)。

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容和授課對(duì)象的特點(diǎn),在不斷對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行探索的過(guò)程中,教學(xué)團(tuán)隊(duì)逐步總結(jié)形成了一套幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系、提高綜合能力的教學(xué)方法——問(wèn)題探究式教學(xué)法[3]。問(wèn)題探究式教學(xué)法根據(jù)教學(xué)目標(biāo),將課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成一條富有邏輯性的問(wèn)題鏈,讓學(xué)生圍繞問(wèn)題展開(kāi)探究,通過(guò)解決這一系列的問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題背后所隱藏的新知識(shí)。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生將新學(xué)習(xí)的“自動(dòng)控制原理”基本概念和基本方法與自身已有的知識(shí)聯(lián)系起來(lái),實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的意義性構(gòu)建,不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力,也可以幫助學(xué)生掌握科學(xué)探究的技能,提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

問(wèn)題探究式教學(xué)法源于美國(guó)結(jié)構(gòu)主義教育思想的代表人物布魯納所提出的發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)[4],布魯納認(rèn)為學(xué)習(xí)是通過(guò)對(duì)已有知識(shí)的重構(gòu)來(lái)獲取新知識(shí),并在不斷發(fā)現(xiàn)新知識(shí)的過(guò)程中,形成特有的學(xué)習(xí)思維能力。發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)以問(wèn)題探究為主導(dǎo),教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自己的努力對(duì)科學(xué)知識(shí)進(jìn)行再發(fā)現(xiàn),這一過(guò)程強(qiáng)調(diào)知識(shí)的整體與事物之間的普遍聯(lián)系,不局限于掌握零星的經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)的結(jié)論。

1 問(wèn)題探究式教學(xué)法的教學(xué)過(guò)程

問(wèn)題探究式教學(xué)法的具體實(shí)施過(guò)程是創(chuàng)設(shè)相互關(guān)聯(lián)、層層深入的問(wèn)題鏈為主線(xiàn),將教學(xué)內(nèi)容貫穿起來(lái),引導(dǎo)學(xué)生模仿科學(xué)家探究未知領(lǐng)域的模式,逐漸深入地探究問(wèn)題的解決方案。通過(guò)創(chuàng)設(shè)的一系列富有連續(xù)性和邏輯性的問(wèn)題,引領(lǐng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題,總結(jié)梳理并發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題(具體流程如圖1所示),前一個(gè)問(wèn)題為后一個(gè)問(wèn)題做好鋪墊,通過(guò)這樣逐漸深入的探索,新發(fā)現(xiàn)的知識(shí)和方法能有效地與已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái),達(dá)到重構(gòu)知識(shí)體系的效果。在探索過(guò)程中,所獲取的知識(shí)不再是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn),新的知識(shí)與已有知識(shí)已經(jīng)聯(lián)系起來(lái),形成學(xué)生對(duì)事物的認(rèn)知線(xiàn)、面、體,學(xué)生的知識(shí)體系在探索過(guò)程中逐漸完善、豐滿(mǎn)起來(lái)。

圖1 問(wèn)題探究式教學(xué)法教學(xué)流程

2 問(wèn)題探究式教學(xué)法實(shí)施案例

以“自動(dòng)控制原理”課程中線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析為例,對(duì)問(wèn)題探究式教學(xué)法的具體實(shí)施進(jìn)行闡述?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性分析部分的內(nèi)容邏輯性比較強(qiáng),適合采用問(wèn)題探究式教學(xué)法。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,設(shè)置一系列遞進(jìn)式的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生逐層探究,利用原有的知識(shí)發(fā)現(xiàn)新的知識(shí),充分體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的探究過(guò)程,體會(huì)以自身已有知識(shí)為基礎(chǔ),往外擴(kuò)展知識(shí)的半徑,構(gòu)建新的知識(shí)體系的方法,具體的教學(xué)過(guò)程如圖2所示。

圖2 問(wèn)題探究式教學(xué)法教學(xué)實(shí)施過(guò)程

第一階段:明確本次課的任務(wù)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。提出問(wèn)題:“穩(wěn)定的系統(tǒng)是怎樣的?”通過(guò)小球在不同表面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖3所示),說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定的現(xiàn)象。所舉例子是學(xué)生們熟悉的,但所提的問(wèn)題是學(xué)生之前并未思考過(guò)的,這就會(huì)激發(fā)學(xué)生的好奇心,引發(fā)主動(dòng)思維,讓學(xué)生們對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有直觀(guān)的感性認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)圖3中三種情況的分析,引導(dǎo)學(xué)生們對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定做出定義。

圖3 穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定

第二階段:提出疑問(wèn)“系統(tǒng)穩(wěn)定與什么因素有關(guān)?”嘗試引導(dǎo)學(xué)生討論圖3中三種情況,得出結(jié)論“穩(wěn)定性是系統(tǒng)的固有特性,跟系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān),跟輸入信號(hào)沒(méi)有關(guān)系?！?/p>

第四階段:舉例應(yīng)用閉環(huán)極點(diǎn)的分布情況判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若閉環(huán)特征方程為D(s)=(s+1)(s+2)(s+3)=0,對(duì)應(yīng)的閉環(huán)極點(diǎn)為λ1=-1,λ2=-2,λ3=-3可知系統(tǒng)的穩(wěn)定的;若閉環(huán)特征方程比較復(fù)雜,如為D(s)=s5+6s4+9s3+2s2+8s+12=0呢?要求出它的閉環(huán)極點(diǎn)并不容易,順勢(shì)提出疑問(wèn)“還有別的辦法可以判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性嗎?”接著啟發(fā)學(xué)生思考數(shù)學(xué)上學(xué)過(guò)一元二次方程的根與系數(shù)的關(guān)系,能否擴(kuò)展到一元高次方程上,從閉環(huán)特征方程的系數(shù)判定根(閉環(huán)極點(diǎn))的情況。接著告訴學(xué)生們,勞斯和赫爾維茨當(dāng)年就是這么思考的,在學(xué)生們對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)的驚奇中講解勞斯赫爾維茨判據(jù),一定能讓他們印象深刻,牢牢掌握這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

第五階段:舉例應(yīng)用勞斯判據(jù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增加特殊情況的實(shí)例,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)在特殊情況下,無(wú)法正常計(jì)算勞斯表,在學(xué)生們著急知道解決辦法的時(shí)候,再講解特殊情況的處理方式,計(jì)算完勞斯表后判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提問(wèn)“為什么出現(xiàn)這種特殊情況呢,這時(shí)的系統(tǒng)閉環(huán)特征根是怎么分布的?”這樣能讓學(xué)生保持主動(dòng)思考,學(xué)習(xí)效果更棒。

第六階段:總結(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的方法,回顧穩(wěn)定性分析的學(xué)習(xí)過(guò)程。帶領(lǐng)學(xué)生回看自己發(fā)現(xiàn)知識(shí)、將已有知識(shí)應(yīng)用于解決未知問(wèn)題,進(jìn)而拓展已知邊界的軌跡,體會(huì)像科學(xué)家那樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題,從而使學(xué)生增強(qiáng)自信,逐漸掌握發(fā)現(xiàn)知識(shí)的方法,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力和不懼困難,分解難題逐步擊破的勇氣。

以上就是問(wèn)題探究式教學(xué)法的一個(gè)完整教學(xué)案例,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置遞進(jìn)式問(wèn)題,引領(lǐng)學(xué)生們探究,逐步深入,在這個(gè)過(guò)程中利用已有知識(shí)解決未知的問(wèn)題,拓展自身的知識(shí)邊界,建立新知識(shí)與舊知識(shí)的聯(lián)系,重構(gòu)知識(shí)體系,體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。在探索問(wèn)題的解決方案的過(guò)程中學(xué)習(xí)新知識(shí)不僅可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,更能讓學(xué)生理解知識(shí)的來(lái)龍去脈,也更容易將新知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題。此外,對(duì)于許多對(duì)學(xué)習(xí)失去信心的學(xué)生而言,這樣的教學(xué)方式讓他們?cè)谡n堂學(xué)習(xí)中可以一次次地練習(xí)逐步延伸知識(shí)邊界,拔高思考能力,體驗(yàn)到努力可以讓自己進(jìn)步。這對(duì)于重塑他們的自信心,提高他們的學(xué)習(xí)能力非常重要。從學(xué)生的課堂參與程度與課后習(xí)題的完成情況看,這樣的教學(xué)方法教學(xué)效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文探討了問(wèn)題探究式教學(xué)法在“自動(dòng)控制原理“中的應(yīng)用,以電子科技大學(xué)中山學(xué)院“自動(dòng)控制原理”課程中的“線(xiàn)性系統(tǒng)穩(wěn)定性分析”為例,詳細(xì)介紹了問(wèn)題探究式教學(xué)法的具體實(shí)施過(guò)程,旨在探索一種提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力,重塑學(xué)生自信心的教學(xué)方法。由于缺乏對(duì)照班級(jí),難以對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行量化評(píng)估。為了進(jìn)行問(wèn)題探究式教學(xué)法教學(xué)效果的量化研究,往后將嘗試對(duì)難度相當(dāng)?shù)牟煌虒W(xué)內(nèi)容分別采用一般教學(xué)方法和本教學(xué)方法進(jìn)行對(duì)比,同一專(zhuān)業(yè)不同年級(jí)同一內(nèi)容采用一般教學(xué)法和本教學(xué)法進(jìn)行對(duì)比。