問題驅(qū)動的教學方法研究與實現(xiàn)

[摘 要]培養(yǎng)創(chuàng)新精神、鼓勵和倡導創(chuàng)新型教育模式是當前我國教育體系和方法研究中的重大課題。問題驅(qū)動是科學研究的原動力和推動力，基于問題驅(qū)動研究態(tài)度和研究能力是可以逐步培養(yǎng)的。本文以自動控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡課程為例，研究將問題驅(qū)動的研究應用型教學模式應用于其中的具體方法，分別給出了以自動控制理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡課為示例的“問題引導”和“問題驅(qū)動”的設計，總結(jié)了信息與控制類課程中，設計適合課堂教學的“問題引導”和“問題驅(qū)動”題目的一般方法。

[關(guān)鍵詞]問題驅(qū)動 研究型教學 PBL 構(gòu)建主義

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）04-0001-03

一、引言

盡管教育部及廣大有識之士大力呼吁并積極倡導應用性、研究性教學與學習模式，但是以往的中國高等教育，實質(zhì)上也是以“滿堂灌”的教學模式為主，其主要原因在于，不論是教師還是學生，人們習慣于“滿堂灌”，認為研究型或者是應用性教學模式必定會加重老師和學生的負擔。到目前為止，人們還不清楚怎樣的教學和學習形式屬于研究應用型教學，怎樣操作才會在不加重學生學習負擔的條件下，達到好的研究應用型教學模式。因此，研究應用型教學模式是當今教學改革中的一個熱點研究問題，其核心問題是如何引導和激發(fā)出學生的學習和探索熱情。研究應用型教學模式的中心問題是采用什么方式和方法來激發(fā)學生學習和探索的欲望和熱情，使學生能創(chuàng)造性地運用所學過的知識，研究應用型教學模式是始于問題、基于發(fā)現(xiàn)、凸顯創(chuàng)造性特色的一種教學模式。張奠宙教授和張蔭南教授于2004年提出了新概念教學的理念，并以數(shù)學教學為例，深入淺出地介紹了這種教育和具體的教學方式，提出了“問題驅(qū)動”式教學方法。

自動控制原理是自動化相關(guān)專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)基礎課，其特點是理論性強、數(shù)學要求高、工程背景強，直接關(guān)系到自動化相關(guān)專業(yè)學生能否順利并高效學習其他專業(yè)課。采用問題驅(qū)動式的研究應用型教學方法，培養(yǎng)學生良好的學習習慣，傳授如何對研究對象和目標進行縝密嚴謹?shù)乃伎?，如何提出具有實際意義或理論研究意義的課題（或問題），分析和解決之，采用問題驅(qū)動式的研究應用型教學方法，將對深入學習其它后續(xù)課程大有裨益。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡課程具有理論性和工程應用背景強的特點，這門課程所講授的內(nèi)容仍在不斷更新和發(fā)展，因此本課程內(nèi)容繁多，總體上來說系統(tǒng)性差，關(guān)鍵的是其課時往往十分有限。為了達到以點帶面的、示范引導的作用，我們采用了問題驅(qū)動式的應用研究型教學方法，較好地將該門課程的體系框架和基本內(nèi)容介紹給了學生。

二、問題驅(qū)動和研究應用教學模式的理論基礎

問題驅(qū)動式教學模式強調(diào)以問題解決為主線，以學生為中心，以問題為驅(qū)動力，將培養(yǎng)學習者問題意識、批判性的思維技巧，以及解決問題的實踐能力設定為主要目標的教育教學方法。需要說明的是，問題驅(qū)動中的問題并非就是普通的習題，而是那些能夠改變學生思維模式，幫助學生重建知識結(jié)構(gòu)，并愿意對問題進行深入思考的具有啟發(fā)性、引導性和探究性的問題。

皮亞杰的建構(gòu)主義為研究型教學模式提供了理論支持，他認為“兒童對新知識的理解和接受，及其智力的發(fā)展，最終都要依賴于兒童這個主體與知識載體環(huán)境的互動中。建構(gòu)主義強調(diào)教師在教學中應該主要起到指引促進作用，教學過程的主體是學生自己，學生借助學習資料（自找或老師確定），在老師指導和幫助下，通過建構(gòu)主義的方式，即 “已知—未知—新的已知”的循環(huán)漸進的模式來學習新內(nèi)容、獲取新知識。研究型教學就是在教學過程中體現(xiàn)研究的本質(zhì)特點，以“已知—未知—新的已知”循環(huán)漸進的方式去發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、研究問題和解決問題。

三、研究問題的設計

科學研究的第一步，也是最關(guān)鍵的一步是提出恰當而準確的科學問題，這通常是學生們感到無從下手、十分困難的事情。一般來說，提出科學問題有兩種常用方法：首先，經(jīng)過縝密觀察與研究，識別出已有理論或技術(shù)的局限性，并據(jù)此提出新的研究問題和研究目標；其次，經(jīng)過考察鉆研新的研究對象的特點提出新問題。

那么怎樣設計出操作性強、便于課堂教學的研究與應用性問題？這是應用研究型教學模式中的關(guān)鍵所在。這類問題主要包含兩大特點：首先，所設計出的問題能夠自然引導課堂教學內(nèi)容的深入推進。具有這一特點的問題可能具有一定的研究深度和廣度，也可能研究內(nèi)容和深度是循序漸進的、邏輯性強的，而非跳躍性的。其二，所設計的“驅(qū)動問題”應盡可能具有研究引導作用，即能夠引導學習者通過多角度思考或?qū)嶒烌炞C、理論推導，就能夠更全面深入地認識所研究的事物的本質(zhì)。這類問題通常具有跳躍和挑戰(zhàn)性，需要采用演算、論證、分析和實驗等多種手段，有時甚至需要通過多門課程的學習和把握才能夠得到有效解決。一般將具有第一個特點的問題稱為“問題引導”的問題，將符合第二個特征的問題稱為“問題驅(qū)動研究”的問題。顯然嚴格區(qū)分“問題引導”的問題和“問題驅(qū)動”的問題是比較困難的，因為兩者之間并無明顯界限。

我們在實際操作中通常將那些從學習者了解的知識出發(fā)，在某個教學段落，或者某個作業(yè)、實驗中可以得到解決的，歸結(jié)到“問題引導”類中。這類問題往往有如下某個或幾個特征：

1.學習者已經(jīng)掌握的某個知識點的反問題；

2.學習者已經(jīng)掌握的某個知識點簡單的擴展問題；

3.有理想工程背景和簡單數(shù)學模型應用性問題；

4.學習者已經(jīng)掌握的某項知識在另一種不同情況或者背景下具體應用；

5.通常是為單目標和單參數(shù)研究設計的一個或一系列問題等。

設計驅(qū)動型研究題目是一個更復雜的過程，這是由于如果問題設計的太深太難，學生難于在短時間內(nèi)自我解答或得到解答，有可能導致學生失去學習興趣和信心的不良后果。但是，問題設計得太簡單則會失去驅(qū)動作用。在設計“問題驅(qū)動”的問題時，我們主要注意了以下幾點：endprint

1.設計成綜合系列問題，該綜合系列問題包含了一系列的簡單問題；

2.設計成綜合研究問題，該綜合研究問題需要學生通過作業(yè)、實驗、理論推導和計算比較獲得結(jié)果；

3.針對某個實際工程背景，經(jīng)過必要的簡化和抽象，設計成具有明確的工程實際應用背景的研究型問題。

四、設計示例

（一） 自動控制理論課程的問題設計

自動控制原理是自動化相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎課，這門課程中引入問題驅(qū)動的教學方法目的在于：在大學生們正式接觸各類專業(yè)課之前，從專業(yè)基礎的角度培養(yǎng)和發(fā)掘?qū)W生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力。但是應該注意到的是，在這個階段學生的知識面，特別是專業(yè)知識面還相當空缺，因此，在課程初期和中期以“問題引導”為主，在課程后期逐步過渡到“問題驅(qū)動”。

例如在學生掌握了一般情況下的勞斯判據(jù)以后，針對勞斯表計算過程中需要將上一行第一個元素作為分母的情況，首先提出：“如果這個元素為零怎么辦？”進一步提出：“如果某一行元素全為零又怎么辦？”這兩個問題是比較容易解決并容易理解，能夠促使學生們積極思考，加強對勞斯判據(jù)的全面把握。又如，在清楚交代幅值條件、相角條件以及180°根軌跡繪制規(guī)則的基礎上，先提出一個簡單的擴展性問題——有沒有其他角度條件的根軌跡繪制規(guī)則？然后再給出一系列帶有啟發(fā)性和引導性的詢問：“是什么角度？這個角度代表了什么含義？這個角度代表的含義與180°根軌跡代表的含義有什么不同？這種含義的不同在數(shù)學上的表現(xiàn)是怎樣的？從這些不同以及180°根軌跡繪制規(guī)則中可以總結(jié)出這種根軌跡的繪制規(guī)則嗎？”以這樣的方式講授0°軌跡的繪制規(guī)則只需要半節(jié)課，而且學生們接受起來很快，還能夠加深對根軌跡幅值條件和相角條件概念的理解。

在學習后期，我們會提出諸如“研究并總結(jié)出PID參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)特性的影響”，“如何利用Bode圖對控制系統(tǒng)性能進行分析與設計？”等這樣具有一定研究空間的問題。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡課程的問題設計

人工神經(jīng)網(wǎng)絡課是面向本科高年級或研究生的課程。問題的設計目的不但要推進課程的講解和學習，更重要的是培養(yǎng)和推動學生的研究能力和熱情。

在課堂上講述了了生物神經(jīng)元的基本構(gòu)造和功能，重點討論了著名的閾值加權(quán)M_P模型，詳細介紹了單層離散感知器人工神經(jīng)網(wǎng)絡的模型結(jié)構(gòu)、計算、學習算法、表達能力、實際應用等內(nèi)容。由于單層離散感知器人工神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和算法都比較易于理解，而它所具有的功能實際意義和十分明確，因此容易使學生產(chǎn)生學習興趣。在這樣的條件下，我們采用不斷加深所需要解決問題難度的方法，循序漸進地提出了一些能夠推動學生深入思考，并且理論聯(lián)系實際的問題。

例如，在網(wǎng)絡模型方面，針對“單層離散感知器網(wǎng)絡只能解決線性可分問題”這樣一個局限性，我們自然給出“應該怎么做才能夠?qū)崿F(xiàn)非線性分類？”這樣到目前為止仍需要不斷深入研究和解答的研究問題。對于這個問題，首先啟發(fā)學生觀察和思考多層離散感知器神經(jīng)網(wǎng)絡具有的結(jié)構(gòu)和模型特點，然后考慮改變感知器模型形式來實現(xiàn)之。由這個問題出發(fā)，可以很自然地引出BP網(wǎng)絡和RBF網(wǎng)絡等許多常見人工神經(jīng)網(wǎng)絡。進一步BP或RBF網(wǎng)絡可以自然解決這個為題，我們又接著提出：“為什么這個網(wǎng)絡可以解決？可否試圖用數(shù)學方法來解答？”這樣的理論性研究問題。

在研究生學習階段，為達到事半功倍的教學效果，教學中可以注意三個方面：首先，通過設計“問題引導”問題來講解人工神經(jīng)網(wǎng)絡課程當中的基本概念和基本方法；其次，針對人工神經(jīng)網(wǎng)絡課程當中的理論和算法方面的學習，可以分別設計出“問題引導”和“問題驅(qū)動”兩類問題；最后，為較快地將學生引入實際應用，可以設計一些具有“問題驅(qū)動”特點的實際課題供學生研究，可能的話，還可以提供研究范例。如果是本科生課程，筆者認為應側(cè)重于第一和第三個方面。

例如，人工網(wǎng)絡算法方面，在單層離散感知器學習算法基礎上，提出研究題目“線性自適應人工神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法的研究和開發(fā)”。在應用研究方面，目前適合教學的可借鑒的資料比較多，例如，“基于BP網(wǎng)絡算法的多層前饋網(wǎng)絡在大氣環(huán)境質(zhì)量評價中的應用”，可以提出下面的問題：“這個研究問題屬于分類還是屬于擬合，怎樣具體實現(xiàn)？還可以采用什么神經(jīng)網(wǎng)絡解決此問題？如何實現(xiàn)？請說明不同的人工神經(jīng)網(wǎng)絡在解決分類問題時的不同特點。”原有的資料上提供的不過是一個例子，通過研究問題的引導和推動，可以使學生通過一個簡單的例子，更全面地理解人工神經(jīng)網(wǎng)絡的特點和功能，并大大加強學生的仿真和對比研究能力。

需要說明的是，為實現(xiàn)因材施教的教學理念，這類“問題驅(qū)動研究”的問題設計是可以超越教學大綱的，也可以是有針對性地專為少部分特別有能力的同學設計的。

五、結(jié)束語

我國目前的教育方式仍存在著較嚴重的“滿堂灌”的現(xiàn)象，限制了學生們的想象力和創(chuàng)造性， “標準化”考試更加劇了這一弊端。學生們不愿提問題、提不出問題，能夠提問題的學生越來越少，提出好問題的學生更是鳳毛麟角，學生們大多習慣于索要 “標準答案”。 問題驅(qū)動的研究應用型教學方法能夠有效地活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生質(zhì)疑、提問和自我研究的良好習慣。

需要補充的一點是，只有通過全方位教學環(huán)節(jié)的相互配合，問題驅(qū)動的研究應用型教學才能夠有效實行，這其中包括有針對性地設計引導問題和驅(qū)動問題、科學地設計課后練習與實驗、巧妙地設計和安排課程講解順序與進度、有時間和質(zhì)量保證的質(zhì)疑與答疑等許多教學環(huán)節(jié)必須充分配合。也需要相關(guān)課程的大力協(xié)助和配合?？傊瑔栴}驅(qū)動的研究應用型教學方式，對任課教師、實驗室老師和學生本人都提出了非常高的要求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張奠宙，張蔭南.新概念：用問題驅(qū)動的數(shù)學教學[J].高等數(shù)學研究，2004，5（7）.

[2] 張建偉.基于問題解決的知識建構(gòu)[J].教育研究，2000，（10）.

[3] 籍建東.研究型教學模式與傳統(tǒng)教學模式的比較[J].職教論壇，2011，5（18）.

[4] 付冬梅，董潔，李擎.問題驅(qū)動的應用研究型人工神經(jīng)網(wǎng)絡教學模式探索[C].第5屆教育教學改革與管理工程學術(shù)年會論文集，2012.

[5] 鄧彬等.工科博士生科研創(chuàng)新的技巧與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].高等教育研究學報，2011，1（34）.

[責任編輯：雷 艷]endprint