支架式教學(xué)方法在智能控制教學(xué)中的應(yīng)用

王永華 萬(wàn)頻 艾雄志 朱燕飛 楊健

摘 要：支架式教學(xué)是根據(jù)最鄰近發(fā)展區(qū)理論，通過(guò)對(duì)較復(fù)雜的問(wèn)題建立“支架式”的概念框架，使學(xué)生自己能沿著支架逐步攀升，從而完成對(duì)復(fù)雜概念和問(wèn)題建構(gòu)的一種教學(xué)策略，該方法能為學(xué)生提供一種對(duì)知識(shí)理解的概念框架，有助于學(xué)生對(duì)問(wèn)題的進(jìn)一步理解。文章將支架式教學(xué)方法應(yīng)用于智能控制課程的教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)以“學(xué)生為中心”的互動(dòng)式教學(xué)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生將智能控制知識(shí)融會(huì)貫通。

關(guān)鍵詞：支架式教學(xué)法；智能控制；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）01-0105-03

Abstract： Scaffolding instruction is based on the theory of the nearest development zone， through the establishment of a "scaffolding" conceptual framework for more complex problems， so that students can gradually climb along the stent， thus completing a teaching strategy for complex concepts and problem construction. This method can provide students with a conceptual framework for understanding knowledge and help students to further understand the problem. This thesis applies the scaffolding teaching method to the teaching of intelligent control courses， realizing the "student-centered" interactive teaching， enhancing the students' enthusiasm for learning， and promotes the integration of intelligent control knowledge.

Keywords： scaffolding teaching method； intelligent control； application

一、概述

在人工智能、智能制造時(shí)代的大背景下，智能控制技術(shù)所應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣泛，對(duì)人工智能方面的人才需求也急劇上升。智能控制已經(jīng)成為自動(dòng)控制、人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)的核心課程，智能控制主要包括專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制和粒子群控制等主要內(nèi)容[1]。每一部分內(nèi)容都包括具體的方法和實(shí)現(xiàn)步驟、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算、以及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該課程需要學(xué)生具有良好的編程能力、邏輯思維能力和發(fā)散思維能力。如果采用以教師講學(xué)生聽的傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行智能控制課程的教學(xué)，學(xué)生往往會(huì)覺(jué)得枯燥乏味，上課的積極性和主動(dòng)性不高，導(dǎo)致教學(xué)效果差，教學(xué)任務(wù)不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

支架式教學(xué)模式指在教學(xué)時(shí)老師依據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平提供和搭建支架，在學(xué)生的已有知識(shí)水平和課程要達(dá)到的水平之間搭一個(gè)橋梁，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和提升。支架式教學(xué)方法可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。我們嘗試將支架式教學(xué)方法應(yīng)用于智能控制的課堂教學(xué)中，以提升教學(xué)效果。

二、支架式教學(xué)法簡(jiǎn)介

支架式教學(xué)思想的理論基礎(chǔ)是最近發(fā)展區(qū)理論、建構(gòu)主義理論和認(rèn)識(shí)發(fā)生論[2-4]。支架式教學(xué)模式的中心思想就是在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)進(jìn)行教學(xué)，通過(guò)在學(xué)生的已有能力和預(yù)期知識(shí)水平之間通過(guò)搭建各種支架進(jìn)行引導(dǎo)，使得學(xué)生學(xué)會(huì)一步步分解問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的整體構(gòu)建和融會(huì)貫通，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力[5-8]。

支架式教學(xué)模式的一般由下面五個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成：進(jìn)入情境、構(gòu)建支架、獨(dú)立思考探索、協(xié)作學(xué)習(xí)和教學(xué)效果評(píng)價(jià)[4]。其基本環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在進(jìn)入情境這個(gè)環(huán)節(jié)中，教師要采用一定的方法將學(xué)生引入所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和問(wèn)題的情境，激起學(xué)生的興趣。構(gòu)建支架環(huán)節(jié)是指在學(xué)生的已有知識(shí)水平和課程要達(dá)到的水平之間搭合適的學(xué)習(xí)支架；通過(guò)搭建腳手架，合理完成學(xué)習(xí)的過(guò)渡，使其知識(shí)的銜接更加的緊湊。獨(dú)立思考探索：提供支架后，學(xué)生們先進(jìn)行獨(dú)立的思考和探索，依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和老師提供的支架進(jìn)行知識(shí)框架的構(gòu)建，探索解決問(wèn)題的辦法；其中特別強(qiáng)調(diào)發(fā)散思維，理解思維，遷移思維等應(yīng)用。協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：通過(guò)教師和學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的協(xié)作學(xué)習(xí)和交流，分享彼此的想法，查缺補(bǔ)漏，對(duì)自己的結(jié)論和理解進(jìn)行修正調(diào)整，以求全面理解所要學(xué)習(xí)的知識(shí)，達(dá)到融會(huì)貫通，所學(xué)知識(shí)前后之間的鋪墊。最后就是教學(xué)效果評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，學(xué)習(xí)能力和交流能力，這也是很重要的反饋機(jī)制，有助于下次教學(xué)的改善，其評(píng)價(jià)的合理性也至關(guān)重要，盡可能的科學(xué)評(píng)價(jià)每位學(xué)生在該教學(xué)方式下所收獲的效果。

三、支架式教學(xué)在智能控制課程中的應(yīng)用

（一）進(jìn)入情境

在進(jìn)入情境環(huán)節(jié)中，老師的任務(wù)主要是要激發(fā)學(xué)生興趣，引起學(xué)生學(xué)習(xí)智能控制的欲望。當(dāng)同學(xué)們對(duì)所要學(xué)習(xí)的知識(shí)和需要解決的問(wèn)題產(chǎn)生興趣之后，再由老師引導(dǎo)做進(jìn)一步的探索。例如在遺傳算法部分，可以先介紹生物的“物競(jìng)天擇，適者生存”這種選擇機(jī)制，然后通過(guò)引入物種進(jìn)化的講解，引入遺傳算法的概念和理論框架。

學(xué)習(xí)模糊控制這章節(jié)時(shí)，先介紹其大概的原理，這可以使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)有大概的框架，結(jié)合其原理框圖講課，結(jié)合圖形，表現(xiàn)出生動(dòng)形象的教學(xué)方式。先講解模糊控制的應(yīng)用，如模糊電視機(jī)、模糊空調(diào)器、模糊微波爐、模糊洗衣機(jī)等已經(jīng)成熟的應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)的實(shí)物圖片，學(xué)生習(xí)得這些概念之后既有抽象理解，又有具體的實(shí)物解釋，學(xué)習(xí)時(shí)其接受的容易度大大增加。

在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面知識(shí)時(shí)，可以講述其發(fā)展的相關(guān)歷史知識(shí)。1890年，W.James發(fā)表了《心理學(xué)》專著，討論了腦的結(jié)構(gòu)和功能。1943年，心理學(xué)家W.S.McCulloch和數(shù)學(xué)家W.Pitts提出描述神經(jīng)細(xì)胞動(dòng)作的數(shù)學(xué)模型。1949年，心理學(xué)家Hebb實(shí)現(xiàn)對(duì)腦細(xì)胞之間相互影響的數(shù)學(xué)描述，從心理學(xué)的角度提出對(duì)現(xiàn)今都重要影響的Hebb學(xué)習(xí)法則[1]。通過(guò)這些講述可以讓學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有大概的了解，也能夠通過(guò)其歷史發(fā)展規(guī)律思考下一步的發(fā)展。

（二）構(gòu)建支架

在智能控制相關(guān)課程中，為了更好地實(shí)施支架式教學(xué)模式，將大部分教學(xué)過(guò)程安排在實(shí)驗(yàn)室，將課程理論知識(shí)融入實(shí)驗(yàn)案例[5]。首先要求每位學(xué)生根據(jù)所學(xué)的算法進(jìn)行獨(dú)立編程，過(guò)程中肯定會(huì)遇到參數(shù)、函數(shù)不對(duì)的地方，引導(dǎo)學(xué)生自身積極發(fā)現(xiàn)程序所存在的問(wèn)題，只有通過(guò)自身實(shí)踐動(dòng)手解決，編程能力才能夠得到實(shí)際的提高。比如在《智能控制（第4版）》[1]的第三章中學(xué)習(xí)模糊控制，學(xué)生理解模糊控制的基本概念之后就可以動(dòng)手編程實(shí)現(xiàn)。模糊控制又是在模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立的一種控制方法，其中模糊量，如“高”、“中”、“低”等，控制量是由模糊推導(dǎo)出，這需要學(xué)生結(jié)合實(shí)踐，不斷調(diào)試直到得出較為合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要教師將實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)所需的輔助知識(shí)及實(shí)驗(yàn)的效果通知學(xué)生，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)明確需要掌握的知識(shí)、輔助知識(shí)能夠幫助學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)效果則可以最大限度地激發(fā)學(xué)生獨(dú)立探求答案的積極性和主動(dòng)性。在學(xué)習(xí)模糊控制時(shí)，構(gòu)造控制規(guī)則是核心任務(wù)，模糊規(guī)則是用語(yǔ)言來(lái)表示的，每位學(xué)生的思維邏輯不同，在語(yǔ)言表達(dá)上也會(huì)有所不通，這些開放性的規(guī)則制定會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

通過(guò)分組完成任務(wù)，每組建立支架結(jié)構(gòu)，從各組完成任務(wù)時(shí)間，質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，產(chǎn)生不同特征的支架結(jié)構(gòu)。教師在該過(guò)程中可以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，如果回答正確，及時(shí)給予表?yè)P(yáng)，激發(fā)學(xué)生不斷追求知識(shí)的熱情；如果回答錯(cuò)誤，幫助學(xué)生找到其錯(cuò)誤的原因，分析之后，避免學(xué)生下次再犯同樣的錯(cuò)誤。在整個(gè)支架搭建的過(guò)程中，教師需要整體把握，仔細(xì)考慮每一個(gè)支點(diǎn)的搭建過(guò)程，巧妙地鏈接各個(gè)支點(diǎn)的關(guān)系，平滑的過(guò)渡到學(xué)生所需掌握的知識(shí)點(diǎn)，前后聯(lián)系，互相關(guān)聯(lián)，激起學(xué)生對(duì)問(wèn)題系統(tǒng)性的掌握。

聯(lián)想記憶是是構(gòu)建支架的關(guān)節(jié)點(diǎn)，這些支架搭建的是否牢固，聯(lián)想記憶是必不可少的組成部分。模糊控制所用的高斯型、廣義鐘形、S形、梯形、三角形、Z形隸屬函數(shù)在《智能控制（第4版）》[1]的第七章中學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)也有所體現(xiàn)，學(xué)生學(xué)完兩者知識(shí)之后，由此聯(lián)想到所學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活函數(shù)，這種方法會(huì)使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加牢固。

構(gòu)建完支架之后，學(xué)生還需要做的是不斷的練習(xí)。避免出現(xiàn)眼高手低的現(xiàn)象，特別是基本的公式推導(dǎo)方面尤其需要注意，公式的環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生看上去一眼就會(huì)的知識(shí)最有可能是其疏忽大意的地方。這就好比搭建地基，需要十分堅(jiān)實(shí)的底層建筑才能完成今后的高樓大廈。

（三）獨(dú)立思考探索

在興趣的基礎(chǔ)上讓學(xué)生獨(dú)立探索，尋求答案。在學(xué)生被教師啟發(fā)引導(dǎo)進(jìn)入情境后，應(yīng)該留出學(xué)生獨(dú)立探索問(wèn)題答案的時(shí)間。該環(huán)節(jié)讓學(xué)生獨(dú)立探索問(wèn)題情境中所蘊(yùn)涵的意義，使學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的能力，并通過(guò)自身努力加以提高。當(dāng)學(xué)生學(xué)完該次課程之后，適當(dāng)?shù)奶釂?wèn)，比如讓學(xué)生思考通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能否聯(lián)想到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），發(fā)現(xiàn)兩者的相同之處和不同之處。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除了課本上用于控制，是否還有其他用法；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)除了用于對(duì)圖像處理是否又能用于控制中；這些問(wèn)題都可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。無(wú)論學(xué)生提出的想法看起來(lái)多么異想天開，都要鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，這也是突破固有思維的一種方法。

獨(dú)立思考的能力是至關(guān)重要的，所以在該方面教師需要花較大的盡力和時(shí)間研究如何提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力。教師教授的知識(shí)都是已經(jīng)成熟的，學(xué)生不僅要掌握知識(shí)本身的內(nèi)容，也要掌握其所用的方法，但是所學(xué)到的這些知識(shí)又不能成為學(xué)生獨(dú)立思考的羈絆。每次教師講完課之后的提問(wèn)就顯得很重要，適當(dāng)引導(dǎo)，巧妙構(gòu)思，最終的目的是學(xué)生在沒(méi)有教師引導(dǎo)的情況下能夠自主獨(dú)立的思考問(wèn)題。

獨(dú)立思考必定牽涉到思維的發(fā)散。在學(xué)習(xí)完智能控制所有課程時(shí)，批判性的提出目前是否有合理、先進(jìn)的控制方法。學(xué)生查找資料之后就會(huì)發(fā)現(xiàn)目前的強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等較為前沿的控制方式。為學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、深造打下良好的基礎(chǔ)。

（四）協(xié)作學(xué)習(xí)

在協(xié)作學(xué)習(xí)階段的過(guò)程中有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。學(xué)生共同解決一個(gè)比較困難的問(wèn)題時(shí)，首先明確自己需要完成的任務(wù)以及在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中所發(fā)揮的作用，通過(guò)不同的分工合作進(jìn)行聯(lián)系。最后每個(gè)人提出在該實(shí)驗(yàn)中所學(xué)的心得，大家互相交流，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的方式互相提問(wèn)，從不同的角度，不同的方向進(jìn)行思考問(wèn)題。學(xué)習(xí)專家控制時(shí)小組成員探索每個(gè)模塊具體的作用，學(xué)習(xí)模糊控制時(shí)每一位學(xué)生再仔細(xì)研究模糊算子、模糊規(guī)則的具體涵義，學(xué)習(xí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)嘗試發(fā)現(xiàn)其中的黑盒原理，這樣既能每位學(xué)生合理分工，深入合作，又能達(dá)到共同進(jìn)步的效果[6]。

協(xié)作學(xué)習(xí)是高效學(xué)習(xí)的一種方式。就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)說(shuō)，其控制的結(jié)構(gòu)類型可以分為：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂啤⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)評(píng)判控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合控制等七類。這些控制類型涉及到控制器、參考模型、對(duì)象三方的構(gòu)建，其不同的位置得出的控制效果不一樣。如果一個(gè)學(xué)生要認(rèn)真研究每一個(gè)模型的話，其工作量是驚人的，也不現(xiàn)實(shí)，所以分工合作，分別突破，這樣會(huì)使工作量大的問(wèn)題得到較為合理的解決。

協(xié)作學(xué)習(xí)不但可以解決工作量大的問(wèn)題，還可以達(dá)到處理復(fù)雜問(wèn)題的效果。間接自適應(yīng)模糊控制中，考慮n階非線性系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，需要選擇控制律來(lái)消除其非線性的性質(zhì)，然后再根據(jù)線性控制理論設(shè)計(jì)控制器。第一步是控制器的設(shè)計(jì)，其中所涉及建立基本模糊系統(tǒng)的表達(dá)式、自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)；第二步進(jìn)行穩(wěn)定性分析；這些工作中需要大量的非線性數(shù)學(xué)知識(shí)的理論推導(dǎo)，對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)一下難以接受，所以需要學(xué)生之間的相互討論，辨明其中的公式要點(diǎn)，得出合理的邏輯解釋。

（五）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

以上環(huán)節(jié)結(jié)束后由教師、學(xué)生及學(xué)習(xí)小組對(duì)個(gè)人的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括：自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)小組協(xié)作學(xué)習(xí)所做出的貢獻(xiàn)，是否完成智能控制框架中所有問(wèn)題的學(xué)習(xí)[2]。將這些問(wèn)題總結(jié)成一張表格，進(jìn)行評(píng)分，由分?jǐn)?shù)檢查目前所學(xué)的問(wèn)題，查漏補(bǔ)缺，認(rèn)真核實(shí)學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)掌握情況。

除上述的評(píng)價(jià)表格之外，還需要學(xué)生寫課程總結(jié)?？偨Y(jié)包括其學(xué)習(xí)的心得、學(xué)習(xí)知識(shí)歸納、學(xué)習(xí)方法簡(jiǎn)介。這為學(xué)生以后的復(fù)習(xí)提供便利條件，“溫故而知新可以為師矣”。時(shí)時(shí)回顧，常?？偨Y(jié)，良好的學(xué)習(xí)方法可以讓學(xué)生終身受益匪淺。支架式教學(xué)也需要在這些基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)方法和宗旨上建立起來(lái)，只有這樣才能保證其方法的科學(xué)性和真理性。

最終在學(xué)期快結(jié)束時(shí)，由學(xué)生提交所有的評(píng)價(jià)表格和總結(jié)書，由此可以得到學(xué)生實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)反饋，這樣好在新學(xué)期時(shí)對(duì)支架式教學(xué)方法進(jìn)行更好的改善。這樣不斷的對(duì)支架式教學(xué)方法進(jìn)行更新迭代，具體問(wèn)題具體分析，可以完成一份因地制宜的教學(xué)方案。

四、結(jié)束語(yǔ)

支架式教學(xué)模式中教學(xué)進(jìn)程不再由教師完全主導(dǎo)，學(xué)生不再完全被動(dòng)接受知識(shí)，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性得以提升。以學(xué)生目前所處的能力水平為基礎(chǔ)，通過(guò)教師的適當(dāng)引導(dǎo)，逐步搭建教學(xué)支架，最終完成智能控制課程所要求的教學(xué)任務(wù)，采用支架式教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程不僅能夠激發(fā)學(xué)生們積極思考的能力，也能提高學(xué)生之間互相合作，協(xié)同解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，最終達(dá)到學(xué)生能夠構(gòu)建完整的知識(shí)體系的目的。

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