復合式考核反饋控制教學的思路及實踐

[摘 要] 控制理論思想可以推廣應用于教學領域，但是反饋控制在實踐教學中應用時往往教學效果難以達到預期。通過復合式考核反饋控制教學模式，可以在檢驗學員學習效果及教員教學效果的同時，及時獲取足夠多和足夠準確的反饋信息，從而提高反饋控制教學的教學質量，達到教學相長的目的。

[關鍵詞] 復合式考核；反饋控制；教學；實踐

[中圖分類號] G642.474 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）01-0089-03

0 引言

控制理論認為，任何系統、過程與運動都可以被看作復雜的控制系統，控制理論思想的應用并不僅局限于工業生產或軍事設備控制方面，而是可以擴展到任意領域[1]。教學是一種有計劃、有目的的活動，因此，控制理論在原則上也是適用于教學過程的。將控制理論的基本原理和方法推廣至教學領域，可以更好地控制教學質量，提升教學效果，提高教員的教學水平，達到教學相長的目的。

控制理論的核心思想是反饋控制。所謂反饋控制，是指把來自于被控制對象的有效信息返回給控制器，由控制器根據反饋信息與期望目標的偏差產生相應的控制作用，從而控制被控對象按照預定規律運行。因此，反饋信息的準確與否很大程度上決定了控制效果的好壞。如果無法獲取足夠的反饋信息，或者反饋信息的準確度不高，就無法實現有效的控制，難以達到預定的控制目標，反映到教學中來，即無法達到預定的教學目標。

由此可見，在反饋控制教學的實踐過程中，人們需要關注的一個重要問題就是如何獲取足夠多和足夠準確的反饋信息。而在教學過程中，課程考核是檢驗學員學習效果和教員教學效果的重要途徑，同時也是獲取反饋信息的有效途徑[2]。但是傳統的考核方式比如閉卷考試、撰寫小論文等對學員學習效果的考核均過于片面、單薄，無法及時提供足夠且有效的反饋信息[3]。因此，有必要改革傳統的考核模式，以提高反饋控制教學在實踐中的效果。

1 反饋控制教學的基本原理

以學員作為控制對象，以人才培養目標為期望值，以教學效果為控制量，可以得到傳統的知識注入型教學開環控制系統如圖1所示。

在圖1所示的系統中，教員在課堂授課中往往采取填鴨式教學，學員則扮演被動接收知識的角色。從控制理論觀點來看，傳統的知識注入型教學缺少有效且連續的反饋信息，教員無法及時了解教學效果，其結果往往是教學效果較差，外界干擾容易對學員的學習產生很大的影響。

若在系統中增加前饋和反饋通道，則可建立反饋教學控制系統，其原理如圖2所示。

由圖2可知，從控制理論角度而言，由于引入局部反饋和全局反饋等環節，建立了良好的反饋聯系，教員在教學過程中能夠及時了解學員的學習情況，發現實際教學效果與教學目標的偏差，從而適時改變控制方式（包括調節教學內容、教學進度、教學方法和教學手段等），使得教學過程始終沿著教學目標的固有軌道前進，且教學內容、方法和手段適合教學對象，并不斷趨于完美，同時教學研究與教學本身也能得以同步發展。如果學員在學習過程中受到某些不確定性干擾因素的影響，反饋環節能夠及時將這些信息反饋給教員。教員獲取反饋信息之后，便可以采取適當措施，消除擾動帶來的影響，從而保證教學效果。

最終教學效果的好壞將通過綜合評定進行考核。綜合評估采取的傳統考核方式有閉卷考試、撰寫小論文等，這些考核方式由于存在考核的知識面狹窄、學員為應付考試臨時抱佛腳甚至抄襲他人論文等多種問題，難以真實反映學員的學習效果。而且考核均在教學過程后期進行，即便考核反映了學員的一些真實學習情況，也無法為反饋控制教學提供有效的幫助。因此，應該將綜合評定環節與課程教學過程緊密關聯、并行開展，采取復合式考核模式，及時有效地獲取反饋信息，以提高反饋控制教學系統的控制能力，從而進一步提高教學效果。

2 復合式考核反饋的思路

復合式考核模式適用于理論體系較為龐雜、工程背景較為復雜的研究生課程，旨在通過多種能力的訓練、鍛煉與考核，促進研究生學員理論課程的學習、掌握與深化，更重要的是檢驗學員的學習效果和教員的教學效果，為反饋控制教學系統提供足夠多和足夠準確的反饋信息。

復合式考核模式以下列三種形式對學員提出課程學習與考核要求。

1）課程內容掌握深入程度考核。學員以自身課題研究內容為背景，將所學習的理論方法與其相對熟悉的工程背景有機結合，完成工程實踐，考核學員對課程理論體系理解與掌握的深入程度。

2）課程內容掌握全面程度考核。學員以理論課程的學習內容為指導，對典型工程案例開展主題研究，考核學員對理論體系的全面把握與掌控能力。

3）專業英語閱讀與論文撰寫能力考核。學員對所學理論體系的經典文獻和最新文獻進行精讀，分析其提出問題、解決問題、描述問題的思路，或撰寫相應的論文。考核學員對本課程中相關的創新思維與創新能力的鍛煉程度。

采用復合式考核模式的反饋教學控制系統結構如圖3所示。

由圖3可知，在采用復合式考核模式的反饋教學控制系統中，以自主預習的前饋補償方式以及自主復習的局部反饋方式促使學員初步了解和吸收教員在理論授課過程中介紹的理論知識；教員在課堂理論授課過程中，通過課堂反饋，及時掌握學員學習動態，實時調整教學過程；課后，通過作業、實驗、實踐活動得到一定的反饋信息；同時，在授課過程中采用復合式考核模式，通過理論掌握深入程度考核、理論掌握全面程度考核和專業英語閱讀與論文撰寫能力考核等多種反饋方式，獲取學員對于課程理論知識的掌握、應用情況，并根據反饋信息適時調整教學過程，采取有針對性的個性化教學方案，以縮小教學效果與教學目標之間的偏差。另外，在傳授知識和能力的同時，教員的授課能力也可通過教學經驗的總結交流和教學督導組的評價等渠道得到及時反饋，以促進教學水平的提高。

3 復合式考核反饋控制教學的探索與實踐

課程教學組以控制學科碩士研究生的兩門理論課程《最優估計與系統辨識》和《最優控制理論》為實踐對象，從以下三個方面探索并實踐了復合式考核反饋控制教學方法。

1）課程內容掌握深入程度考核。將課程中涉及到的一些常用計算方法和濾波算法如卡爾曼濾波器等的程序編寫做為考核內容。在《最優估計與系統辨識》課程教學過程中，要求學員結合自己研究的課題或方向，運用指定的幾種編程環境，如MATLAB、Visual C ++等，獨立編寫卡爾曼濾波程序，并在課堂進行公開交流。在此過程中，學員只有對課程內容有較為深入的理解之后，才能具備一定的將理論知識與工程實踐相結合的能力。通過此項考核，能夠了解學員對具體算法掌握的深入程度，便于進一步因材施教，提供有針對性的指導意見，促進學員完全掌握相關知識。

2）課程內容掌握全面程度考核。以典型工程案例主題研究為考核要求。在課程教學過程中，要求1～3名學員組成研究小組，從“系統辨識”或“最優控制”典型工程案例庫中任選一個項目，完成從系統建模、參數估計、簡化模型、最優控制方案實現等控制問題全過程的求解與實現，對其中濾波算法與最優值搜索策略進行修改?？己酥校髮W員描述所完成工程的思路、方法、過程與結果，并進行必要的演示[4]。在此過程中，學員只有對課程內容有較為全面的理解之后，才能具備一定的典型工程案例分析和綜合能力。通過此項考核，能夠了解學員對課程理論知識和應用方法掌握的全面程度，便于進一步采取有效措施，促使學員補充和完善知識面。

3）專業英語閱讀及論文撰寫能力考核。以經典論文重構或論文撰寫為考核要求。在課程教學過程中，要求學員對所學理論體系的經典文獻和最新文獻進行精讀，并從“最優估計”、“系統辨識”或“最優控制”經典文獻庫任選兩篇完成翻譯或完成一篇學術論文撰寫?？己酥?，要求學員對科學問題的創新性與突破性思路進行重構性描述。在此過程中，學員在閱讀經典文獻和最新進展文獻后，對相關領域的研究歷史、發展現狀都能有所了解，為開展課題研究奠定良好的基礎。通過此項考核，能夠了解學員對“最優估計”、“系統辨識”或“最優控制”等研究領域的熟悉情況，能夠了解學員的創新能力水平和思維突破能力水平，便于進一步教育和引導，促使學員在相關方面有所提升。

4 結束語

采用復合式考核以及其它信息反饋方式，教員能夠及時把握學員對理論知識掌握的深入和全面程度，了解學員對相關領域的熟悉情況以及他們的創新思維能力水平，從而依據反饋控制原理調節教學內容、教學進度、教學方法和教學手段，因材施教，以保證教學效果。

近幾年來，課程教學組在《最優估計與系統辨識》和《最優控制理論》課程教學中，采用復合式考核反饋教學方法，受到碩士研究生學員的普遍歡迎。大部分學員在學習理論知識的過程中，發表了高質量的科研學術論文，積極參加國際和國內學術會議，參與全國機器人大賽和電子設計競賽并獲得多項冠軍，多方面的能力都得到了鍛煉和提高。

由于采用復合式考核能夠獲取足夠多和足夠準確的反饋信息，為反饋教學控制系統的有效控制提供了可靠保證，而反饋系統又能夠不斷減小期望值與實際值偏差，使得教學效果能夠符合培養目標的要求，因此采用復合式考核的反饋控制教學方法對于不同的教學對象、不同的教學內容、不同的任課教員具有較好的普適性，其在《最優估計與系統辨識》和《最優控制理論》課程教學過程中的應用具有良好的示范意義，完全可以推廣到其他工科理論課程的教學中去。

參考文獻

[1]金觀濤，華國凡.控制論和科學方法論[M].北京：新星出版社，2005：4.

[2]錢存陽.對改進高校課堂教學質量評價的幾點思考[J].高等理科教育，2006，（2）：25-27.

[3]熊玲，扶熊，李忠.全日制碩士研究生教學質量保障體系探析[J].高等教育教學學報，2010，33（1）：51-54.

[4]吳受章.最優控制理論與應用[M].北京：機械工業出版社，2008：3.