基于構建主義的計算機控制技術實驗教學改革與實踐

金東陽 武萌 唐偉

摘要 構建主義教育理念認為，學習的過程是新知識通過實際應用、案例或項目基于原有知識體系再次構建的過程。計算機控制技術課程實驗學習符合構建主義教育理念的學習過程。自動化專業計算機控制技術實驗教學改革，可以不再使用原有分立的驗證性實驗，而是應用基于教學案例和項目驅動的實驗教學方法，符合構建主義的設計思路。實驗教學方式改革構建了較為完整的知識結構，加深了對知識的理解，提高了學員分析和解決問題的能力，能為后續專業課程學習打下扎實的基礎。

關鍵詞 構建主義教育理念；自動化專業；案例式教學；項目驅動式教學

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

專業基礎課程是大學四年學習的重要組成部分，通過專業基礎課程的學習，學生可具備現代科技知識，扎實基礎，構建知識體系結構，開拓思維，能夠發現、分析現實應用問題，適應未來發展。傳統的教學模式更注重理論知識的講解，教員主講，是課堂的主角，學員聽講，學習相對被動。然而，學習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建深化的過程，即構建主義思想。計算機控制技術課程需要學習數字計算機、輔助部件即接口和專業相關元件，以及相關控制策略的計算機實現，具有很強的應用性，課程不僅含有理論環節，還有對應實驗，需要在接受抽象課程理論的同時，通過實驗聯系實際，使新的知識能夠在原有知識框架基礎上重新構建深化拓展，形成新的知識結構，符合構建主義學習思路，使知識聯系實際，形成知識體系網絡，強化自我學習。

為提升計算機控制技術課程的教學質量，本文在開設原有計算機控制技術實驗的基礎上，基于構建主義理念對計算機控制技術實驗教學進行改革和實踐，以提升課程教學效果。

1計算機控制技術課程實驗存在的問題

多年的計算機控制技術課程實驗均基于實驗箱和實驗指導書展開，積累了很多經驗，但也發現了一些問題，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容，但實驗的綜合性不夠強，很難激發學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員依據實驗指導書按步驟完成。完全參考實驗指導書的方式可以幫助他們快速完成課內實驗，但也限制了他們的思路，有些學員離開指導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員形成完整的知識體系。

2構建主義教學理念下的教學改革思路

2.1構建主義學習理論

知識的學習強調理解和融會貫通，而不是簡單地灌輸知識點，構建主義學習理論更多地強調了過程的學習，認為知識的學習并不是把書本上的知識和教員教授的知識簡單堆放，而是學員基于現有的知識結構，認識新的知識，慢慢搭建自己的知識結構，進而把新知識轉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手，并不斷產生新的思路、新的理念。知識的學習過程是新的知識點結合原有知識體系重新構建的過程，構建的過程可以從問題出發，基于實驗、某種應用、實際案例或者結合項目對原有知識體系再次構建。

可以看出，計算機控制技術的學習過程符合構建主義學習理論，可以基于構建主義學習理論進行實驗教學設計?；跇嫿ㄖ髁x理論的計算機控制技術實驗教學設計需要遵守以下原則：以問題為核心驅動實驗學習，問題可以是項目、案例；通過問題引發學員思考，帶動學員完成實驗，形成新的知識結構，進而把知識轉化為自我認知的過程。

2.2課程改革思路

計算機控制技術課程改革是結合構建主義學習理論，應用案例式和項目驅動式教學方式展開。教學平臺選擇綜合實驗平臺，不再采用傳統的實驗箱完成。

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行機構，例如：紅外傳感器、溫度/光線傳感器、直流電機驅動模塊、光電編碼器等，可以實現紅外檢測、溫度/光線獲取、角度獲取、直流電機驅動等功能，有利于完成綜合實驗。

案例式教學方式主要完成課程基礎實驗，結合學員后期將開設的專業課程和后續任職常用到的計算機控制技術知識進行案例設置。案例選擇：面板控制、直流電機調速控制、模擬量獲取、總線數據獲取、光電編碼器數據獲取、數字PID控制器等。通過案例實驗引發學員思考，使理論知識通過實驗變為自我認知的過程。

項目驅動式教學方式主要用于完成課程綜合實驗，綜合實驗是在完成基礎實驗的基礎上，由學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學員自主選題，自主撰寫項目設計方案，自主完成設計，教員在學員學習過程中幫助解決問題，進行項目驗收，提出新的問題引發學員思考。通過項目驅動的教學方式，學員可以使知識點相互連接，搭建相對完整的知識結構，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案例式教學完成基礎實驗

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

3.2項目驅動式教學完成綜合實驗

教員把基礎實驗的部分案例內容綜合起來，形成實現一定功能的實驗綜合體，采用項目驅動的教學方式，選擇不同實驗模塊自主完成綜合設計。實驗模塊可實現功能如下表2。

項目驅動教學完成綜合實驗有以下3個步驟：

步驟1：學員自主設計項目實施方案。

基于前期學員完成的基礎實驗，思考基于綜合實驗平臺的各個傳感器和執行機構模塊可以實現的功能，制訂項目實施方案，在此過程中學員自主思考，教員答疑。通過2022年春季學期計算機控制技術實驗課程學習情況，在實驗改革中遇到以下問題：部分學員完成基礎案例實驗，綜合實驗過程中仍不能理順基于功能的程序設計邏輯結構。作為教員需要結合綜合實驗平臺，進行進一步引導，從功能出發思考系統設計方法，進一步聯系課程理論內容，確定程序設計流程。如表3為2022年計算機控制技術課程實驗學員自主設計的項目題目匯總表。

學員自主設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，學員自主實踐。

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

步驟3：學員演示項目效果，教員驗收總結，升華式講述。

此環節中，學員演示他們的學習成果，介紹他們作品的成功點，思考存在的不足和改進方法，激發學員積極探索的精神。教員也會針對項目特點提出更好的實現方案，以期使平臺達到更穩定的控制效果或實現更多的功能，啟發學員進一步學習，開放實驗室，供學有余力的學員進一步學習。

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

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

4總結

本次課程改革是基于構建主義學習理念完成計算機控制技術課程實驗的案例式教學和項目驅動式教學，相比傳統實驗方式，學員不再完全依據實驗指導書完成各個分立實驗，而是主動思考，構建完整的知識結構，提高了自身系統分析的能力和主動思考的能力，這種知識體系框架的構建為后續專業課程的學習奠定了扎實的技術基礎。

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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