Study on teaching tactics of initiative learning about the basis of mechanism control engineering
Ruan Zhongyan， Fan Jinwei， Liu Hui
Beijing University of Technology， Beijing， 100124， China
Abstract： Aimed at basis of mechanism control engineering characteristics and focus on unity of the knowing and doing. Based on the theory of constructivism， we consider that building initiative learning system of problem-oriented is conductive to realizing the unity of knowing and doing and achieve the goal of education. We have expounded the key factor of initiative learning and promote the teaching tactic of the course.
Key words： problem-oriented； initiative learning； teaching tactics
高等教育在社会经济发展和国家建设中承担着培养素质高、能力强、基础知识扎实和创新能力、适应能力、开拓精神强的专业人才的任务。课程教学是集理论与实践教学为一体的教学过程，在课程教学过程中能否有效实现“学而时习之”，能否达到“传道、授业、解惑”的要求，能否构建有利于学生主动学习、激发学生兴趣的教学模式，是能否将课程教学做好的关键，也是能否让学生通过“学习、体验、感悟”，最终理解专业，形成自身知识体系并成为合格的专业人才的重要因素。
1 课程性质与教学现状
机械控制工程基础是机械类专业最重要的专业基础课和必修课之一，课程以控制论为基础理论，研究机械工程中广义系统动力学问题，通过运用控制论的基本原理及基本思想方法，分析研究机械工程中有关信息的传递、反馈及控制，研究机械系统的动态特性[1]，解决系统分析和系统设计两类问题。该课程把数理基础与专业课程紧密结合，同时具有很强的工程实践性，内容难、知识点多而学时少的矛盾一直比较突出[2]。
长期以来，我校该课程采用课堂讲授的教学方式。教师按照自己对课程知识的理解，注重知识的传授，学生则在“过关”的压力下被动地学习，其行为表现为机械记忆。教师的讲授过程抽象，不具有问题导向性，传递的信息很难引起学生的学习兴趣和主动性。为了考试过关，学生把信息作为一种事实去背诵，而不是将信息作为对相关问题解决的一种工具来掌握。在这种非问题导向的教学环境下，形成了较为普遍的应付考试突击记忆的现象，学生对知识的学习在经过短期记忆后即遗忘，更谈不上将其运用于解决问题的实践中。这种教学模式以“教”为核心，学生为了达到考核要求，往往会放弃“体验、思辨、感悟”等有助于形成解决问题能力的必要过程，而是集中于对事实性知识的记忆，教师无法引导学生建立基于兴趣和解决问题的主动学习方式，也很难培养学生灵活运用知识、举一反三、形成创新能力的基本素质。
2 以学生为中心，构建主动学习教学体系
学生是学校教育的主体，如何让学生通过教学过程获得知识，并能够灵活运用，是教师的任务和使命。大量的教育心理学家认为：“知识的获得，是在一定的情境下，学习者借助他人（教师和学习伙伴）的力量，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，而不是通过教师传授得到。”[3]建构主义理论，得到了广大教育研究者和教育工作者的关注。建构主义理论有丰富的内涵和深刻的哲学基础，其根本内容可以概括为“以学习者为中心，强调学习者主动探索、主动发现知识，强调对所学知识意义的主动建构”。由此可见，建立问题导向，有助于形成学生主动学习且有利于实现知行结合，达到教育的目的。
2.1 问题导向主动学习的关键构成
基于问题的学习方法（Problem-based Learning，PBL）由美国神经病学教授Borrows于1969年在加拿大McMaster大学医学院根据建构主义理论创立。PBL强调以学生的主动学习为主，因而能更好地培养学生创造性思维和解决问题的能力[4]。
教育学认为，主动学习的特征为，在教育者的引导和启发下，受教育者能够清晰理解知识的本质作用，学习者主观能动性得到更大的发挥，逐渐脱离教育者的指导和影响，形成独立的自我学习、自我认识、自我修养和自我发展[5]。在这一过程中，强调通过教育者的引导，学习者理解知识本质并主动学习。
心理学研究认为，主动学习的主体是学习者本人。从心理激励和行为动机的角度分析，学习行为是心理选择的外在表现，对学习者而言，学习成就是学习的主要动机，实现以解决问题为主的心理激励是实现主动学习的关键。
主动学习积极性的产生，来自学习结果促成的“学习需要”。但是对成就动机而言，教育者能清晰明了地将与成就关联的知识构成、知识体系以及知识本质对被教育者以循循善诱的方式启发和引导，并使被教育者建立起完整的自我认知，这是实现主动学习的心理激励和关键构成。 综上所述，我们不难归纳出主动学习实现的关键构成：问题意识与学习兴趣；问题导向的教学情景；与问题关联的知识结构；开放合作的探索环境；建立成就动机激励体系。
2.2 控制工程基础课程主动学习教学策略设计
在教学模式设计中突出以学习者为中心，激发学生学习兴趣和成就动机，是教学模式设计的核心所在，同时给定和设计好贯穿机械控制工程基础课程逻辑的系列问题，是实现问题导向主动学习的必要条件。根据前面对问题导向主动学习的关键构成的讨论，我们设计了机械控制工程基础课程主动学习教学策略。
2.2.1 培养学生问题意识，激发学生学习兴趣
兴趣是最好的老师。为了让学生建立对机械控制工程基础课程的学习兴趣，教师要在课程初始介绍这一环节，让学生感知控制在机械中的价值和功能，做到这一点，除了需要教师在绪论讲授过程中辅以大量的国内外图片和事例以及在机械控制中存在的各类问题外，最有效的办法是设计与课程相辅相成的实践观摩和实验演示，这有助于学生了解课程的整体性和价值所在，激发他们的学习兴趣，并培养他们的问题意识。
2.2.2 构造问题导向的教学情境
按照建构主义理论，构建与问题导向的情境，明确问题以及解决问题的价值，使学生能够对问题形成客观独立的认知，这是学生主动学习、积极探索的关键。在这一环节中，教师是设计者，围绕整个课程要求和专业素养的要求设计教学情境。问题情境应在课程开始就明确告知学生，使他们在课程学习中能够沿着知识逻辑顺序解决这些问题，并逐渐构建自身的知识体系。问题的设计既要明确，又要涵盖知识要点。根据教学组多年的教学体验，我们设计了以下问题：（1）系统确定条件下的输入输出关系确定问题（系统分析问题）；（2）系统确定、输入确定，如何满足输出要求的问题（系统优化与设计问题）；（3）输入输出确定，何种系统结构适合的问题（系统辨识与预测问题）。尽管这些问题在传统的教学过程中也被归纳为“系统分析、系统优化、系统设计、滤波与预测、系统辨识”五类问题，但因为主要是基于知识传递而形成的知识抽象，而非与问题关联，对于初学者而言过于抽象而不够形象，我们归纳成以上三类问题，并结合实际例子，帮助学生建立起问题导向的知识构建体系。
2.2.3 提示并引导学生围绕问题构建知识体系
机械控制工程基础课程涉及控制理论、数学基础、机械运动、力学基础等多门基础课程，为了让学生明晰问题与解决路径之间的知识关联，教师需要对该课程解决实际问题过程中所需构造的知识体系进行关键知识点的讲解、串通知识，关键是帮助和引导学生建立解决问题为主要导向的知识构成。如课程的性质，首先让学生明白，该课程的核心要素是“输入、系统、输出”，希望实现系统稳定和优化。在引导学生构建问题导向的知识体系中，要紧紧围绕三要素之间的动态关系来进行。引导学生构建知识体系要循序渐进，首先让学生认识系统关系，继而理解系统的数学模型，然后分别对系统的时域响应和频率特性进行分析，并以此为基础分析系统稳定性，最后在系统特性分析基础上，依据系统的性能指标对其进行校正。尽管对于一些复杂系统会涉及较为抽象的数学运算，如一阶或二阶微分方程，但是只要理解系统与输入输出的关系，系统模型很容易与输入建立起关联，自然就能够建立反映系统特性的微分方程和传递函数。所以，只要让学生建立“输入、输出、系统”三者间的关联，问题就会明确，主动学习方向就会明确。引导学生建立基于上述三类问题解决的知识构建体系，是引导学生学好该课程的关键。
2.2.4 构建开放的适于探索性学习的学习环境
设计开放的实验体系，要求学生根据课程进度和解决工程实践问题的要求，循序渐进地设计出基于个人独立完成与合作完成的实验项目。在这个环节中，教师需要给出明确的实验项目要求，提出解决哪一类问题，学生根据问题的要求自行设计实验项目和内容，独立或合作完成。例如：控制过程经常涉及拉普拉斯变换，学生在掌握基本知识要点的前提下，可以自主改变控制参数，并设计不同的控制目标。同时，我们引入基于MATLAB的辅助实验条件，帮助学生利用计算机仿真验证实验和学习效果，激发学习兴趣。
2.2.5 建立成就动机激励体系
机械控制工程基础课程是应用性和实践性很强的课程，学习效果的关键表现应是知行结合、学以致用、提高解决问题的能力，而不是简单的卷面成绩。更为重要的是，考核内容与方式要能够有效激励学生，促进学生主动学习，并不断地提升专业素养。在考核方式上，我们摒弃传统方式，建立基于解决问题与创新能力的评价方式，该方式包括自评、互评、师评和加分，是有学生参与和开放的评价模式。
3 结束语
机械控制工程基础课程适于建立以问题为导向的主动学习教学模式，其特点是以学生为主体，建立问题意识，主动学习，教师团队的主要作用是启发和引导学生，并帮助学生根据问题类别和知识逻辑完成课堂教学和实验。这一教学模式，需要教师具有很高的学术水平和综合能力，同时需要建立仿真实验环境辅助实现教学目的。
