□史敬灼

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課程教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生知識運(yùn)用能力培養(yǎng)的探索與實(shí)踐

□史敬灼

【摘要】讓學(xué)生熟練掌握運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)和重要組成部分，也是課程教學(xué)的主要目的?，F(xiàn)以“電機(jī)智能控制”課程中專家系統(tǒng)教學(xué)為例，探討在課堂講授中減少純理論教學(xué)內(nèi)容、將應(yīng)用實(shí)例引入課堂教學(xué)以加強(qiáng)學(xué)生知識運(yùn)用能力培養(yǎng)的具體做法。

【關(guān)鍵詞】能力培養(yǎng)；創(chuàng)新能力；教學(xué)方法

在高校教學(xué)過程中加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，已經(jīng)成為滿足我國當(dāng)前社會發(fā)展迫切需要的一個重要途徑，日益受到重視?？偟膩砜?，高校教學(xué)過程分為課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩部分。為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，當(dāng)然需要對包含課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)在內(nèi)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，在增進(jìn)教師實(shí)踐創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)教師手把手指導(dǎo)，改革實(shí)踐過程、實(shí)踐方法與實(shí)踐結(jié)果評價(jià)體系，引導(dǎo)學(xué)生通過這些實(shí)踐環(huán)節(jié)切實(shí)增強(qiáng)動手能力，營造創(chuàng)新環(huán)境，激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

但不容忽視的是，作為教學(xué)過程的另一方面，課堂教學(xué)同樣也需要做出相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)時代要求。上述實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是以課堂教學(xué)傳授的知識為基礎(chǔ)的，本質(zhì)上是以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題能力為目的。作為整個教學(xué)過程不可分割的兩部分，課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)必須相輔相成，形成合力，才能更好地提升人才培養(yǎng)能力。但是，由于歷史習(xí)慣、教師能力、課時有限等各種因素的制約，目前的課堂教學(xué)過程中普遍存在不同程度的與實(shí)踐相脫節(jié)的問題，影響了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。

針對課堂教學(xué)過程中存在的這個問題，可否考慮改變理論知識的講授方式，通過知識的應(yīng)用實(shí)例來傳授知識并提高知識運(yùn)用能力呢?本文以“電機(jī)智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的課堂教學(xué)為例，從教學(xué)內(nèi)容組織、課時分配、講授過程等方面說明改革課堂教學(xué)的具體方法。

一、課程教學(xué)內(nèi)容組織

“電機(jī)智能控制”是電氣工程學(xué)科碩士研究生的一門專業(yè)課，主要講授以電機(jī)為控制對象的智能控制理論及其應(yīng)用，內(nèi)容涵蓋專家系統(tǒng)、模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理論授課課時為40學(xué)時。

作為人工智能的一個重要分支，專家系統(tǒng)是“電機(jī)智能控制”課程的主要教學(xué)內(nèi)容之一。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，專家系統(tǒng)已經(jīng)形成較為完整的理論體系，知識龐雜，涵蓋知識獲取、知識存儲與組織形式、知識查詢/搜索方法、推理方法、信息傳遞等方方面面，不易在較少的課時內(nèi)充分講授，需要根據(jù)課程教學(xué)目的篩選講授內(nèi)容。

在課時有限的情況下，選擇基礎(chǔ)的、共性的和當(dāng)前常用的知識點(diǎn)作為課程講授內(nèi)容，是確定課程講授內(nèi)容的通常原則。進(jìn)行教學(xué)改革之前，“電機(jī)智能控制”課程根據(jù)這一原則確定教學(xué)內(nèi)容，課堂講授以理論內(nèi)容為主，教學(xué)效果并不理想。調(diào)查表明，學(xué)生普遍反映課堂講授較為枯燥，聽課、學(xué)習(xí)興趣難以維持；理論內(nèi)容較多，難于記憶，更不明確如何將這些理論知識應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)來解決實(shí)際的電機(jī)控制問題。

根據(jù)學(xué)生反饋，考慮改變課程知識的講授方式，將原來以理論內(nèi)容為主、舉例為輔且舉例簡單、不系統(tǒng)的授課方式，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮榻B最基本理論知識和概念的基礎(chǔ)上，以實(shí)際應(yīng)用例子為主，通過例子來講知識，講如何應(yīng)用知識，講如何解決實(shí)際問題，講應(yīng)用該知識得到的好處，講為什么選擇該理論來解決這一問題。這樣，有可能在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，使學(xué)生在同樣多的課時內(nèi)學(xué)到并記住更多知識，學(xué)到運(yùn)用知識的具體方法和能力。

實(shí)踐這種課程講授方式前，需要篩選授課內(nèi)容。首先，選定需要講授的“最基本理論知識和概念”。一般而言，同樣是選擇基礎(chǔ)的、共性的和當(dāng)前常用的知識點(diǎn)，但不同的是，由于后續(xù)的實(shí)際例子中還有講授具體知識點(diǎn)的空間，因而這里選擇的理論知識點(diǎn)和基本概念應(yīng)更為基礎(chǔ)和有共性。同時，針對具體課程而言，所謂基礎(chǔ)、共性知識點(diǎn)又往往與課程的具體需要相聯(lián)系。以“電機(jī)智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的教學(xué)為例，專家系統(tǒng)理論幾十年的發(fā)展，是隨其在不同領(lǐng)域的不斷應(yīng)用而不斷得到發(fā)展、擴(kuò)充和完善的。不同領(lǐng)域中應(yīng)用的專家系統(tǒng)，有著不同的側(cè)重點(diǎn)。專家系統(tǒng)在電機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用，有其自身特點(diǎn)和涵蓋范圍，因而，需要講授的基礎(chǔ)知識應(yīng)滿足其在這一領(lǐng)域主要應(yīng)用的需要，而不是完整的專家系統(tǒng)的基本理論。另外，除了上述基本理論知識，還應(yīng)簡單講授專家系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、設(shè)計(jì)方法，為學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用提供可行途徑。綜上所述，選定“基礎(chǔ)知識”講授內(nèi)容可遵循3條原則:一是專家系統(tǒng)入門，二是電機(jī)應(yīng)用需要，三是要講設(shè)計(jì)開發(fā)方法。

已有文獻(xiàn)資料表明，當(dāng)前專家系統(tǒng)在電機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在以下3個方向:①簡單的專家系統(tǒng)作為控制器參數(shù)/結(jié)構(gòu)調(diào)整機(jī)制，用于在線電機(jī)控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)魯棒性；②專家系統(tǒng)用作電機(jī)控制/拖動系統(tǒng)的在線或離線故障診斷，提高系統(tǒng)可靠性；③采用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制/拖動系統(tǒng)的離線設(shè)計(jì)或是產(chǎn)品選擇。

針對這些具體應(yīng)用的需要，考慮專家系統(tǒng)的發(fā)展，選定“電機(jī)智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分的基礎(chǔ)知識講授內(nèi)容，表1列出了全部內(nèi)容。

其次，選定實(shí)際應(yīng)用例子。已有文獻(xiàn)資料中的實(shí)際應(yīng)用例子會很多，其選擇一要在課時允許的情況下盡量全面，涵蓋應(yīng)用的主要方向；二要精煉，所選例子通常需要進(jìn)行適當(dāng)改編，簡化與專家系統(tǒng)無關(guān)的內(nèi)容，突出課程講授的主要內(nèi)容，避免喧賓奪主。據(jù)此，選定“電機(jī)智能控制”課程中專家系統(tǒng)部分講授的4個實(shí)際應(yīng)用例子為:①異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定；②故障診斷；③交流電氣傳動產(chǎn)品的選擇；④電氣傳動系統(tǒng)的配置選擇、設(shè)計(jì)與仿真。上述內(nèi)容共授課7學(xué)時。其中，基礎(chǔ)知識講授3學(xué)時，實(shí)例4學(xué)時。

表1　專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識講授內(nèi)容

二、課程講授過程

基礎(chǔ)知識的講授過程中，在注意語言適當(dāng)風(fēng)趣以降低枯燥程度的同時，還要適時加入簡單的例子。事實(shí)上，這些理論知識往往都源自于對客觀現(xiàn)實(shí)、自然現(xiàn)象的歸納和抽象，或者源自于對解決現(xiàn)實(shí)問題的求索。既然如此，當(dāng)然也可以從實(shí)實(shí)在在的現(xiàn)象出發(fā)來講授理論知識，這樣不僅將理論與客觀現(xiàn)象聯(lián)系在一起，便于學(xué)生理解，引導(dǎo)學(xué)生思考現(xiàn)象的本質(zhì)，更有可能在潛移默化中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如，在講授“后向鏈規(guī)則”時，因?qū)W生在以往課程中一直習(xí)慣于前因后果的前向鏈規(guī)則推理規(guī)則，不易理解后向鏈規(guī)則的用途，故以醫(yī)生看病為例進(jìn)行講解。醫(yī)生看病是生活中一個典型的后向推理過程。講解時，以在場的某個同學(xué)患感冒去看病為例，首先敘述正常的看病過程:醫(yī)生通過觀察、詢問和簡單的檢查（量體溫），猜想為普通感冒，開處置單去驗(yàn)血，然后確診、開藥。設(shè)想醫(yī)生采用前向推理，不做猜想，開處置單讓患者去做全套檢查，付出高昂檢查費(fèi)之后，確診為普通感冒，從而導(dǎo)致看病成本大幅度增加。最后，指出正常的看病過程為后向鏈規(guī)則的推理過程，就此說明了后向鏈規(guī)則的用途與用法。

在理論知識講授過程中所舉的例子應(yīng)簡單、準(zhǔn)確，專注于某個知識點(diǎn)。同時，也應(yīng)盡量貼近學(xué)生生活，通俗易懂，或是在學(xué)生應(yīng)知應(yīng)會的范疇內(nèi)舉例。對應(yīng)表1所示內(nèi)容，舉例內(nèi)容列出如表2。

表2　基礎(chǔ)知識講授過程舉例內(nèi)容

實(shí)際應(yīng)用例子的講授過程中，先要介紹例子所涉及裝置/系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，解釋功能及期望性能，然后要講出該例子存在的待解決問題、為何選擇專家系統(tǒng)來解決問題、如何應(yīng)用專家系統(tǒng)來解決問題、應(yīng)用之后的效果如何。其中，如何應(yīng)用專家系統(tǒng)是講授的重點(diǎn)，包含針對這一特定問題的專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，知識庫中具體知識/規(guī)則的設(shè)計(jì)，借以引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)例學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)的理論知識和具體應(yīng)用方法。同時，要特別注意講授的邏輯性，注意先后次序和適當(dāng)?shù)囊龇绞剑@些往往是影響學(xué)生思路、聽課興趣和接受程度的關(guān)鍵。另外，考慮到技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，如果在講授過程中能夠提出一些具有前瞻性的解決問題的思路，當(dāng)然更好。

圖1　異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

例如，在專家系統(tǒng)基礎(chǔ)知識之后講授的第一個例子，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定，是專家系統(tǒng)在電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用的主要形式，需做重點(diǎn)講授，要說明為什么、怎么做，使學(xué)生在第一個例子中了解如何設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)及其優(yōu)勢。該例對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中，除專家系統(tǒng)之外的其他部分均為學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的知識。講授過程中，首先簡單介紹閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及各個功能模塊的作用、輸入輸出關(guān)系，詳細(xì)說明所用轉(zhuǎn)速PI控制器在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，引出PI控制器的參數(shù)需要整定/改變以應(yīng)對變化/時變的電機(jī)對象和外部擾動狀況。然后，細(xì)致講解如何設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)調(diào)節(jié)器來整定PI參數(shù)，引出專家規(guī)則進(jìn)行具體分析。講解過程中需注意細(xì)節(jié)。例如，圖示測試信號的幅度、周期如何選取，用作專家系統(tǒng)調(diào)節(jié)器輸入的系統(tǒng)誤差信號的波形狀態(tài)等，以使學(xué)生學(xué)習(xí)之后真正能用、用之能勝。

另外，可以通過改變課程考核形式來激勵學(xué)生更加主動地鍛煉能力?！半姍C(jī)智能控制”課程考核采用平時成績占80%、結(jié)課考試占20%的考核辦法，授課過程中要求學(xué)生撰寫幾個報(bào)告，報(bào)告成績作為平時成績。報(bào)告內(nèi)容通常為綜述、分析、比較，要求學(xué)生在查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過歸納總結(jié)和認(rèn)真思考，獨(dú)立撰寫；要求采用嚴(yán)謹(jǐn)、簡潔的非文學(xué)文字并列出參考文獻(xiàn)。例如，在專家系統(tǒng)部分講授完成后，請學(xué)生撰寫題目為“專家系統(tǒng)與電機(jī)控制”的報(bào)告，一方面希望學(xué)生能夠熟練掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，另一方面也希望學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、撰寫報(bào)告，由聽課入門逐漸走上精通之路。

課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力的一個不可缺失的重要環(huán)節(jié)。如何在課堂教學(xué)中更好地實(shí)現(xiàn)對學(xué)生能力的培養(yǎng)，是一個需要不斷探索并與時俱進(jìn)的重要課題。本文以電氣工程學(xué)科碩士研究生“電機(jī)智能控制”課程教學(xué)為例，給出了一種通過實(shí)際應(yīng)用例子講授理論知識的授課方法。該方法在5屆學(xué)生中進(jìn)行了探索與實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

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（編輯：秦俊嫄）

【基金項(xiàng)目】本文系河南省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于'貫通式'教學(xué)模式的電氣工程及其自動化專業(yè)建設(shè)研究”（編號：2014SJGLX200）和河南科技大學(xué)研究生教學(xué)改革項(xiàng)目“學(xué)術(shù)型研究生專業(yè)課程CDIO教學(xué)模式實(shí)踐”（編號：2014YJG-006）的研究成果。

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0568（2016）11-0019-03

作者簡介：史敬灼，工學(xué)博士，河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院教授。研究方向：電機(jī)智能控制課程教學(xué)。