本科生學習過程的反饋控制系統(tǒng)設計

1、    本科生學習過程的反饋控制系統(tǒng)設計    孫玉梅 黑志榮 孫巧妍 王美春 陳祥光摘要：學習過程是一個具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時變特性的非工程系統(tǒng)。本文運用自動控制原理設計了一門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)，在此基礎之上設計了多門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)，綜合地分析了該系統(tǒng)的輸入參數和輸出參數以及主要的干擾因素，提出了學習過程反饋自適應控制系統(tǒng)的基本框架，該系統(tǒng)可促使學生有效控制自身學習的行為，提高學習效率，實現預期的學習目標。因此，本文所提學習過程的反饋控制系統(tǒng)具有很好的參考價值。關鍵詞：學習過程;本科生;反饋控制系統(tǒng);自動控制原理：g

2、642.41     文獻標志碼：a     ：1674-9324（2019）11-0206-04一、前言目前，人類社會已經進入到信息化時代，隨著知識面的深度和廣度增加，信息量也與日俱增。只有通過學習才能掌握科學技術，才能促進國民經濟的增長。因此，研究大學生的學習過程，對于督促學生的學習、激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、推動本科教育教學改革以及提升人才培養(yǎng)質量都有著極其重要的意義1。目前，在大學里有相當一部分學生的學習狀況不夠理想，例如學習目標不明確、學習不刻苦、學習動力不足等2。在學習過程中，影響大學生學習成績的主要因素可歸

3、納如下。1.學習目標不明確，沒有吃苦耐勞、刻苦鉆研的精神。2.沒有樹立正確的人生觀和價值觀，而追捧“歌星、影星、球星”等現象泛濫。3.抗擊外界的干擾能力弱，不能把主要的精力投入到學習中，而將大部分課余時間用在手機游戲、聊天等活動上。大學生的學習過程需要監(jiān)測與評價。為了完善學校教學質量評價工作，促進學生自身的發(fā)展和提升人才培養(yǎng)質量，在教學質量保障與監(jiān)控工作中，要重視教學評價對學生學習過程的監(jiān)測、反饋、診斷、改進、激勵等措施，研究學生學習過程的評價機制，從而提高大學人才培養(yǎng)質量3。因此，分析現代大學生的學習過程和學習現狀，研究學習過程的合理評價方法，對于提高人才培養(yǎng)質量和保障高等教育水平都具有重要

4、的戰(zhàn)略意義。文獻4研究發(fā)現，目標缺失、動力不足和時間管理不善是影響大學生學習過程的三個主要因素。當前，自主學習越來越受到社會各界的重視，它不僅符合人類發(fā)展歷程的基本規(guī)律，也符合教育改革的發(fā)展趨勢，其可以挖掘學生自身的潛力，使學生獲得較好的學習效果。自主學習也是實現終身學習的必要條件5。在自動控制系統(tǒng)中，自主學習的過程相當于控制器、執(zhí)行器及被控對象三個環(huán)節(jié)的串聯，但沒有檢測裝置，不能構成反饋控制系統(tǒng)。不是反饋控制，就會出現設定值與被控值之間的偏差，而這個偏差是波動的、忽大忽小，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文運用自動控制原理，設計本科生學習過程的反饋控制系統(tǒng)，其目的是使學生理解學習過程反饋控制系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)

5、的特性，分清學習過程中的干擾因素，從而實現自主學習，達到設定的目標值。二、學習過程的反饋控制系統(tǒng)設計（一）自動控制原理簡述自動控制和反饋是自動控制系統(tǒng)中的重要概念。自動控制是在沒有人的干預下，通過檢測裝置、控制器和執(zhí)行器，使被控對象或生產過程按照預定的變化規(guī)律運行。反饋是通過檢測裝置將系統(tǒng)的輸出量返回到系統(tǒng)的輸入端，與設定值（目標值）進行比較，產生的偏差信號作為控制器的輸入量6，通過控制器（模型或計算式）的運算，作為執(zhí)行器的輸入量，再通過能量轉換控制輸入至被控對象的物料（或信號），使被控對象的輸出值保持在設定值的一定范圍內變化。其反饋控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。圖1中一些術語說明如下：檢測裝置（

6、傳感器或檢測元件）：檢測現場的被控參數，并將其轉化為標準測量值;控制器：根據偏差值的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規(guī)律（模型或數學表達式）給出控制量;執(zhí)行器：基于控制器輸出的，通過能量轉換改變操縱量;被控對象：一般是指工業(yè)生產中需要進行控制的設備、裝置或生產過程;被控參數：在控制對象中要求按預定規(guī)律變化的物理量（化學量或生物量等），也稱被控參數;擾動（干擾）：在自動控制系統(tǒng)中，干擾又稱擾動。除控制量以外引起被控參數變化的所有作用因素都可視為干擾;設定（給定或恒定）值：指與被控對象工藝要求值相對應的信號值，也稱目標值，是控制系統(tǒng)的輸入參數（對于定值系統(tǒng)，它是恒定值）;偏差值：指設定值與被

7、控參數測量值之差，在自動控制系統(tǒng)中，一般規(guī)定偏差值。（二）學習過程的反饋控制系統(tǒng)由于工業(yè)生產過程的自動控制系統(tǒng)屬于工程系統(tǒng)，而大學生的學習過程屬于非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)無法實現在線連續(xù)（實時）控制，而是運用自動控制原理，構建學習過程的采樣反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的采樣周期也是變化的，這些都是本文涉及到的研究內容。1.一門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)設計。目前的大學生在課程學習過程中，被控制對象就是課程的學習過程，控制器和執(zhí)行器都是學習者自身頭腦思維和學習活動，學習過程中的檢測裝置就是“課堂學習情況、課后作業(yè)完成情況、課堂測驗、同學之間的討論、老師的點評以及自我檢查學習等?！卑匆欢ǖ闹芷冢ㄈ鐣r間t1）檢

8、測學習情況，將檢測結果反饋到輸入端，并且與輸入設定值（或目標值）進行比較，產生的偏差作為控制器（即學生自身）的輸入，基于控制模型（或控制算法）對偏差進行運算，輸出值相應的學習方法或措施，修正該課程的學習過程，以最終獲得預期的成績，達到本課程預設的學習目標。結合大學學習情況，通過對身邊學生不同學習情況的對比，針對某一門課程學習過程進行分析，例如大學物理，設定自身學習期望值，即課程期末學習成績?yōu)?0分，以自身學習過程為被控對象，定期（如t1）進行數據檢測，比如課堂聽課情況、回答問題情況、課堂測驗情況、課后作業(yè)情況以及期中考試成績等多種學習情況，通過檢測上述情況結果并且與自身學習期望值進行比較，產生

9、的偏差通過采樣開關（t2）作為學生自身的輸入，學生自身就是控制器和執(zhí)行器，若偏差較大，則盡快采取措施調整學習狀態(tài)，明確學習目標，端正學習態(tài)度，改進學習方法，克服學習過程中的干擾因素，及時對學習過程進行調整，從而實現輸出值（也就是期末考試綜合成績）達到學習期望值或者與期望值偏差不大。設計一門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)如圖2所示。因為對于學習過程的情況（也可用變量表示），通常是通過課堂提問、作業(yè)、測試等方式獲取學生的學習信息，而這種獲取的方式是間歇的、離散的，即按一定的時間周期進行。因此，在圖2系統(tǒng)的反饋回路中設置了2個采樣開關7。2.多門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)設計。大學本科學習時間通常為4年

10、，每個學年有2個學期，而每一個學期有多門課程，設定不同課程的學習期望值，采用各自的控制回路，但是都是同一個控制器和執(zhí)行器學習者自身、學習者個人興趣愛好、擅長的側重點、時間的有限性等個人因素以及學習課程的關聯性，又存在不可避免的相互影響和制約（在控制系統(tǒng)中，稱之為耦合）。因此，為了更好地實現所有學習課程的實際值接近于期望值，需要設計一個整體的反饋控制回路，檢測所有課程學習過程的情況，并及時修訂學習目標，控制器針對偏差進行合理均衡地控制，合理分配學習時間，做出合理、及時的調整措施，實現多門課程學習過程的優(yōu)化控制。因此，研究設計多門課程的學習過程反饋控制系統(tǒng)是有必要的?；趫D2的控制系統(tǒng)，目標設定值

11、都是期末的學習成績，比如大學英語75分，微積分85分大學物理80分。對于多門課程之間存相互干擾和相互影響的耦合作用，例如給出n門課程學習過程的設定值（n=1，2，3），學生自身根據自我評價，找出擅長與不足，或者說n門課程的基礎功底，然后制定學習計劃和學習過程的操作步驟，給n門課程分配不同的學習時間、學習態(tài)度，再根據各自課程的檢測情況，及時調整、改變學習方法和措施，盡可能使這n門課程的學習成績都接近于期望（預設）值。多門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)如圖3所示。在圖3中，輸入值為多門課程的學習目標值（即希望獲得各門課程的成績），輸出值為各門課程學習過程成績的變化值，其穩(wěn)態(tài)值即為各門課程對應的期末成績

12、。在學生學習過程中，各課程的學習成績是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當于一個檢測環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)信息的獲取是周期性的，所以設置采樣開關t1。學生按照自己制定的學習方案（或計劃）展開學習，這相當于控制環(huán)節(jié)。學習方案（或計劃）要通過學生本身多年積累的學習方法和措施來實施，這就相當于執(zhí)行環(huán)節(jié)。因此學生本人就相當于控制環(huán)節(jié)+執(zhí)行環(huán)節(jié)。對每一門課程，學生都要通過聽課、做作業(yè)（或做實驗和撰寫實驗報告）考試等教學活動，直至課程結束獲得成績，這樣的過程稱為多門課程學習過程。圖3中多門課程學習過程存在相互耦合作用，即多門課程的學習過程相互影響，圖中的實線表示有直接的影響，虛線表示間接影響。

13、因此，學生要根據不同的課程需求，安排好各門課程的學習計劃，運用相應的學習方法和措施，使多門課程的學習成績接近于預先的設定值。3.多個學期學習過程的反饋自調節(jié)控制系統(tǒng)設計。大學一般都是四年學業(yè)，分為不同學期學習。完成四年本科的大學學習，要求學好每一門課程，不僅是某一個學期的任務，而且是整個大學期間多個學期的任務。為了更好地達到畢業(yè)要求，多個學期學習過程必須有方案、有計劃地學習。因此，需要設計一個多個學期學習過程的反饋自適應控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構圖如圖4所示。在圖4中，輸入值為課程學習目標值（即希望獲得各課程的成績），輸出值為各課程成績的變化過程，其穩(wěn)態(tài)值即為各課程對應的期末成績。設定一個自適應學習

14、調節(jié)機構，各課程的學習成績是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當于一個檢測環(huán)節(jié)。學生按照自己制定的學習方案（或計劃）展開學習，這相當于控制環(huán)節(jié)。學習方案（或計劃）要通過學生本身多年積累的學習方法和措施來實施，這就相當于執(zhí)行環(huán)節(jié)。學生要對每一門課程通過聽課、做作業(yè)（或做實驗和撰寫實驗報告）考試等教學活動，直至課程結束獲得成績，該過程被稱為課程學習過程。圖4中的工作原理是：首先通過測試方式按一定的周期（t1）獲取各課程的信息（數值），與預先設置的目標值進行比較，產生的偏差按一定的周期（t2）作為控制器的輸入，該控制器就是學生的腦思維系統(tǒng)，學生根據不同課程的學習偏差和偏差的大小

15、，運用相應的學習方法和措施，使各門課程的學習成績在預定值允許的范圍內變化。學習過程是變化的，因此易受外部干擾。假設外部干擾因素是可測的，那么可通過當前的偏差值和外部的干擾量及變化特性，基于自調節(jié)規(guī)則和推理機構在線修正控制器的參數，即調整學生的學習方案，使該系統(tǒng)具有抗干擾和自適應過程變化的能力。將反饋原理和自調節(jié)方法相結合，構建了一類如圖4所示的“多個學期學習過程的反饋自適應控制系統(tǒng)”。三、結論本文分析了大學生學習過程相關環(huán)節(jié)的主要特性，運用反饋控制原理，設計了單門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)，設計了多門課程學習過程的反饋控制系統(tǒng)，以及設計了多個學期學習過程的反饋自適應控制系統(tǒng)。根據實際情況運用這

16、些學習過程的反饋控制系統(tǒng)，對于增強學生的學習動力，提高學習效率，實現預期的學習目標具有實際應用價值。然而，學習過程是一個具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時變特性的非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的建模過程很復雜，一些干擾因素很難準確測量。因此，這類系統(tǒng)屬于復雜的難控系統(tǒng)。參考文獻：1牛虧環(huán).大學生學習過程評價初探j.高教發(fā)展與評估，2015，31（4）：6-13+105.2殷全玉，丁曼旎，許自成，等.淺析目前大學生學習過程中存在的問題j.決策探索（下半月），2011，（2）：59.3白菁，倫艷，孫彥超.學生學習過程檢測與評價研究j.人力資源管理，2017，（11）：284-286.4牛虧環(huán).大學生學習

17、過程評價的現狀、問題及對策基于全國16所本科高校的調研j.大學教育科學，2017，（6）：42-49+121.5劉翠.國外流行的三種科學學習過程性評價及其對我國化學教學評價的啟示j.教育測量與評價，2016，（02）：43-47.6陳祥光，孫玉梅，吳磊，等.自動控制原理及應用m.第3版.北京：清華大學出版社，2018.7陳祥光，黃聰明，何恩智.自動控制原理m.北京：高等教育出版社，2009.design of feedback control system for undergraduate learning processsun yu-mei1，hei zhi-rong2，sun qiao-

18、yan1，wang mei-chun1，chen xiang-guang1，2*（1.college of electronic engineering，yantai nanshan university，longkou，shandong 265713，china;2.school of chemistry and chemical engineering，beijing institute of technology，beijing 100081，china）abstract：learning process is a non-engineering system with multivariable，nonlinear，large hysteresis，coupling and time-varying characteristics.based on the principle of automatic control，a feedback control system for the course learning process is designed in this paper.on the basis of this，