通用技术“控制与设计”模块的主要问题分析与对策

黄捷

摘 要：通用技术中的“控制与设计”内容属于重点和难点，由于控制理论的理论性较强，多数通用技术的教师只接受师范教育，没有接受自动化专业中的自动控制原理系统化的学习，使其在教学过程中存在一些困惑。本文针对通用技术“控制与设计”教学中容易产生的错误理解的内容进行解析，提高通用技术教师对控制理论基本概念的认识。

关键词：通用技术；控制与设计；自动控制；对策

引 言

随着课程改革的推进，技术课程已进入基础教育阶段，通用技术和信息技术是技术课程体系的两大课程。通用技术在绝大多数省份都已经在课改过程中逐步开设。特别是海南省和山东省开设的较早，已具有丰富的实践经验。尤其山东省已经把通用技术纳入到高考评价体系中，成为国内首个通用技术高考省份。随着课程改革和高考改革的进一步推进，通用技术在基础教育阶段中的重要性将越发体现。

通用技术课程其教育价值越来越显得重要，然而，通用技术师资队伍建设相对滞后。这是多种原因造成的：第一，历史原因。现在许多通用技术教师是原劳技课老师以及其他学科教师兼职或者转任通用技术学科教学，其中以物理教师居多。他们往往还未建立通用技术教育系统化的知识；第二，由于基础教育师资主要来源于各类师范院校，这些老师往往缺乏工程专业背景，他们中的绝大多数没有学习过自动控制原理。因此在教学的过程中，难以把握“控制与设计”教学的难点、要点，甚至对教学内容表示困惑不解；第三，苏教版通用技术教材用的比较广泛，但是目前该版本的教材《技术与设计2》第四章“控制与设计”的许多内容的表述有欠妥当之处，要么表述不准确，要么案例过于生活化，缺乏对自动控制的深入思考，教材内容过于科普而不能突显其中蕴含的深刻技术原理，教材的这些不足也给教师带来了困扰。

笔者长期从事智能控制研究，近几年又承担了福建省通用技术新课程省级培训，福建省通用技术教研组长培训等工作。本文总结在培训过程中一线教师针对控制与设计的内容提出的典型问题，最后提出解决问题的建议和措施。

1 “控制与设计”教学过程中主要问题解析

通用技术中的“控制与设计”内容属于重点和难点，从山东省高考来看，2007-2010年连续4年都出现的知识点是控制理论，可见其重要，详见参考文献 [1 ]。由于控制理论的理论性较强，多数通用技术的教师只是接受师范教育，没有自动控制原理的系统学习，在对教材的把握以及在教学过程中存在许多困惑和误区。因此，加强教师对该教学内容的深入理解，总结与自动控制原理相关的理论基础以及教学案例，是通用技术教师继续教育的当务之急。

1.1 “开环控制-闭环控制”与“人工控制-自动控制”的关系不清

“开环控制-闭环控制”是控制与设计中重要的一节，许多教师容易将“人工控制-自动控制”与“开环控制-闭环控制”相混淆。首先，应该明确人工控制和自动控制的差别，掌握这两者的区别，最直接的方法就是以是否有人参与控制过程为标准，有人参与（干预）控制过程为人工控制，否则为自动控制。关于这一点的辨析，没有什么争议。其次，应该区分开环控制和闭环控制的差别：（1）系统控制结构框图中是否存在反馈通道：开环控制的控制输入不受系统输出量的影响，开环控制系统一般由控制器与被控对象组成（见图1）；闭环控制存在反馈通道，系统的控制输入受到系统输出的影响。开环控制一般是在瞬间就完成的控制活动，闭环控制会在一定时间内持续作用。（2）功能特性及应用场合：相比闭环控制，开环控制主要不足在于控制精度和抑制干扰的性能都较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，精度要求不高，定时，控制的结果是控制开启关断的场合，如步进电机的控制，简易电炉炉温调节，水位调节，红绿灯定时控制系统、楼宇的防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、无人机着陆末阶段控制等。

许多一线教师认为“闭环控制不一定是自动控制，但自动控制一定是闭环的”。这是错误的观点，两者并没有直接的关系，控制系统里有采用开环控制也有采用闭环控制。开环与闭环是控制系统整体结构的范畴，是否为自动控制是控制系统功能实现的范畴。尽管自动控制系统以闭环居多，但开环与闭环都是自动控制的结构。开环与闭环结构不一定都能实现自动控制，是否能实现控制与控制器的设计有关，且与被控对象能控性有关。

1.2 教材中引用大量生活化的内容，束缚了对控制理论的本质的理解

目前通用技术控制与设计教学中，还普遍存在一个误区，即大量采用生活中的案例作为典型的控制系统开展研究，如抽水马桶，热水器等。这些生活中的案例对于学生初步理解自动控制系统是具有代表性且容易入门。但是目前从实际教学过程中发现，不仅在教学过程中，考题中，贯穿整个教学过程中的都是“抽水马桶”式的案例，缺乏现代自动控制案例， 束缚了对控制理论本质的理解。笔者认为应选取一定比例的先进控制应用作为而典型的自动控制的案例素材，如工业中的自动控制、军用无人系统自动控制等。由于对控制原理认知水平不高，不少教材和习题中也常常存在一些错误，其本质是编者对控制理论的理解较为粗浅，如下面的选择题是通用技术习题中常见的：

题目：下列关于干扰因素对控制系统的作用，说法正确的是（ ）

A. 干扰因素仅作用在被控量上

B. 干扰因素不会作用于开环控制系统

C. 闭环控制系统中干扰因素的作用都会反映在输出量的变化上

D. 干扰因素都是可以利用的

四个答案都是错误的，因此此题无正确答案。

2 建议与对策

2.1 加强通用技术师资队伍建设

首先，针对职后教育。通过省市县构建三级培训体系中的各级教育学院和教师进修院校，加强通用技术教师职后培训。不同于其它学科，通用技术由于其技术性，在培训过程中不能仅强调教师教育艺术的提高，更应该在培训课程的设置中加大系统性学科知识模块的比重。将自动控制理论等知识较为系统的讲授给学员，并通过专家引领，学员自学和教学技能比武等形式循序渐进的构建、巩固和提高通用技术教师的学科知识体系。培训机构最好能与工科院校自动控制专业形成合作，充分利用工科高等院校专业的优势与教育培训机构的培训专长相结合。

其次，对于职前教育，各师范院校应提高师范类学生的动手能力、工程思维和复合的技术能力。由于通用技术教师岗位对教师的技能要求较高等特点，师范院校的培养存在天然的不足，可以考虑与工科院校联合培养或者参与工程实训的方式，获得工科院校的自动控制理论相关课程学分和实践课程学分。此外可以直接录用工程背景的非师范专业毕业生补充通用技术教师队伍，在其职后培训中加强教育教学能力即可。

对于教师自身，需要积极主动阅读学习自动控制原理的教材和科普读物，了解自动控制中的数学知识，使其能从宏观上把握自动控制理论，在微观上能针对具体的物理对象映射其对应的理论。

2.2 完善和提高教材及教辅书籍的质量

强烈要求目前的教材编写组需要引进控制理论专家参与教材论证，进而尽快完善教材内容，补充和升华教材、教案、教辅材料的内容，提升教材质量，修改现存版本中不妥之处。如对控制的定义不够准确；教学案例都是生活化的，虽然容易理解但是学术层次不高。教材内容应该体现“顶天立地”，从生活中的例子引入控制的概念，再通过现代工业和国防领域中的先进控制来介绍当今控制学科的发展。军事科技是一个国家技术水平的体现，而最先进的自动控制方法往往先应用到军用领域，适当的引入军事科技中的控制案例能有效地提高教材质量；此外，苏教版教材中列举的一些控制领域网站类型过于单一，不少是工业产品介绍，作为学生的阅读材料，其指导性和教学性不强。且不少网站的域名已经失效，需要及时更新，建议从学术界和工业界两个角度来丰富课外网站资源的引用。

参考文献：

[1] 李昳. 浅谈通用技术课程 “控制与设计” 教学难点的突破[J]. 教育研究与评论： 技术教育， 2011 （5）： 44-46.