融合知识网络与认知结构的计算机控制技术教学初探

阎高伟 郑 晟 李国勇 贾敏智

太原理工大学 山西太原 030600



融合知识网络与认知结构的计算机控制技术教学初探

阎高伟 郑 晟 李国勇 贾敏智

太原理工大学 山西太原 030600

摘 要：针对学生知识碎片化现象，建立了自动化专业的知识点网络。在计算机控制技术课程教学中探索了知识关联教学策略的应用与实践，帮助学生建立和优化自己的认知结构，进而提高学生解决复杂问题的综合能力与素质。

关键词：计算机控制；知识网络；认知结构；知识关联

随着科学技术的发展，新兴技术层出不穷，物联网、工业4.0、智能制造等，对自动化专业学生的学习提出了更高的要求。面对各种各样的新兴理论和技术，在总学时固定的情况下，如何在有限的时间内提高学生的能力是一个值得深思的问题。一方面需要在各门课程中夯实知识基础；另一方面要在课程教学中培养学生对知识要素的融合贯通能力，使学生的知识形成网络，从而提高学生对知识的综合利用能力。为达到这一目标，需选择一些关键性的节点课程，发挥课程自身的特点，强化桥梁作用。

计算机控制技术是很多高校自动化专业都开设的一门专业课程，该课程融合了模拟电子、数字电子技术、计算机及接口技术、自动控制理论、电力电子技术及网络通信等多门课程的知识，具有涉及知识广、综合性强及理论和实践并重的特点，如果能充分发挥该课程的作用，将有助于为学生架起知识的桥梁。但在实际中学生普遍反映该课程难学，难以达到设置该课程的初衷和目的。正确处理本课程与其他课程的关系以及它们之间的内在联系，形成完整而系统的知识体系，是本课程的主要作用之一［1］。为此，我们从知识网络的角度对自动化专业的课程进行分析，从有利于形成网络化认知结构的角度对课程教学进行了设计，以期获得较好的教学效果，为新时代特点下的教学提供有益的思考。

1　计算机控制技术课程特点和教学中的问题

1.1计算机控制技术课程的特点

计算机控制技术课程具有如下特点：课程外延广泛，从现有的教材和教学内容来看，涉及的知识点多而杂，大都包含了通道硬件组成、人机接口、网络通信、数据处理、控制理论、控制算法、软件编程等内容。上述内容相互交织，过渡衔接连贯性较弱。从事过计算机控制系统开发工作的人很清楚是利用上述知识组成一个系统，但对于没有实际工作经验的学生来说却表现为相互矛盾的第二个特点，即本身要形成系统的课程，却因内容跳跃性强，造成学习的系统性较差的特点。此外，该课程还有硬件、软件、理论和算法多能力要素相结合的强实践性特点。有研究指出，该课程的掌握需要学生有良好的基础、严密的思维、较强的实践能力和系统解决问题的能力，反过来思考一下，该课程的设置正是为了提高学生的上述能力［2］。

1.2计算机控制技术课程教学的问题

计算机控制技术课程在教学过程中存在较多问题，已经有很多文献进行了总结和分析，其中有：课程涉及的内容很多，计算机系统类型多，在课堂上全面介绍很困难［3］。课时短学时较少，较多时间用在了理论和方法的学习上，制约了学生应用理论知识解决实际工程问题的能力［1］。多学科多课程交叉、实践性很强的课程需要学生有较强的综合能力，但学生缺乏解决实际问题的综合能力的问题［3］。注重理论知识教学，不注重学生实践方面的培养造成理论与实际生产脱节的问题［4］。没有对所学知识进行完整的、系统性地梳理［4］。先学课程学习中忽视动手能力的培养，及缺乏相应的工程实践机会，从书本中找答案，不能灵活应用知识来解决问题［1］。实验设备落后，实验时间少，软硬件基本脱节，限制了学生自主动手设计能力的训练，理论教学与实验教学不能有机结合［1］。

上述问题普遍存在，但笔者认为教学过程中没有很好的建立知识点之间的联系，所形成的知识点孤立是一个重要的问题。举例来说，学生都学过总线、地址，但在过程通道中，却难以将IO编程时指令的操作地址与硬件的地址有机联系起来。学生虽然知道PID算法的几种表示形式，但却不知道如何数字化并编程实现。从知识点的角度而言，这些要素在以前的课程中都介绍过，而学生却难以解决上述问题。造成这些问题的主要原因是忽略了知识之间的内在联系。

2　基于知识网络的自动化专业知识体系分析

学生综合应用的能力很大程度上依赖于知识的联系，有经验的人可无意识地勾勒出一个复杂的知识网络，把概念、原理、部件、理论、算法和程序等要素有机联系起来，但学生尚缺乏这种关联能力。为了给学生提供一个清晰的知识脉络和关于计算机控制系统的认知结构，本文首先从知识网络的角度对计算机控制技术课程及自动化专业知识体系进行分析。

知识网络最早是由现代认知心理学家E.加涅提出［5］，目前已经常出现于各类研究和应用中。本文考虑知识与知识之间的网络［6］，基于高等教育中自动化专业本科知识体系，将知识体系中的课程内容进行分解，选取了合适的知识内容定义为节点，以先学关系为基础构建了符合专业知识内在规律的有向知识网络。网络包含自动化本科专业常见的37门课程、287个知识单元、1 422个知识点，现阶段提炼出4 988条知识关联。所建立的知识网络如图1所示。

图1　自动化专业知识点网络

可以看出，自动化专业的知识点之间存在着广泛的联系，相应的知识单元和课程也交互联系，共同形成了自动化本科专业的知识网络。如果从系统论的角度分析，学生在大学阶段所形成的控制学科的认知结构看成一个知识系统，各门课程的认知结构就是知识系统的子系统，各门课程之间互相联系、交织影响，形成该专业的整体认知结构。

可以采用复杂网络的方法对知识网络进行分析，获得知识网络的特性。这里我们重点关注知识点的入度值和出度值。每个知识点的入度表示的是当前知识点需要学习的先行知识点的数目，入度值大则表示该知识点受到多个先学知识点的影响，是对先学知识点的综合。出度值大则表示后续的许多知识点会用到该知识点的知识，如果该知识点学习不好会对后续的知识点学习产生较大影响。通过对所建立的网络进行分析，计算机控制技术课程的标准化后的入度为8.160 6，在37门课程中的入度值排序为2，仅次于运动控制系统，充分体现了该课程的综合性和桥梁性的特点。由此可以看出该课程对学生形成关于自动化专业的整体认识结构的重要性。

3　基于认知结构的计算机控制技术课程教学策略

3.1计算机控制技术的认知结构分析

狭义地看，认知结构是学习者在某一特殊知识领域内的知识的内容和组织［7］。通过新旧知识反复同化，最后形成一个综合贯通的网络结构［8］，教学过程中有目的地引导学生构建良好的学科认知结构，有利于学生对知识的掌握、记忆和应用，构建良好的认知结构是培养学生学习能力的核心［9］。

计算机控制技术的认知结构首先包括课程知识内容在头脑中的反映，即有关的基本概念、设备元件和理论算法在学生头脑中的映射。其次是建立在上述内容基础上的知识组织结构，把相关知识点组合成计算机控制系统的内在逻辑联系，它是一个立体的结构，而不是接口、元件、理论和算法的简单堆砌，应当是依据各知识点之间的层次关系、内在联系和逻辑顺序形成的结构层次分明、脉络清晰和联系紧密的知识体系。上述联系中还包含着各知识点为什么联系、如何联系、联系的内涵等深层次内容，从而可以升华为关于计算机控制系统组成和相关技术应用的一般规律及其基本思想方法在学生认知结构中的合理映射，形成学生利用计算机及控制理论解决工程问题的能力。

对于学生而言，这一认知结构应当是多层次立体的网状知识体系。表现为从元件、模块、单一控制器和分布式控制系统逐级递升的认知层次，而每一层、不同层都有相应知识点连接关系。通过知识点的连接形成知识网络，网络节点作为固着点，接纳新的知识，能通过网络节点之间的联系，顺畅地过渡到其他节点，并由节点之间的联系派生出不同问题的解决方案，进一步丰富网络连接，加强系统结构的强度。

计算机控制技术不是该专业的第一门课程，学生在前期已经形成了关于本专业的一些认知结构。由于计算机控制技术的综合及桥梁特点，需要在前期形成的认知结构的基础上进行认知结构的提升和系统化，从而加强与其他课程知识的联系，通过同化和顺应与其相互作用， 使认知结构得以扩大、重组和优化，逐渐形成健全和完善的学科认知结构。

3.2基于知识关联的计算机控制技术课程教学

学生的学习过程就是专业知识网络的编织的过程，也是关于课程和学科知识认知结构的扩充、深化和丰富的过程，为了帮助学生建立自己的知识网络形成良好的认知结构，我们遵循的原则是在基本认知结构框架的基础上通过知识关联来加强概念同化。

3.2.1建立计算机控制技术的认知结构框架

计算机控制技术是一门高度综合的课程，是元件与设备、设备与系统、硬件与软件、强电与弱电、理论与算法及算法研究与程序实现的结合。需要用到以前多门课程的知识。如果从知识网络的角度来看，有了相应的知识点并建立的连接关系，应该是体现了认知结构及其框架性。但是在知识网络中众多知识点之间相互连接，错综复杂，学生难以理清头绪，利用知识网络指导课程的教学需要根据该课程的特点，将知识网络与计算机控制系统的框架有机结合，形成系统部件结构分明，模块作用明确，内涵关系清晰的课程认知结构框架。

具体而言，计算机控制系统课程具有层次结构，在硬件上由元件、模块、控制器到多机控制系统，其中每一部分又需要相应的软件操作知识相对应。在每一层次为学生建立结构框架，寻找知识的固着点，将知识点嵌入其中。计算机控制系统中的某一个板卡或模块依据其功能需要采用什么样的元件，如何依据电气、逻辑特性进行组织完成某一功能，其元件之间的连接和组织就可以视为一个网络，而对应到知识网络中则可映射为一些知识点之间的连接关系。上升到单一计算机形成的控制器，则表现为不同板卡模块、接口、CPU通过内部总线如何联系形成一个协调一致的整体，相应的连接也在知识网络中有对应的映射。再上升到由若干台计算机形成的控制系统，则表现为不同的控制器如何依据各自的特性通过外部信号连接或通信网络形成协调一致的分布式控制系统。这个层次还可以继续向上或向下进行延伸。但是都表现为系统、硬件、软件、理论与算法等不同知识点之间的连接关系。

上述过程中，为学生理清楚每个知识点在知识整体中的位置，更具体一点是知识点在计算机控制系统中发生作用的位置，让学生明白所学的知识点与前后知识点是相互联系和制约的。从而由控制系统整体结构的角度出发，来看待组成课程的不同知识单元，建立起整体的系统观念，消除学生对于该课程跳跃性和不系统的认知偏差。

3.2.2通过知识关联强化学生的知识网络

知识关联是知识与知识之间通过某一中介为纽带，所建立起来的具备参考价值的关联关系。文献［10］指出一切知识都是由节点以及由节点构成的网络来表征的，学习的过程就是节点之间联结的建立、强化或弱化过程，联结的节点多思维就宽广。这也就是本文研究知识网络的目的，遵循这一思想，我们在教学过程中注重加强知识的关联，一方面强化本课程的教学，另一方面形成本课程的桥梁作用，将有关各门课程的知识有机地联系在一起。

在教学过程中我们结合知识网络分析的结果，对于入度高的知识点予以重点关注，选择一个主要的先学知识点为固着知识点，以固着知识点为基础将其他知识点逐步引入，向学生讲清楚各个知识点之间的显性与隐性联系，从而培养学生的综合能力。对于出度高的知识点的讲授过程中注意加以引申，为学生讲清楚将在什么地方使用，从而便于专业知识网络和认知结构的形成。

知识关联教学通过两方面进行，首先是进行课程内的知识关联。在建立认知结构框架的基础上将知识点嵌入到固着点之间就是知识关联的一种实现。我们更注重为学生建立隐性知识关联，寻找联系的关键点。例如在计算机控制系统中学生通过自动控制原理学习过PID控制算法，也知道差分方程能够编程实现，但是学生往往忽略如何将传递函数转换成差分方程，从而造成只会利用传递函数分析系统却无法编程实现的问题。教学的重点是为学生点清楚两个知识点之间的关键联系—连续系统离散化的方法。

其次是进行课程间的知识关联。我们收集与课程相关的其他课程中的先学、后继以及可以类比的知识点的电子文档，充分利用电子教学手段的便利性，在授课过程中以小片段的形式向学生展示。对于先学知识点予以短时间的回顾，唤醒学生大脑中的记忆，便于形成牢固的固着点，对于后续知识点简要介绍当前知识点在后续知识点中的用处，便于知识网络的延伸。同期开设的课程中则注意进行类比。例如，学生经常搞不清楚可编程控制器课程与计算机控制系统的关系，我们在绪论中首先以计算机控制系统的组成为基础向学生讲清楚可编程控制器也是计算机控制系统的一种具体实现，在讲解过程通道的相关内容时，将可编程控制器输入与输出电路同步的展示在课件中，与本课程中输入输出通道内容进行类比。而这些内容并不需要多讲，只需要简短的几句话就能起到非常好的效果，从而便于学生对计算机控制系统及相关课程内容的理解，强化认知结构的同时，也增加了知识点的区分度。

4　结束语

知识碎片化严重影响学生综合分析和解决问题的能力，良好的认知结构能降低知识碎片化的影响，有利于新知识的学习和嵌入，知识关联有助于认知结构的强化，将二者结合起来有利于培养学生综合分析问题和创造性地解决新问题的能力，从而有助于培养学生对海量知识的自学和应用能力。笔者从2012年开始建立自动化专业的知识网络，在此过程中自身对专业的教学体系有了更深层次的认识，并尝试将其与认知结构和知识关联教学相结合，应用于本科课程教学。在计算机控制技术的教学实践中已经收到良好的教学效果。今后还将继续深化和完善自动化专业知识网络，探讨知识网络与认知结构以及知识关联教学的深层次结合，不断地继续总结教学经验，努力提高学生分析问题、获取信息和综合应用知识的能力。

参考文献

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［2］ 周欣欣，宋人杰，牛斗.《计算机控制技术》课程教学改革初探［J］.东北电力大学学报，2008，28（3）：29-31.

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［4］ 张辑，卓志强，陈婕梅.《计算机控制技术》教学方法探讨［J］.教育教学论坛，2014（28）：62-63.

［5］ 赵蓉英.知识网络及其应用［M］.北京：北京图书馆出版社，2007.

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［8］ 田俊华，李艺.“算法与程序设计”课程目标的认知结构解析［J］.课程.教材.教法，2005（12）：65-69.

［9］ 代祖华，杨得国.《C语言程序设计》认知结构教学策略的构建［J］.现代远距离教育，2007（4）：41-44.

［10］ 周和玉，王华伟，郏林.面向知识创新的知识关联系统研究［J］.情报理论与实践，2013（10）：66-68.

收稿日期：2016-04-05

作者简介：阎高伟，博士，教授，副院长。

基金项目：山西省教学改革研究项目“地方工科院校自动化类专业创新性实验教学体系调查研究”（编号：J2013021）；“面向应用型工程人才培养的控制理论课程群建设” （编号：J2015017）

Teaching Exploration of Computer Control Technology Based on the Fusion of Knowledge Network and Cognitive Structure

Yan Gaowei， Zheng Sheng， Li Guoyong， Jia Minzhi
Taiyuan University of Technology， 030600， Taiyuan， China

Abstract：According to the fragmentization of the student's knowledge structure， an automation major's knowledge point network is constructed. In the teaching of Computer Control Technology Course， the strategy based on knowledge connection is explored to build and optimize the student's cognitive structure， and then to enhance the student's comprehensive ability and quality of solving problems.

Key words：computer control； knowledge network； cognitive structure； knowledge connection