思维导图在控制技术与系统课程教学中的研究与实践

舒双宝 党学明

合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 安徽合肥 230009

思维导图是由英国学者东尼·博赞(Tony Buzan)于20世纪70年代提出的一种革命性的辅助思考工具，主要是通过运用图文并重的技巧表达一种发散性思维，从而达到增强记忆的效果[1]。相对于传统的线性记录方式，思维导图更加注重各主题之间的层级关系和逻辑关系，它能够将主题间相互关系通过相关的层级图完美地展示出来，从而形成对某一事物的整体和系统的认识，有利于对概念的深刻理解和主动思考。目前，已有很多教师将思维导图应用到课程教学之中[2]，通过思维导图可以帮助教师建立课程完整的知识框架体系，使整个教学过程更加系统科学，有效地促进了课程教学过程中师生间的沟通与交流，加深学生对课程学习内容中基本概念和设计方法的理解和掌握，有利于提高学生学习能力和思维能力。

本文在分析控制技术与系统课程特点和教学现状基础上，提出将思维导图引入到该课程的教学中，通过教学实践证明此种教学方法可明显地提高教学效果。

1 控制技术与系统课程特点

1.1 控制技术与系统课程简介

控制技术与系统是测控技术与仪器专业的一门重要的主干必修课程[3]，根据专业教学计划，该课程安排在第7学期，共40学时。主讲教材是黄惟一、胡生清主编的《控制技术与系统》(第2版)[4]。本课程的主要内容有执行元件、模拟以及数字控制技术的基本原理及使用方法、顺序控制系统与过程控制系统的理论分析与工程设计、控制系统的仿真应用以及控制系统设计方法与应用实例。着重介绍常用的PID控制技术，此外还介绍了模糊控制和神经网络等智能控制技术、专门介绍了控制系统的仿真技术及系统设计等。

1.2 课程教学中存在的缺点与不足

控制技术与系统课程是从系统的角度阐述控制系统分析与设计方法以及设计控制系统结构体系, 并注重学生实际工程设计能力的培养[5]。本课程具有一定的综合性和交叉性。内容涉及面广，但课程学时有限，课程教学过程中很难面面俱到，但若走马观花式的教学，又无法加深学生对知识点的理解和掌握，不利于学生掌握知识以及从总体上把握课程的知识系统，从而会影响教学效果。

另外，该课程中数字控制技术、复杂控制系统特性等部分需要进行数学公式的推理和理解，学生对烦琐的数学计算以及控制系统分析过程普遍感到不容易理解，部分概念还比较抽象，从而影响学生的学习兴趣，一些学生对不同知识点的相关概念容易混淆不清，不能将各个知识点联系起来设计控制系统的综合题。这些问题的出现说明了学生没有真正理解本课程的学习内容。为了达到课程的教学目的和效果，在控制技术与系统课程教学中引入思维导图，从整体上使学生对控制技术设计过程进行把握，从而激发学生学习的兴趣，提高教学质量。

2 思维导图在控制技术与系统课程教学中的应用

基于控制技术与系统课程的特点，本课程教学中采用思维导图作为组织、演示和激发学生思维的有效工具，在教学的各个环节中发挥积极作用。讲授时，可以围绕本课程知识全景图的分支点，绘制其相应的思维导图向学生讲授各细节知识点，每一讲都围绕着思维导图开展讲授。这里，我们列举了两个应用思维导图进行课程教学设计的实例。

2.1 构建课程内容体系

该课程中涵盖的内容比较多，在讲授课程的时候教师要利用思维导图引入课程，使学生对课程有个整体和全面的认识。在实际教学中笔者使用MindManager 8制作的该课程体系的思维导图如图1所示。

图1　课程整体结构思维导图

在基本反馈控制系统中，一个控制系统通常由比较单元、控制器、执行机构、控制对象以及信号传感检测单元部分组成。结合图1的思维导图，使学生很容易建立这种控制系统的概念。本书共分为7章，绪论部分是主要内容的前言和概述。第2章执行元件就是对应执行机构部分。第3章控制技术介绍常用的控制方法，对应控制器部分。第4和5章中分别介绍在应用中最常见顺序控制和过程控制系统，使学生掌握相关应用领域以及应用技术。在6和7章主要教授学生设计控制系统的能力，包括仿真设计和工程实践。通过图1，学生可以直观地认识课程的各个知识点，并能清楚认识到学习的目的和内容的重点所在。在实际教学中，再以此图为展开，讲解各个知识点，通过思维导图把控制系统的各个知识点有机地连接起来，使学生容易理解和掌握知识点的关系，激发学生的学习兴趣和学习热情。

2.2 PID控制教学案例与分析

教师在教学中首先建立一个课程结构总图，在每章教学可按各章节的知识点及其相关知识构造全景图。现以本教材第3章第一节PID相关控制规律为例介绍。首先构建如图2所示的教学思维导图，将PID相关内容作为教学的子主题词列出来，可以看出这部分内容主要包括P，I，D，PI，PD，PID共六部分内容。对每部分内容，根据知识点，可以再向下扩展，如P控制中，主要讲解比例控制过程以及比例控制特点等。如果讲到下一个知识点，则将P控制子主题收缩，打开下一个子主题，“+”后都是可以扩展的。如在积分变形的PID讲解中，就包含积分分离控制以及变速积分PID，打开“+”继续讲解该知识点的详细内容，依次类推。在实际教学中，学生就会根据这样的思维导图扩散自己的思维，同时又将知识紧紧围绕在PID相关规律里，学习的每个知识点又关联起来，加强学生的理解和记忆。

图2　PID控制思维导图案例教学图

3 实践教学及效果

利用思维导图把该课程知识结构化、图像化，给学生一种形象直观的感觉，加强了学生对控制基本原理和各种控制技术知识的理解与掌握。教师在备课时，要根据课程整体结构图，不断丰富和完善各个细节知识点，使各个知识点不再孤立，而是形成一个有机的整体，这样也便于教师对于整体知识的把握，同时又能明白教学的难点和重点所在，教师才能做到对整个教学过程的把握游刃有余。在课堂教学中，通常采用多媒体课件加板书的形式，通过教师的引导，结合多媒体课件，逐步讲解教学的思维导图。通过图形化的思维导图，提高了学生课堂的注意力，同时利用思维导图的发散性，进一步激发学生的联想，并在课堂教学中融入讨论，锻炼学生的创新性思维能力。在课后复习中，鼓励学生自行绘制思维导图，结合课堂讲授内容，强化知识探究行为，特别是在控制系统的仿真和设计环节，鼓励学生使用不同的控制算法、不同的控制器去设计及实现控制系统。课后布置学生设计任务，学生可以利用学习的控制基本原理知识激发学生的反思学习和创新意识，在反思的过程中可以不断地修改自己的思维导图，从而增加学生对知识掌握的程度和理解深度。

4 结语

控制技术与系统课程具有较强的理论性和一定的实践性，笔者在2012，2013级学生中使用了基于思维导图的课程教学方法，通过课程结束后对学生的问卷调查以及学生的考试成绩来看，该教学方法获得了良好的教学效果，学生普遍反映这种教学方式增加了学习的兴趣和热情，增强了学生的分析问题和解决问题的能力，特别是加强了控制系统设计模型的构建方法、性能分析以及控制设计的工程应用能力。