基于知识状态反馈控制的学科竞赛培养模式的探索与实践

方愿捷, 钱 云, 孙春虎, 王 静, 杨 秀

(巢湖学院 电子工程学院， 安徽 巢湖 238000)

0 引言

高校学科竞赛是我国高等教育实践的重要环节，是我国高等教育人才培养的良性补充。我国在经历多年的学科竞赛的发展，培育了一批高质量人才[1～2]。随着学科竞赛的规模扩大与适应我国社会发展需求的提升，我国高校学科竞赛已步入内涵式发展阶段[3]。近年来，高等教育不仅对人才的基本知识、思想道德等素质的培养提出要求，同时也对创新实践能力培养的做出更高要求[4]。

基于学科竞赛的人才培养模式、教学改革与实践方法得到教育界学者的广泛关注。学科竞赛模式的培养的教学研究从实验室建设开放、学生培养管理制度、创新创业能力培养等几个方面展开。文献[5]归纳了学科竞赛中需要具备的自主学习、创新、实践、写作、语言表达以及团队合作的六大能力，综合分析了学科竞赛对能力培养的促进作用；文献[6]从学科竞赛对教学模式、实践环节改革、人才培养的质量提高的促进效果；文献[7]分析了竞赛中存在的问题，提出了将学科竞赛纳入培养方案、正常教学活动、建设展览室等方面的学科竞赛推动思路，培养学生的创新能力。文献[8]利用学科竞赛摸索推动创新实验室的探究式学习与阶梯人才培养模式的改革；文献[9]通过建设特色专业实验室、实训基地、网络平台等措施，在学科竞赛等环节获得突破。

整体学科竞赛对高等教育的推动作用已经取得良好的效果。但是，在学科竞赛的教学研究实践中，忽视了指导教师对学科竞赛的反馈作用的分析。本文探索了以下2个方面：

(1)借鉴现代控制理论中的状态空间与状态反馈控制理论，构建了基于状态反馈控制的学科竞赛培养模式，并对传统教学的基于输出反馈控制的教学模式进行对比，分析两者的异同，并给出其优异效果的原因。

(2)以“西门子杯”中国智能制造挑战赛为案例，分析影响学科竞赛成绩的五个知识状态量，并分析了知识状态观测的案例与观测的运行模式，提供基于状态反馈控制的学科竞赛培养模式的案例支持。

1 基于输出反馈的课程教学模式

古典控制理论主要分析系统的输入与输出，通过系统的输入信号与输出信号来构建系统的传递函数，并用系统的传递函数来刻画系统模型。在系统传递函数模型下，设计系统的稳定控制器，利用输出信号与输入给定信号的偏差在控制器的作用下进行调控，并追逐整体控制系统的性能。

如图1，单一课程的教学模式可以等效为一个简单的输出反馈控制系统。教师通过课堂作业、学生答疑、实验辅导等手段获得学生课程知识学习情况的反馈，即实现专业知识的感知。再将整体感知的学生情形与自己教学大纲要求进行比对，实现知识偏差的获得，教师通过偏差量合理调节课程的讲授，实现专业知识调节器的作用。该种模式实际被广泛应用于课堂教学活动中。

图1 基于输出反馈的课程教学模式

学科竞赛异于单一课程的教学方式，其综合性知识要求可能是自动控制原理基础知识、PLC原理基础知识、电路基础知识以及传感器技术知识等大量专业知识的交叉融合。仅从学生的输出学科竞赛的水平，难以分析出学生知识的缺陷所在。学科竞赛的反馈控制应基于学生知识状态反馈控制实现培养模式。

2 基于知识状态反馈控制的学科竞赛培养模式

控制系统的时域分析中引入了被控对象的状态空间的概念[10]。状态反馈控制通过对被控对象的输出构建状态观测器，使用观测器观测的状态量进行反馈控制，达到优良的控制指标。状态反馈控制系统较输出反馈控制系统对于过程复杂的系统有良好的适应性能。

图2 知识状态反馈控制的学科竞赛培养模式

知识状态反馈的学科竞赛培养模式与控制系统状态反馈的类比如表1所示，整体的模式与状态反馈控制系统的控制思想基本一致。

表1 状态反馈控制系统与知识状态反馈控制学科竞赛培养模式类比

3 输出反馈控制与知识状态反馈控制学科竞赛培养模式对比

应用输出反馈控制的课程教学模式进行学科竞赛培养模式难以达到效果。实践证明，学科竞赛水平是多种知识综合的整体表现，不同学科竞赛，不同赛项，在同样的知识状态量上，输出结果是不同的。仅从竞赛水平的结果反馈上进行调节，调节时间周期长，通常需要学生先参加一次学科竞赛来积累经验或者学校参照往年竞赛题目进行一次预赛，获得学生的学术竞赛水平的评估，指导教师再评估竞赛要求之间的偏差，最后进行实际教学模式的调节。

基于状态反馈控制的学科竞赛的培养模式，在得到竞赛结果输出前，通过教师的主动观测，获得各知识状态量的学习情况，而获得教学效果的反馈，及早在教师的“控制律”下调节学生的知识状态的学习，在状态空间实现偏差的消除，达到输出与输入之间的“跟随”。响应时间要小于基于输出反馈控制的教学模式。

基于知识状态反馈控制学科竞赛的培养模式“响应性能”优于基于输出反馈控制的教学模式，实际上在指导教师层面必须做出“牺牲”。首先引入了“知识状态观测器”，其对于指导教师来说需要投入更大的精力去观测学生的知识点的掌握情形，这对于指导教师的指导过程是个挑战；其次，在竞赛水平要求给定的情形上，要求指导教师熟悉竞赛的规则要求，不仅停留在竞赛规则的“显性”要求，更要求指导教师掌握竞赛中竞争力提升的“隐性”要求。科学设定“竞赛要求给定”这一期望，并内化到各状态量的设定环节中，是指导教师的又一个挑战。

4 “西门子杯”中国智能制造挑战赛的应用

基于状态反馈控制的学科竞赛培养模式在我院教学团队的“西门子杯”中国智能制造挑战赛中得到了应用，以“西门子杯”中国智能制造挑战赛的离散行业运动控制赛项为例，竞赛题目为物料卷绕系统的设计，实际控制电机对系统的张力进行控制。竞赛主要要求：实现缠绕系统在物料线速度±15 m/min 之间无波动无断带。

教学模式中知识状态量应为：自动控制原理基础、电机学基础、PLC原理及应用、运动控制、传感器技术及原理5个状态量。培养模式的核心是实现该赛项的5个状态量的观测，我院教学团队指导教师首先通过对各课程考试情形进行分析，掌握初步情形，在首次观测中，对于绩点较低的课程进行首次粗调，对于不熟悉的知识点进行补充讲解同时对同学进行要求。为了保证基于状态反馈控制教学模式的时效性，每周以组会形式进行讨论，指导教师对学生的各知识点情形进行深度排查，在后期组会中，通过竞赛水平提升的要求下，对各知识点进行串联，并组织实施针对各状态量的实验调试。在该赛项中，对应各知识点开展的实验在表2中列出，通过多组实验实现教学模式中的“知识状态观测器”。

表2 状态量观测

基于知识状态反馈控制的学科竞赛培养模式下，教学团队取得良好成绩，在2016年-2019年间离散行业运动控制赛项连续获得全国等级的竞赛成绩，并取得华东赛区的特等奖、一等奖等多项优秀成绩，课题组也同时获得安徽省教学成果二等奖的奖励。基于知识状态反馈控制的培养模式为学生培养探索了一条可行的路径。