控制论、控制方法及在课堂教学中的应用.doc

控制论、控制方法及在课堂教学中的应用 本文系教育部人文社会科学研究项目“高考多元录取机制促进高中教育多样化发展研究” （项目批准号：11YJA880093）的阶段性研究成果。申大魁（陕西师范大学 教育学院，陕西 西安710062）【摘要】控制论是关于一切控制系统实现控制职能的科学。从组成要素，课堂是一个是由教师、学生、教学内容、教学条件（或环境）等因素组成的可控系统。传统课堂教学是一种单向的无反馈的教学模式。应将控制论原理、控制方法引入课堂，对教学目标、教学方法等进行控制，使施控系统与被控系统之间的目标差逐渐缩小，逐渐逼近目标，最终实现目标。【关键词】控制论；控制方法；课堂教学一、控制论及控制方法（一）控制论控制论（Cybernetics）是20世纪40年代形成的综合性的新型科学理论。美国数学家维纳的控制论一书于1948年在法国赫尔曼出版社正式出版，标志着控制论的诞生。之后，控制论向各门学科广泛渗透，形成了生物控制论、工程控制论、社会控制论等众多分支。什么是控制论？“控制论是关于一切控制系统的共有特点和规律的科学。简单地说，控制论是一门关于一切控制系统实现控制职能的科学”。一切带有“目的性”的活动都渗透着控制。随着电子计算机的广泛使用，现代控制论逐渐由人工控制发展到自动控制，由个别对象、个别过程的局部自动控制发展到对复杂的、大规模的、综合系统的自动控制。（二）控制方法自动控制是在控制系统中实现的，而任何控制系统都是由施控系统和被控系统构成的。当施控系统不断依据内部或外部条件的变化而进行调整时，就是所谓的控制。人类每时每刻都处在控制的过程中，控制也是人类主观能动性重要的表现方面。什么是控制方法？“控制方法就是施控系统如何实现对被控系统的控制，即如何使被控系统按照施控系统的目的和要求来发展的方法”。无论人、生物，还是自控机器，其控制过程都是相同的：首先，施控系统发出口令、指令、信号、行为等控制信息，输入到被控系统。再把被控系统输出的结果、情报、资料、状态等信息反馈给施控系统。施控系统对反馈回来的信息进行分析、加工、整理，并与自己想要达到的目的进行比较，继而调整控制信息，然后再向被控系统输入经过加工、整理后的新的信息。如此反复，逐步缩小与目标的差距，最终达到预期的目的。整个控制过程如下图所示：被控系统施控系统输入输出（反馈）再输入控制方法就是在上述控制过程中所采用的方法。控制方法是一系列方法的总称，最主要的有反馈方法、信息方法、择优化方法、黑箱方法，其中，反馈方法是控制方法的核心。1、反馈方法反馈方法就是将施控系统发出的控制信息作用于被控系统之后，被控系统输出的信息收集回来，作为修改下一次发出的控制信息的依据的方法。反馈又有正反馈和负反馈之分。一般把趋近于目标的反馈称为负反馈，把偏离目标，打破原有稳定状态的反馈称为正反馈。2、择优化方法这种方法就是通过先建立模型，然后比较各种模型的利弊得失，从而选择出最佳方案。这种方法可以显著加快进度，提高效率，而且使决策和预测建立在科学的基础上。3、“黑箱”方法当我们对一个事物的内部情况一无所知，而我们又不能打开这一事物的内部时，虽然我们不知道该事物的内部结构，但完全可以测出相应的输入输出过程，我们把这种具有某种功能，而内部结构不清楚的系统叫做“黑箱”。例如我们可以视人脑为“黑箱”。“黑箱方法”就是指不打开和不损坏事物的内部结构，而仅从输入输出的整体转换功能来把握事物的方法。如下图所示：？输入输出X1X2X3Y1Y2Y34、信息方法所谓信息方法，就是运用信息的观点，把系统的运动过程看作信息传递和信息转换的过程，通过对信息流程的分析和处理，获得对某一复杂系统运动过程的规律性认识的一种研究方法。信息方法的特点是用信息概念作为分析和处理问题的基础，它完全撇开研究对象的具体结构和运动形态，把系统的有目的性运动抽象为一个信息变换过程。信息流的正常流动，特别是反馈信息的存在，才能使系统按预定目标实现控制。如下图所示：储存处理输入输出反馈系统信息信息当然，控制方法不是单一的方法，而是上述各种方法所构成的动态、综合的方法。二、课堂教学引入控制论和控制方法的可行性和必要性（一）课堂教学引入控制论、控制方法的可行性上文已提及，控制论是关于一切控制系统实现控制职能的科学。从控制论的观点来看，教学过程是一种老师借助于一系列的辅助手段，诸如教科书、教具、电教设备、多媒体课件等，利用高超娴熟的教学技巧来实现的复杂的信息动态控制过程。既然课堂是一个系统，而且是一个可控系统，当然可以应用控制论和控制方法。假如将课堂系统看做是由施控系统和被控系统构成的，则教师就是施控系统，学生就是被控系统。从组成要素，可将课堂系统看做是一个是由教师、学生、教学内容、教学条件（或环境）等因素组成的系统，组成系统的各要素相互作用、相互依赖，并与外部环境构成更大的系统。（二）课堂教学引入控制论、控制方法的必要性教学效率是课堂教学永恒追求的目标。可是，纵观学校的课堂教学，有一个十分普遍的现象，那就是老师讲了很多遍的内容，老师总以为学生已经完全掌握，可是，每当考试结束后，才发现这只是老师一厢情愿，其实很多东西学生依然没有掌握，于是乎老师开始埋怨学生学习不够认真，头脑不够聪明等等。长期以往，必然导致课堂教学效率低下，学生成绩的两极分化。其实，造成这种现象的主要原因是老师只管讲，学生只管听，老师很少关注学生的理解程度，没有根据学生的反馈信息及时调整教学，这就是一种单向的无反馈的传统教学模式。如下图：教 师学 生正是由于传统教学模式没有控制过程，或者控制不够，结果使得老师和学生之间的距离越来越远，很难实现教学目标。因此，要实现教学目标，提高课堂教学效率，就必须建立反馈机制，形成控制系统。即：教 师学 生输入输出（反馈）再输入图中的输入主要是教师向学生传授知识，输出是学生的各种反应、理解程度、存在的问题等。三、控制方法在课堂教学中的应用 （一）反馈信息的获取反馈是控制论的重要概念之一，反馈方法是控制方法中最核心的方法。所谓反馈，“就是控制系统把信息输出去，又把其作用结果反送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用”。具体到课堂系统而言，教师既有控制信息输入到学生，学生也有反馈信息回到教师，教师和学生之间应形成一个闭合回路。反馈原理在我国古代就已经发现并应用，我国古代教育著作学记中早有论述：“学然后知不足；教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰：教学相长也。”学而知不足，然后自反；教而知困，然后自强，其实就是教学信息反馈过程。反馈信息的获取是课堂教学中应用控制方法的关键。在课堂中获取反馈信息的方法主要有：1、观察法：即教师在课堂教学过程中利用眼、耳或仪器等观察学生的学习效果的方法。教师在课堂教学过程中要善于从学生听课时的表情、神态、眼神等捕捉他们内心的活动，从而推断他们对教师输出的知识信息是否理解、是否有兴趣，并依此迅速调整教学措施，并将课堂教学引向深入。2、征询法：在课堂教学中，为了获取更多、更全面、更准确的反馈信息，教师要善于创设信息反馈的教学情境，开辟多种信息反馈的渠道。征询法就是一种教师创设信息反馈的情境，把课本上的知识点转化成形式多样的问题，并通过提问、讨论、练习等多种方式，及时从学生那里获得反馈信息，并做出简洁、精辟、深刻的分析，及时调控教学进程的方法。 3、卡片法：即教师将学生在学习方面的各种反馈信息及时记载到卡片上，并将记载作为因材施教的依据的方法。当然，在课堂教学过程中，要综合使用一种甚至多种方法，以获取更多信息，更好地调控课堂教学。（二）教学目标的控制课堂教学作为一个可控系统，离不开控制。教学目标是课堂教学活动的出发点和归宿，课堂教学首先要对教学目标进行控制。与以往不同，课程标准对课程目标从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度来表述，与此相对应，课堂教学目标一般地也从这个三个维度进行表述。此处所指的教学目标主要侧重于知识领域。1、教学内容数量的适度性记忆分为感觉记忆、短时记忆和长时记忆。1956年乔治米勒在其著名的论文“神奇数字7加减2，我们加工信息的能力的某些限制”中，明确指出短时记忆的容量为72，即一般为7，在59之间波动。在心理学中为了方便记忆，把一些要记忆的东西加以分类或加工使之成为一个小的整体，称之为组块。组块的作用就在于减少短时记忆中的刺激单位，而增加每一单位中所包含的信息。不同的组块方式可以导致不同的组块数，而且一个人的知识经验越丰富，组块所包含的信息越丰富。因此，教师要在教学过程中积累、丰富教学经验，不断减少组块数目，丰富组块内所包含的信息。心理学研究表明，人的短时记忆容量是五个组块，因此，每堂课的信息容量不能超过五个组块，否则人的短时记忆就难以保持，更不能将其转化到长时记忆中，就会影响课堂教学效率，所谓“欲速则不达”。当然，一堂课究竟多少信息容量合适，也因不同地区、不同学校、不同班级、不同学生而异，决不能犯教条主义错误，搞“一刀切”。2、知识密度的控制一般来说，一堂课的教学内容总量确定之后，这堂课的知识内容平均密度也就大体确定了。但是，每堂课教学内容的分布并不是均匀的。因此，教师要善于根据学生的知识基础、智力水平、接受能力、教学内容的难易程度、学生的反馈信息等合理控制教学内容，当然，知识密度的控制要避免两个极端，一是知识密度太大，导致学生难以及时消化；二是知识密度太小，导致学生学习兴趣下降，教学效率低下。高效率的课堂应该有张有弛，富有节奏感。（三）教学方法的控制教学方法的选择直接影响课堂教学的效率。新课程改革提出教师教学方式和学生学习方式的改变。教师教学方式改革的方向是实现教学方式的多样化，而且应以讲授法为主，综合运用讲授法、自主学习、合作学习、探究学习等多种教学方法。在课堂教学过程中，教师要善于对教学方法进行控制，特别是要建立反馈机制，形成控制系统，根据不同教学内容、学生的反馈信息等灵活运用合适的教学方法，使每一种方法最大限度起到作用，才能使各种教学方法形成“合力”，提高课堂教学效率。否则，在课堂上就会出现教师“自以为是”， 学生还没有完全听懂，教师却仍然滔滔不绝地往下讲个不停，或者学生已经完全听懂了，而老师仍然一遍又一遍讲个没完等现象，无论讲授法还是自主学习、探究学习、合作学习，其效