基于协同教学环境的连续系统仿真教学探讨
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）26-0031-02
协同学习是基于建构主义知识观的基础上，在建构派的观点中，“学习”被理解为意义的获得，因为建构主义知识观认为：学习者是以自己关于世界独特的经验及信念为背景，同时，学习的过程是学生的一种认知过程，所以应该是学生主动探索、发现问题的建构过程。因此，有必要创建一种富有个性化的教学环境。计算机支持的协同学习平台（Computer Support for Collaborative Learning，CSCL）是由计算机支持的协同工作（Computer-Supported Collaborative Work， CSCW）与协同学习（Collaborative Learning ，CL）的理论与方法相结合的产物。[1]因此，它是集计算机技术、信息技术、教育学、心理学、社会学等为一体，在CSCL平台的支持下，师生可突破地域和时间上的限制，进行互教互学、小组讨论、小组练习、小组课题等合作性学习活动，从而使学生们获得的知识紧密结合起来，使处于不同年龄、时间、地点的人们开展协作学习成为可能。[1]
在基于协同教学环境的教学模型中，记忆变得不再是最重要的，老师所掌握的是教学经验、基础知识和查询信息的能力。而学生则更为自由，不必拘泥于时间和地点（教室） ，可直接选择合适的时间学习和查询知识库，并与同学、老师、专家进行交流与评价，故提高了学生学习的主动性。知识库中保存和不断更新所要学的信息、知识，以供学生学习及老师查询。给学生提供足够多的学习资源，教师主要通过控制学习的流程，提供需要学习的和掌握的资料来提高学生的学习质量。因此从传统的课堂教学模式过渡到CSCW式的教学模式，这是一个螺旋式上升的过程。该协同教学环境为培养学生的高级认知过程和合作精神提供了更加轻松、自由的学习环境，尤其适合于工科学生的学习。
一、协同教学环境的设计与功能
协同教学环境是协同学习的支持工具，它和教学是密切相关的，必须在科学的教学模式和方法的指导下进行平台的研究。协同学习环境主要有：学习过程控制、仿真任务专题研讨、仿真任务方案研讨、环境分析、仿真实验、仿真结果解析分析及仿真课程资料库、知识库、实验信息库和基础信息库等部分组成，如图1所示。
其中：
协同学习控制部分，由主讲教师按照仿真实验流程和“问题树”展开对逐个问题的推出与研讨，并控制整个学习过程的进展，启动、中断或结束一个问题的研讨。制定学生的发言和评价、发放调查问卷，控制学习过程的焦点主要集中于完成任务的研讨问题。
仿真任务专题研讨部分，可以连接到信息系统，实时查询仿真任务研讨问题的相关资料，在研讨时进行说明和显示。
仿真方案讨论部分，利用实验设计工具、仿真软件系统，通过显示系统等演示构想方案，通过解析分析，得出一定结论，与老师和同学讨论仿真方案的可行性和合理性。
环境分析，主要分析仿真环境的参数，即在指定时间、指定区域的环境参数值和环境参数值的变化规律，分析这些参数对仿真结果的影响。
仿真实验部分，支持仿真分析，能够将构想方案输入仿真实验系统，在学习过程中展开必要的仿真分析和结果显示。
仿真结果解析分析，利用仿真结果及所学的知识解释结果的合理性，及参数优化的可行性，或选用其他方案的可行性，并对各种方法和参数进行比较分析。
协同过程材料整理，对协同学习过程信息所涉及的各种材料进行整理与分析，形成初步的实验报告及资料整理总结，可放入仿真课程资料库，供后面的同学学习或参考。
仿真课程资料库，存储在教学过程中产生的文档、以人为中心，以信息为基础，以知识创新为目标，将文档看做一种可开发资源的管理，同时管理文档的存取访问、控制文档的分发、监控文档的流转过程，其中包括教师和学生在教学过程中对其所在集体的知识与技能（包括写在纸上，输入计算机中或存在于人脑中的）的捕获与运用的过程。
知识库：通过运用产生式系统表示法、逻辑表示法、框架表示法、语义网络表示法、模拟表示法、脚本表示法、过程表示法、特征表示法等多种知识表示法，建立能够表达连续系统仿真的理论、经验、常识的知识库，并在此基础上，建立人机结合的启发式问题推理求解机制。对于不确定及模糊因素，引入人工智能，进行知识推理。
实验信息库，对仿真实验实例的基本信息、配置信息、方案信息、过程数据、结果数据以及分析数据进行存储。
另外，能够对协同学习过程的录音、录像、截屏、问题等原始记录，特别是协同学习过程中教师和学生发表的各种意见、观点及相关论据，进行分类存储，支持定制回放。
基础信息库：主要存储其他相关学科的基础信息。
二、基于协同教学环境连续系统仿真教学案例
仿真技术是以相似原理、信息技术和系统技术及应用领域有关专门技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科综合的技术性学科。因为连续系统仿真课程所涉及的知识面较宽，既要有较深入的理论基础知识，又要有较广泛的专业基础知识。它在学员知识结构方面将起到加强理论深度和拓展知识广度的积极作用，是仿真工程和自动化等专业的技术基础课程。 连续系统仿真的教学重点在于突出系统仿真的基本原理、基本方法和实际应用。通过典型仿真系统的应用体现本课程的实用性和重要性，教学方式以讲授为主、自学为辅，积极开展体验性教学。其主要目标是在教师的指导下，采用小组协作，围绕某一任务，进行交互、讨论、协商、竞争，在交流、合作、竞争中培养团队精神、协作意识，掌握相关知识。
基本流程是：
（1）教师提出合作学习任务，主要控制流程和工作量，以及将要达到的目标。教师在协同教学平台上发布各种任务，主要有：教师提出合作学习任务，主要控制流程和工作量，以及将要达到的目标。教师在协同教学平台上发布各种任务，主要有：自整角机和伺服结构组成的随动系统随动控制；用试验方法测得系统的开环频率响应数据，求其开环传递函数；旋转式倒立摆控制系统的控制、直流电机双闭环系统的参数优化等，总之是一些较大型较复杂的系统仿真项目。
（2）学生自由组合成三人一个学习小组，领取任务并进行任务分工，同时要将组成人员、任务的名称及分工及时上报教师，得到批准后才能进行后面的工作，教师要掌握任务的分派情况、组成人员的情况，以避免多个组同时做一项任务。同时掌握每个学生大致的工作量，学生在教师的指导下熟悉协同教学环境中可用资源的获取，查找相关的资料。例如建模工具的选取、仿真软件的选取、建模的模块资源，这些都可在协同教学环境中获得。
（3）每一个小组提交任务书，概要设计和详细设计等设计方案，同时提出设计依据的原理，协商方案的优缺点，提出未解决的问题，各小组之间可相互提出参考意见，互相评分、相互评议。教师就方案发表自己的观点，阐述各自的特点及改进的办法，对于不合格的方案要重新梳理，重新设计。
（4）各小组成员完善补充设计方案，然后给出实现方案，按照选定的目标软件编写程序，遇到问题，先在小组内讨论，解决不了再提交全队讨论。教师在这个过程中可判断某个同学或某个小组解决问题的多少给予权重加分。
（5）各小组根据仿真结果，统计汇总得出结论，或提出最优化参数，制作电子报告，进行现场演示，同学可以打分评议，同时教师也给打分评议。最后教师根据各个步骤的打分列表，给出各部分的权重，得出一个总分，在每个过程的打分中设计了一个群决策算法，既考虑每个同学发言权又给教师和实验室的指导人员更高的权重，以充分考虑他们的评判。
（5）最后将学习成果在全班评议、讲评，教师总结，然后将优秀及较差的设计方案、实现方案及出现的问题整理存入资源库，以备后面的同学学习或借鉴。
三、结束语
本文介绍了研究设计实现的协同教学环境的框架和功能，基于该协同环境进行了以连续系统仿真为例的教学，通过该环境平台控制学生的学习内容及学习进度。同时提供多种工具的协同进行教学研讨，为研讨式教学提供了案例。
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